朱華炳 羅祖平 董伯麟 王治森

合肥工業(yè)大學，合肥，230009

0 引言

數(shù)控系統(tǒng)是現(xiàn)代制造裝備的核心?？芍貥嫈?shù)控系統(tǒng)具有在一定范圍內(nèi)迅速調(diào)整其結構和功能的能力，能夠快速適應市場的迅猛變化和系統(tǒng)自身的改變，從20世紀90年代開始已成為數(shù)控技術研究的一個熱點［1－2］。!

數(shù)控系統(tǒng)的重構包括硬件可重構和軟件可重構。目前對數(shù)控系統(tǒng)軟件可重構的研究主要有：①將數(shù)控軟件的功能封裝并抽象成標準“軟件芯片”，以“軟件芯片”庫為基礎，通過庫中的“軟件芯片”組合實現(xiàn)系統(tǒng)可重構［3］；②以開放式體系結構為基礎，將功能模塊設計成標準組件，組件通過標準接口通信實現(xiàn)系統(tǒng)的可重構［4］；③以標準總線為基礎，通過總線的易擴展性實現(xiàn)系統(tǒng)的可重構［5－6］。

以上研究的特點是，采用將功能和數(shù)據(jù)封裝成一個對象，通過對象的復用實現(xiàn)系統(tǒng)的重構。但是這些對象均為被動對象，每次重構都需要設計所有對象的調(diào)用才能運行。數(shù)控系統(tǒng)是個行為復雜的系統(tǒng)，當對象的數(shù)目增多時，調(diào)用方法和順序?qū)兊檬謴碗s，從而導致數(shù)控系統(tǒng)的重構變得繁瑣和低效。

本文提出面向活動對象的可重構數(shù)控系統(tǒng)軟件設計?；顒訉ο笾g無需設計相互的調(diào)用。通過“訂閱”外部事件，以事件驅(qū)動其執(zhí)行。通過“出版”事件，以事件同外部進行通信。在該模式下，活動對象耦合性小、可復用程度高，系統(tǒng)集成簡單、重構能力強。

1 面向活動對象的設計

活動對象（active object）是“一個擁有其自己的控制線程的對象”［7］，它不被外部的對象所調(diào)用，通過異步事件交換的方式同其他活動對象通信，以RTC（run－to－completion）的方式執(zhí)行事件處理。圖1所示是一個活動對象，它包含一個控制線程（事件循環(huán)）、一個事件隊列和一個狀態(tài)機，即“活動對象＝（控制線程＋事件隊列＋狀態(tài)機）”［8］。

1.1 活動對象RTC事件處理

圖1 活動對象及其事件循環(huán)

在圖1右側顯示了事件循環(huán)的流程。queue.get（）從事件隊列中取出事件，通過dispatch（）派送到狀態(tài)機進行處理。在處理完成后返回queue.get（），并從事件隊列中取出下一個事件，重復上面的過程，如此循環(huán)。事件循環(huán)保證了每個活動對象處理事件的RTC形式。RTC形式固有地排除了內(nèi)部并發(fā)問題，在第二個事件被處理前，dispatch（）操作必須完成并且返回到事件循環(huán)。這里的RTC指的是單個活動對象內(nèi)部的事件處理。在優(yōu)先級搶占的多任務系統(tǒng)中，當高優(yōu)先級的活動對象有事件需要處理時，低優(yōu)先級的活動對象會被掛起，將CPU的控制權讓給高優(yōu)先級的對象。在高優(yōu)先級的活動對象處理完后，CPU控制權重新歸還當前懸掛對象，使其繼續(xù)執(zhí)行。

RTC形式可以進行有效堵塞。當事件隊列為空時，活動對象會堵塞在queue.get（）上（此時不占有CPU），直到有新事件出現(xiàn)，才會繼續(xù)執(zhí)行，從而提高了CPU的利用率。

1.2 活動對象異步事件交換

活動對象與其他對等實體的事件交換采用異步方式。每個活動對象擁有一個自己的事件隊列，所有的事件異步地投遞到事件隊列中，活動對象通過事件隊列唯一地接收事件。一方面，當活動對象在忙碌時，可以自動地對輸入事件進行排隊。另一方面，事件生產(chǎn)者僅需將事件投遞到活動對象的事件隊列中，而不必一直等待其處理完成。除此，活動對象可以不區(qū)分事件來源地接收事件并統(tǒng)一處理。事件可以是其他活動對象產(chǎn)生，也可以是中斷產(chǎn)生，還可以是自身產(chǎn)生。

