多線程技術解決開放式數(shù)控系統(tǒng)實時性能的應用設計

　　1 引言

　　實時性是數(shù)控系統(tǒng)一項重要的性能指標[1]。

　　在IPC(Industrial Personal Computer )+運動控制器構成的開放式數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)平臺上，雖然這種主從式結構，確保了運動控制指令在運動控制器內(nèi)高速、實時的被執(zhí)行，但在PC機上，仍需要完成諸如實時顯示、預處理計算、系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控等許多任務。為了保證系統(tǒng)的實時性能，擬采用多線程技術，通過多任務并行處理的方式，提高系統(tǒng)實時性。

　　本開發(fā)平臺采用IPC+運動控制器模式的開放式數(shù)控系統(tǒng)，主要的運動控制由固高公司的GT400-SV通用運動控制器完成。它提供C語言函數(shù)庫GT400sv.lib和Windows動態(tài)連接庫GT400.dll，能夠?qū)崿F(xiàn)復雜的控制功能[2]。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)是將這些控制函數(shù)與自己控制系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)處理、界面顯示、用戶接口等應用程序模塊集成在一起，建造符合特定應用要求的控制系統(tǒng)。

　　2 進程與線程以及多線程技術

　　Windows操作系統(tǒng)既支持多進程，又支持多線程。一個進程就是應用程序的一個實例，一次執(zhí)行過程也就是調(diào)入內(nèi)存準備執(zhí)行的程序，包括當前執(zhí)行的應用程序的執(zhí)行代碼和程序執(zhí)行相關的一些環(huán)境信息。每個進程擁有整臺計算機的資源，無須知道其他進程在計算機中的信息。通常每個進程至少有一個線程在執(zhí)行所屬地址空間中的代碼，該線程稱為主線程。如果該主線程運行結束，系統(tǒng)將自動清除進程及其他地址空間。

　　線程是進程內(nèi)部執(zhí)行的路徑，是操作系統(tǒng)分配CPU時間的基本實體，是程序運行的最小單位。每個進程都由主線程開始進行應用程序的執(zhí)行。線程由一個堆棧、CPU寄存器的狀態(tài)和系統(tǒng)調(diào)用列表中的一個入口組成。每個進程可以包含一個以上的線程，這些線程可以同時獨立地執(zhí)行進程地址空間中的代碼，共享進程中的所有資源。

　　Windows系統(tǒng)分配處理器時間的最小單位是線程，系統(tǒng)不停地在各個線程之間切換。在PC機中，同一時間只有一個線程在運行。通常系統(tǒng)為每個線程劃分的時間片很小(ms級別)，這樣快速系統(tǒng)的實時性就有了保障[3]。

　　要實現(xiàn)多線程編程，可建立輔助線程(worker Thread)和用戶界面線程(User Interface Thread)。輔助線程主要用來執(zhí)行數(shù)控程序、坐標顯示、動態(tài)仿真和數(shù)據(jù)預處理;用戶界面線程用來處理用戶的輸入，響應用戶產(chǎn)生的事件和消息。

　　3 數(shù)控系統(tǒng)實時性分析

　　3.1 線程的實時性

　　數(shù)控系統(tǒng)需要完成的任務有很多，這些任務中，優(yōu)先級的要求級別不一樣。據(jù)此，可以利用Windows系統(tǒng)的多任務、搶占式的特點和多線程技術將各個任務分給不同的線程，并賦予各個線程不同的優(yōu)先級，當高優(yōu)先級的線程執(zhí)行時，即實時性要求高的任務需要執(zhí)行時，可以自動地終止其他線程的工作轉而執(zhí)行這一線程[4]。通過這一方法，可以實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)所要求的實時性。

　　3.2 輔助線程創(chuàng)建

　　本開發(fā)系統(tǒng)中所創(chuàng)建的輔助線程可大致劃分如下：

　　(1)坐標顯示線程

　　在手動脈沖面板、電動控制面板和增量控制面板中，可實時顯示X、Y、Z三個運動軸的坐標。這樣可使操作人員直觀看到三軸的實際坐標。實時性要求較低，所以使用最低優(yōu)先級：Lowest Normal。

　　(2)圖形顯示線程

　　圖像顯示線程用于在動態(tài)仿真面板中執(zhí)行圖形繪制的指令。通過圖形顯示，操作者可以在動態(tài)仿真的同時，對人機界面進行操作。這一線程實時性要求較低，等級為：Blow Normal。

　　(3)IO狀態(tài)控制線程

　　此線程用于檢測由系統(tǒng)輸入的各個離散量，以及從數(shù)控程序得到的指令來輸出機床各離散量的狀態(tài)。此線程優(yōu)先級比前兩線程高，等級為：Normal。

