基于模型驱动开发方法的开放式结构计算机数控系统的研究

论文题目: 基于模型驱动开发方法的开放式结构计算机数控系统的研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 机械制造及其自动化

作者: 高军礼

导师: 郑时雄,李迪

关键词: 实时嵌入式系统,开放式结构计算机数控系统,统一建模语言,模型驱动开发方法,实时可调度性分析

文献来源: 华南理工大学

发表年度: 2005

论文摘要: 二十一世纪的制造业所面对的快速多变的市场环境,产品上市周期的大为缩短,用户需求的个性化、多样化等等,这无疑给制造业带来前所未有的压力和竞争。作为制造业的基础关键设备——数控机床在一定程度上决定着我国制造业的水平,而数控机床的中枢控制系统——计算机数控系统(CNC)的性能又直接影响甚至决定着数控机床的综合性能。在制造业面临激烈的竞争和压力的同时,科学技术的快速发展、经济发展的日益全球化也给制造业带来了新的机遇和挑战。为此,本文确立了利用最新的计算机软硬件技术开发新一代的开放式结构CNC 的研究目标,以改变现有封闭式体系结构CNC 难以适应快速多变的市场需求。本文在对统一建模语言(UML)的体系结构、建模理论的研究基础之上,结合传统的软件迭代开发生命周期模型,构建了面向对象的CNC模型驱动快速开发过程。全文以此过程为主线,将CNC的软件开发分为分析、设计、实现和测试四个阶段,并以CNC的手动操作为例,采用实时嵌入式系统建模工具Rhapsody?,详细介绍了模型驱动开发方法在CNC软件开发中的具体应用。该过程同样可应用于采用主从式结构的其它类型控制器的开发。模型驱动开发方法的率先应用将CNC软件开发的抽象层次由传统的代码层提升到了模型层,以使开发者可以更加专注于所要解决的领域问题,而不是繁锁的程序代码,实现了在模型层就可以对系统功能进行测试和验证;由UML模型所自动生成的代码是基于实时框架技术的可以高效地运行于目标平台的代码,并且模型与代码之间可以保持自动关联,因而不但解决了传统系统模型与系统实现之间往往存在脱节的问题,每次迭代开发的生命周期也大为降低,对所开发出的软件的质量有着必要的保障。采用模型驱动开发方法,本文通过多次迭代开发出经过单元测试的运动控制器、辅助设备控制器、数控代码检查器、数控代码解释器等单元UML 模型。然后通过系统集成测试将这些单元集成起来,完成了一个具有软件模块化、可裁剪、可重用、跨平台、易维护、可根据用户需求进行动态重配置的开放式结构CNC UML 模型。通过运用UML2.0 中新增的组合类、状态图继承、端口和语义更加精确化的接口(细分为供给型和需求型)等建模元素,使得该模型在跨平台应用时可以实现高度重用,例如在Win98/2k、Windows CE.NET 两种平台下应用时,只有两个和硬件相关的类不能直接重用,其它的模型元素经过平台相关的编译之后都可以直接重用,同时对系统的扩展或维护也可以很方便地直接在模型设计层进行。在对UML实时建模和实时调度相关理论研究的基础之上,本文首次基于CNC UML模型对CNC的相关实时任务进行了可调度性分析。其方法为,首先使用UML

论文目录:

摘要

ABSTRACT

目录

CONTENTS

第一章 绪论

1.1 开放式结构CNC

1.1.1 控制器相关标准

1.1.2 可重配置的CNC

1.1.3 CNC硬件平台构建

1.2 实时系统

1.2.1 实时系统的特点

1.2.2 实时系统软件开发现状及分析

1.3 模型驱动开发方法

1.3.1 程序设计语言

1.3.2 软件建模方法

1.3.3 统一建模语言

1.3.4 模型驱动架构

1.3.5 软件生命周期模型

1.3.6 软件开发过程

1.4 本文主要研究内容

第二章 模型驱动开发方法相关理论研究与应用

2.1 统一建模语言UML2.0

2.1.1 基础构造

2.1.2 上层构造

2.1.3 UML模型图

2.1.4 四层元模型体系结构

2.2 实时UML特征文件

2.2.1 通用资源建模框架

2.2.2 模型分析

2.3 实时嵌入式系统模型驱动开发平台

2.3.1 开发平台体系结构

2.3.2 框架技术

2.4 本章小结

第三章 计算机数控系统设计

3.1 开放式结构控制器

3.2 系统分析

3.2.1 需求分析

3.2.2 对象结构分析

3.2.3 对象行为分析

3.3 系统设计

3.3.1 逻辑体系结构设计

3.3.2 物理体系结构设计

3.3.3 人机界面设计

3.3.4 端口设计

3.3.5 详细结构设计

3.3.6 详细行为设计

3.4 本章小结

第四章 计算机数控系统模型测试

4.1 系统实现

4.1.1 编码

4.1.2 可执行组件

4.2 单元测试

4.2.1 运动控制器测试模型

4.2.2 运动控制器重配置

4.2.3 运动控制器手动操作

4.3 集成测试

4.3.1 CNC测试模型

4.3.2 辅助设备控制器

4.3.3 CNC模型集成测试计划

4.3.4 CNC可裁剪性

4.4 本章小结

第五章 计算机数控系统实时可调度性分析

5.1 实时调度相关理论

5.1.1 单调速率调度

5.1.2 期限最近者优先调度

5.1.3 RMS和EDF比较

5.1.4 优先级反转

5.2 CNC可调度性分析

5.2.1 CNC实时任务划分

5.2.2 CNC自动操作模型测试

5.2.3 基于RMA+PCP的可调度性分析

5.2.4 实时系统可调度性分析过程

5.3 本章小结

第六章 计算机数控系统集成实例

6.1 数控代码检查器设计

6.1.1 词法分析

6.1.2 语法分析

6.1.3 数控代码检查器应用

6.2 试验平台搭建

6.3 平台相关库文件配置

6.4 CNC应用程序设计

6.4.1 Wi1198/2K平台

6.4.2 Windows CE.NET平台

6.4.3 模拟加工测试

6.5 CNC系统特点

6.6 本章小结

论文总结与展望

参考文献

攻读学位期间发表论文

致谢

附录 1 CNC可调度性分析特征文件

附录 2 CNC控制面板源程序

发布时间: 2005-09-15

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