1.3 活動對象的狀態(tài)機行為規(guī)劃

數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)輸入的信息（如數(shù)控程序、操作面板的輸入、傳感器的反饋信息）控制機床移動，實現(xiàn)加工操作（如軸運動、換刀、停止機床等），屬于典型的反應式系統(tǒng)［9］。反應式系統(tǒng)（reactive system）是一個對外部和內(nèi)部刺激做出響應的事件驅(qū)動系統(tǒng)（event－driven system）。在確定性的反應式系統(tǒng)中，系統(tǒng)輸入的順序和數(shù)值決定了系統(tǒng)的響應順序和數(shù)值［10］。因此，需要專門的方法來描述系統(tǒng)的行為。狀態(tài)機（state machines）是說明和實施事件驅(qū)動系統(tǒng)最有名的形式，先進的UML狀態(tài)機代表著狀態(tài)機理論和表示法的當前藝術狀態(tài)［8］。本文以UML狀態(tài)機（Statecharts，也稱狀態(tài)圖）來表示并規(guī)劃活動對象的行為。

圖2所示是一個簡單的狀態(tài)圖，圖中包含A、B、C、D 4個狀態(tài)，處于某一狀態(tài)意味著系統(tǒng)只響應所有允許輸入的一個子集（如處于D狀態(tài)只響應a輸入和c輸入），只產(chǎn)生可能響應的一個子集（轉(zhuǎn)移到A狀態(tài)或轉(zhuǎn)移到B狀態(tài)），并且改變狀態(tài)也只是可能狀態(tài)的一個子集（對于輸入事件除了可以發(fā)生狀態(tài)改變還可以有其他的輸出）。C狀態(tài)是一個父狀態(tài)，包含A和B兩個子狀態(tài)，子狀態(tài)可以繼承父狀態(tài)的響應（如在A狀態(tài)遇到d輸入會轉(zhuǎn)移到D狀態(tài)）。Statecharts相關信息及優(yōu)點請參考文獻［7，11］。

圖2 一個簡單的Statecharts

1.4 活動對象“出版－訂閱”事件投遞

面向活動對象的設計將應用分解成若干功能專一的活動對象，它們通過異步事件交換進行通信。因此，如何將事件投遞到目標對象至關重要。

最簡單的方法是活動對象彼此直接發(fā)送事件。然而，它們要求活動對象密切“知道”彼此。不僅需要擁有一個指向?qū)獙嶓w對象的指針或引用，而且還必須知道對方可能感興趣的事件類型。這種密切的“知識”存在于所有參與的活動對象之間，使得系統(tǒng)難以改變和擴展。例如，加入一個新的活動對象是困難的，因為已經(jīng)存在的活動對象不了解新來的對象，并且不會向其發(fā)送事件。

觀察者（OBSERVER）模式（又稱出版－訂閱（publish－subscribe）模式）定義了一種一對多的依賴關系，當一個對象的狀態(tài)發(fā)生改變時，所有依賴于它的對象都得到通知并被自動更新。中介者（MEDIATOR）模式用一個中介對象來封裝一系列的對象交互。中介者使各對象不需要顯式地相互引用，從而使其耦合松散，而且可以獨立地改變它們之間的交互。

圖3所示的“出版－訂閱”框架結合了觀察者和中介者兩種設計模式。“出版社”是一個觀察者，同時又是一個中介者，活動對象是觀察者。活動對象從“出版社”訂閱自己感興趣的事件，并將自己要出版的事件投遞到“出版社”?！俺霭嫔纭笔盏绞录蟀凑沼嗛喠斜硪灰煌哆f給所有的訂閱者（活動對象）?！俺霭嫔纭背私邮栈顒訉ο笸哆f的事件外，同時還接收中斷投遞的事件。

圖3 “出版－訂閱”框架

在這種方式下，所有事件被公眾所知，活動對象無需相互“知道”，只向“出版社”“訂閱”自己想要的事件。系統(tǒng)內(nèi)部活動對象之間具有松的耦合性。一個活動對象可以不用知道其他活動對象是如何運行的，而只需知道系統(tǒng)中具有哪些事件，根據(jù)這些事件，自己該如何運行。一個活動對象的行為邏輯發(fā)生了改變，不會影響到其他活動對象的運行。一個新活動對象的加入可以很好地融入系統(tǒng)，又不影響系統(tǒng)其他部分的運行。

2 活動對象的實現(xiàn)

圖4所示為活動對象的實現(xiàn)類圖?；顒訉ο罄^承基類CActive，CActive聯(lián)合了3個基本要素：狀態(tài)機（來自CHsm類）、事件隊列和執(zhí)行線程。

圖4 活動對象類圖

2.1 執(zhí)行線程的實現(xiàn)