　　(4)數(shù)據(jù)預處理線程

　　數(shù)據(jù)預處理線程主要負責完成編碼形式轉換、刀具長度補償、刀具半徑補償和公英制轉換等運動控制數(shù)據(jù)預處理函數(shù)的執(zhí)行。等級為：Normal。

　　(5)運動控制線程

　　此線程主要用于運動控制器執(zhí)行數(shù)控代碼函數(shù)的運行。負責向緩沖器輸入運動控制命令，清空緩沖器和打開關閉緩沖器等操作。等級稍高：Above Normal。

　　(6)緊急控制線程

　　此線程處理一些需要機床立即做出反應的時間，如機床的急停等。優(yōu)先級最高，等級為：Highest。

　　本系統(tǒng)中所創(chuàng)建的輔助線程可大致劃分如下表1所示。

　　表1 線程的創(chuàng)建及優(yōu)先級設置

　　4 多線程的實現(xiàn)

　　在Windows操作系統(tǒng)中，多線程的實現(xiàn)需要調(diào)用一系列的API函數(shù)，如CreateThread、ResumeThread等，比較麻煩且容易出錯。使用新一代RAD開發(fā)工具C++ Builder中的TThread類，可以方便地實現(xiàn)多線程的編程，特別是對于系統(tǒng)開發(fā)語言是C的Windows系列操作系統(tǒng)，它具有其它編程語言無可比擬的優(yōu)勢。

　　4.1 線程的創(chuàng)建

　　在C++ Builder中雖然用TThread對象說明了線程的概念，但是TThread對象本身并不完整，需要在TThread下新建其子類，并重載Execute來使用線程對象。

　　在C++ Builder IDE環(huán)境下選擇菜單File|New，在New欄中選中Thread Object，按OK，在彈出的對話框中輸入TThread對象子類的名字CoordinateDisplyThread，自動創(chuàng)建了一個CoordinateDisply的TThread子類。同時在編輯器中創(chuàng)建了一個名為CoordinateDisplyThread單元。

　　4.2 線程的實現(xiàn)

　　在創(chuàng)建的代碼中Execute()函數(shù)就是要在線程中實現(xiàn)的任務的代碼所在處。在原Unit1.cpp代碼中包含了CoordinateDisplayThread.h文件。使用時，動態(tài)創(chuàng)建一個TCoordinateDisplay對象，具體執(zhí)行的代碼就是Execute()方法重載的代碼。

　　由于Execute()中添加的線程運行時所需要執(zhí)行的函數(shù)調(diào)用了VCL組件，而VCL對象不具有線程安全性，它們的特性和方法只能在主線程中訪問，所以用Synchronize()函數(shù)將坐標顯示函數(shù)進行包裝。而坐標顯示函數(shù)需如下聲明：

　　void_fastcall Function().

　　下面以坐標顯示線程即CoordinateDisplayThread的實現(xiàn)步驟為例，說明線程實現(xiàn)的具體方法。其他線程的實現(xiàn)需根據(jù)具體情況，進行修正。

　　在CoordinateDisplayThread.cpp文件中的CoordinateDisplayThread::Execute()函數(shù)里添加如下語句，實現(xiàn)X、Y、Z坐標顯示函數(shù)調(diào)用的一致性。

　　首先用switch語句判斷單軸運動中的哪一軸的坐標位置發(fā)生改變：

　　做好上述準備工作之后，需要在主單元中的適當?shù)奈恢锰砑娱_始線程和掛起線程的命令。代碼如下所示：

　　4.3 關于線程同步

　　線程同步在編程技術中非常重要，當一個線程在訪問一個進程對象時，如果另一個線程要改變該對象，可能產(chǎn)生錯誤的結果。在本例開發(fā)應用中，利用API函數(shù)，可以直接使用臨界或互斥來達到同步的目的。為了提高同步的可靠性和靈活性，同時用到了標志變量和臨界機制。只需在程序中聲明一個TRTLCriticalSection類型的變量Sect1，并在主線程的構造函數(shù)中進行初始化。之后在某個線程中，可以把相應的代碼標記為臨界部分，當在一個線程中調(diào)用EnterCriticalSection()并傳遞Sect1時，就設置多個數(shù)據(jù)成員，以表明臨界部分進入活動狀態(tài)。如果另一個線程要調(diào)用它自己的臨界部分時，函數(shù)EnterCriticalSection()將發(fā)現(xiàn)有一個臨界部分正在使用，就讓第二個線程處于休眠狀態(tài)，直到第一個線程退出臨界部分為止。

　　5 結束語

　　本文將C++ builder多線程技術應用于開放式數(shù)控系統(tǒng)的軟件設計中，有效的解決了線程同步問題，保證了數(shù)控軟件系統(tǒng)的實時性要求，取得了較好的運用效果。