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随着信息技术的迅速发展和经济全球化,制造业所面对的市场环境快速多变,产品上市周期的逐渐缩短,用户需求也越来越具有个性化、多样化,这给制造业既带来前所未有的竞争和压力,同时也带来了新的机遇和挑战。计算机数控系统(Computer Numerical Controller,CNC)作为数控设备的中枢,其性能直接影响甚至决定着数控设备的质量。为了提高数控系统的开发效率,降低开发成本,以适应快速多变的市场,保障系统性能,本文基于领域建模的思想,对嵌入式数控系统软件自动生成技术进行了较深入的研究。采用模型集成计算(Model-Integrated Computing,MIC)理论,建立了面向数控领域的建模语言和建模环境,研究了数控领域模型解析和映射方法,为基于领域建模的数控系统开发过程提供了有效的解决方案。
论文针对数控系统的发展趋势以及目前嵌入式数控系统开发所面临的问题,提出了基于领域建模的数控系统总体开发框架。该开发框架分为两个阶段,即面向领域开发阶段和面向应用开发阶段。面向领域开发阶段为面向应用开发阶段提供领域建模环境和工具平台,应用开发阶段针对不同的用户需求对系统进行领域建模,从模型层对系统进行快速剪裁与配置,并通过代码生成工具,最终自动生成数控软件。与传统的开发过程相比,该开发框架在成本与效率、模块可重用性、系统开放性和可扩展性等方面都具有明显的优势。
根据以上开发框架,设计了面向数控领域的元模型,并建立了数控领域图形化建模环境。首先从系统功能结构、系统行为、实时性等方面进行对数控系统进行领域分析,研究了数控系统的共性与特点。然后把数控领域元模型设计分为三个部分,即层次化的功能元模型、基于端口的数据流元模型以及基于层次有限状态机的行为元模型。层次化的功能元模型采用模块化设计思想,根据系统模块的大小分成系统结构层、三大模块层、模块结构层以及子模块结构层四个层次。数据流元模型体现了模块之间的交互关系,其设计方法是在各个模块内添加不同类型的数据端口,并指明它们之间的连接规则。基于层次化有限状态机的行为元模型描述了系统状态转化过程以及任务协调和同步。
模型解析和映射是以模型为中心的开发模式的核心技术。论文提出了基于领域解析类库的模型解析方法,使得模型解析过程完全面向领域逻辑,而不用考虑底层实现细节,提高了模型解析的效率。模型映射是指从领域模型到代码或其他模型信息的自动转化,提出基于代码模板和映射规则表的映射方法。该方法首先利用领域解析类库对模型进行解析,获取模型信息,然后查询映射规则表,调用相应的映射算法,结合可重用领域构件库,对代码模板进行粘合填充,最后产生完整的产品级源代码。利用以上模型解析和映射方法,针对一种基于DSP、FPGA以及WinCE的可重构硬件平台,设计了相关的代码模板、映射规则表以及映射算法,实现了从数控领域模型到功能代码、非功能代码、配置数据以及各种资源描述数据的自动映射。
最后,采用以上领域建模的数控系统软件自动生成技术,开发了二轴和三轴数控原型系统。首先根据不同的系统需求,建立了二轴和三轴数控系统应用模型,开发了面向DSP/BIOS平台和面向WinCE平台的代码生成工具,自动生成了相应的数控系统软件,验证了开放式数控系统的快速重配制性以及模块可替代性的特征。同时,通过对两个数控系统进行功能和性能测试,验证了该开发方法能够有效提升开发效率、保证系统性能。