執(zhí)行線程具有平臺依賴性，不同的操作系統(tǒng)具有不同的執(zhí)行方式。圖5所示為創(chuàng)建及執(zhí)行線程的偽代碼。首先在CActive：：Start（）內(nèi)創(chuàng)建好事件隊列及執(zhí)行線程，在CActive：：run（）內(nèi)通過for（；；）循環(huán)從事件隊列中獲取事件，并將其投遞到狀態(tài)機進行處理。

2.2 事件隊列的實現(xiàn)

很多實時操作系統(tǒng)天生具有自己的消息隊列（有時稱為郵箱或消息郵箱），此時可以將消息隊列映射成所需要的事件隊列，從而實現(xiàn)對事件的排隊和堵塞。對于不具備消息隊列的操作系統(tǒng)，需要設計自己的事件隊列來處理事件排隊、回收、堵塞等機制。事件隊列的實現(xiàn)可參考文獻［8］。

圖5 活動對象的執(zhí)行線程

2.3 狀態(tài)機的實現(xiàn)

活動對象的狀態(tài)機是通過繼承CHsm類實現(xiàn)的。CHsm類是一個能夠處理層次狀態(tài)轉(zhuǎn)移的狀態(tài)機抽象類，它封裝了狀態(tài)機的狀態(tài)轉(zhuǎn)移機制等。通過這種方式，活動對象對狀態(tài)機的實現(xiàn)只需編寫所有狀態(tài)的狀態(tài)處理函數(shù)。圖6所示為一段事件處理代碼，在狀態(tài)處理函數(shù)內(nèi)，根據(jù)事件類型進行狀態(tài)轉(zhuǎn)移或進行相應的事件處理。

圖6 活動對象的狀態(tài)處理函數(shù)

2.4 事件“出版－訂閱”的實現(xiàn)

圖7所示為事件的“出版－訂閱”訂閱者列表，在該列表中，每個事件對應一個清單，清單中保存著訂閱該事件的所有活動對象的優(yōu)先級編號（每個活動對象對應唯一的一個優(yōu)先級編號）。當有事件出版時，根據(jù)該事件的清單對訂閱者一一進行投遞。通?；顒訉ο笤诔跏蓟瘍?nèi)部狀態(tài)機時通過PB：：subscribe（CActive＊a，Signal sig）接口訂閱該活動對象感興趣的事件，在運行的任何時候通過接口PB：：publish（Event＊e）出版自己的事件。

圖7 訂閱者列表

3 D－Max ENC數(shù)控系統(tǒng)應用

D－Max ENC是以 Windows CE6.0為軟件平臺的可重構嵌入式數(shù)控系統(tǒng)，按照設計要求它需具有快速重構能力，可以根據(jù)客戶需求重構出具有不同聯(lián)動軸數(shù)，或不同刀庫，或不同用戶界面，或增加其他功能（如，增加機械手或增加遠程監(jiān)控）的數(shù)控系統(tǒng)。

3.1 D－Max ENC M3數(shù)控系統(tǒng)硬件結構

圖8所示為D－Max ENC M3銑削加工中心的硬件結構。該系統(tǒng)具備三軸聯(lián)動，自動換刀等功能。系統(tǒng)采用主從式多CPU結構，X86工業(yè)主板具有主CPU，通過PC/104總線分別與FPGA運動控制卡及PC/104數(shù)據(jù)采集卡相連，通過串口總線與刀庫PLC相連。

圖8 D－Max ENC M3硬件結構

3.2 D－Max ENC M3數(shù)控系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

D－Max ENC M3系統(tǒng)共包含IO活動對象、TC活動對象、MC活動對象、Core活動對象和HMI活動對象5個活動對象（圖4）。

IO活動對象：主要檢測I/O信號，管理MDI鍵盤的按鍵輸入。該對象的狀態(tài)機只有一個狀態(tài)，其簡化狀態(tài)圖如圖9所示。在該狀態(tài)下，活動對象不斷檢查是否有鍵按下。當有鍵按下時，創(chuàng)建一個該按鍵的事件，并將該事件出版。

TC活動對象：負責與刀庫的PLC通信，從而控制刀庫選擇相應的刀具。該活動對象簡化狀態(tài)圖如圖10所示，活動對象有Idle和Busy兩個狀態(tài)。在Idle狀態(tài)，可以接收選擇刀具的事件（SELECT＿TOOL），并進入Busy。此時，若再收到選擇刀具的事件，將不會進行處理（可以有效防止破壞換刀的控制邏輯），直到收到刀庫處理完成事件（TM＿PROCESSED）后，重新轉(zhuǎn)移到Idle狀態(tài)。MC活動對象：管理運動控制卡的行為。根據(jù)所控制的運動控制卡有批處理和立即處理兩種模式，且在批處理模式有數(shù)據(jù)緩存區(qū)、允許暫停和取消功能，其簡化狀態(tài)圖如圖11所示。在Idle狀態(tài)和Hungry狀態(tài)可以接收插補指令事件，而在Full狀態(tài)不會處理接收的插補指令。進入Suspend狀態(tài)后，插補會暫停，在收到START事件后，又會恢復到上一個狀態(tài)。

圖9 IO活動對象簡化狀態(tài)圖

圖10 TC活動對象簡化狀態(tài)圖

Core活動對象：編譯程序，并將編譯后的指令通過事件出版出去。由于指令具有多種類型以及單次處理的指令長度有限，為了保證事件出版后其他活動對象能夠進行處理，需要將編譯后的指令按類型及長度分成多個指令段，并訂閱運動控制卡數(shù)據(jù)處理完成事件（MC＿PROCESSED）、運動控制卡數(shù)據(jù)饑渴事件（MC＿HUNGRY）和刀庫處理完成事件（TM＿PROCESSED）。在這些事件的驅(qū)動下，將分段指令出版。除此，該活動對象還訂閱了插補、急停、復位、進給保持、啟動等事件，從而控制整個過程的執(zhí)行。其簡化狀態(tài)圖如圖12所示。

圖12 Core活動對象簡化狀態(tài)圖

HMI活動對象：負責程序的編輯、參數(shù)設置、顯示以及自動或手動的數(shù)據(jù)準備等。其簡化狀態(tài)圖如圖13所示。該活動對象訂閱了所有的按鍵事件，通過模式選擇事件進入不同狀態(tài)，不同的狀態(tài)只處理固定的按鍵事件。如，在Auto狀態(tài)收到START按鍵事件后會出版帶有零件程序參數(shù)的編譯事件，在JOG狀態(tài)會處理X＋等軸控制按鍵事件，而不會處理START按鍵事件。

圖13 HMI活動對象簡化狀態(tài)圖

3.3 D－Max ENC M5E數(shù)控系統(tǒng)軟件重構

圖14所示為面向活動對象軟件設計的重構流程。

圖14 面向活動對象的軟件重構流程

首先，根據(jù)新的系統(tǒng)需求，分析判斷已有活動對象的行為是否發(fā)生了改變，包括其狀態(tài)圖及事件的處理方式是否需要發(fā)生改變；其次，在已有活動對象修改完成后，對比新系統(tǒng)，查看已有活動對象無法完成的功能，設計并添加新的活動對象；然后，重新對所有活動對象檢查，檢查是否有出版的事件漏處理或未出版等；最后，整合所有活動對象進行驗證、仿真、測試等，最終得到新的系統(tǒng)。

D－Max ENC M5E系統(tǒng)是一五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)除具有五軸聯(lián)動外，還具有網(wǎng)絡監(jiān)控功能。通過互聯(lián)網(wǎng)可以遠程監(jiān)視其運行狀況，或傳送數(shù)據(jù)控制機床運行（在Online模式）。表1及圖15、圖16所示為D－Max ENC M3重構為D－Max ENC M5E系統(tǒng)的軟件重構內(nèi)容。

表1 D－Max ENC M5E軟件重構內(nèi)容

圖15 重構后HMI活動對象簡化狀態(tài)圖

圖16 Monitor活動對象簡化狀態(tài)圖

從上述重構過程可以看出：

（1）活動對象通過事件出版進行通信，沒有相互的調(diào)用，避免了重構過程“牽一發(fā)而動全身”。如，IO的改變并沒有影響到TC活動和MC活動對象的行為；加入Monitor活動對象，并沒有干涉到IO活動對象、TC活動對象、MC活動對象、Core活動對象的活動。通過減小相互間的耦合，從而可以降低重構難度，提高活動對象的復用程度。

（2）活動對象以一狀態(tài)機來控制其行為，通過狀態(tài)圖將控制邏輯圖形化。使得重構的分析和設計更加便捷和清晰。避免了閱讀控制邏輯復雜代碼和大量描述文檔的繁復和耗時，從而可以節(jié)省時間，提升效率。

（3）活動對象的實現(xiàn)采用了抽象和繼承（圖4），復雜的邏輯運算均已被抽象的CActive類實現(xiàn)，活動對象只實現(xiàn)通過狀態(tài)處理函數(shù)實現(xiàn)對事件的處理（圖6）。從而使得重構后創(chuàng)建新的活動對象和修改已有活動對象更加容易。

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