基于Windows的实时扩展 RTX 应用于CNC的数控系统

1.1 开放式数控系统

基于PC机的数控系统(CNC)分为以下几种类型:
. PC机嵌入NC型, 属于初步开放的数控系统
. NC嵌入PC型, 在上位机层面上实现了开放性
. 全软件型, 这是一种完全采用工控机而不需要定制运动控制板卡的数控系统，它把运动控制器以应用软件的形式实现，这是一种最新开放体系结构的数控系统，能够提供给用户很高的灵活性，已经成为新一代CNC的主流。

1.2 Windows 与实时控制

Windows 操作系统应用广泛, 使用 Windows 进行实时控制时有以下几点不足, 如线程优先级太少, 不透明、不确定的线程调度机制, 定时器分辨率比较低以及中断延迟比较大等。

1.3 RTX 特点

RTX是基于Windows操作系统而专门设计的实时性扩展系统，在广泛的应用中证明其具有高可靠性，可控性和可预测性特点。

图1 RTX 系统架构

1.3.1 高可靠性:

RTX构架是一个真正的扩展，因为其不是对Windows的封装，也不影响和修改Windows底层构架。由于这种分离性，RTX实时系统确保了基于RTX的应用不会因为Windows的死机或者蓝屏而受到影响

1.3.2 实时性能

. RTX 提供了三个时钟, 可以精确到 1 微秒
. RTX定时器间隔支持100, 200, 500和1000 微秒
. 30KHz 持续中断触发频率, 第一个中断响应的延迟平均小于1微秒
. RTX 确保线程切换的时间在 500 纳秒至 2 微秒之间
. RTX 提供高性能的 TCP/UDP/IP 网络协议栈

1.3.3 开发环境
RTX SDK 是世界上唯一 一款与 MicroSoft Visual Studio 无缝集成的开发环境。

1.4 RTX SMP 优点

基于 x86 架构的多核处理器的 RTX SMP 有以下优点:

. 提升性能 – 使用多核处理

. 良好的扩展性 – 基于 RTX SMP 的应用程序与处理器数目无关。增减 RTX 处理器数目不需要重写代码
. 高可靠性 - 关键任务运行在多个处理器上
. 线程/进程与处理器绑定
. IRQ/ISR/IST与处理器绑定
. 提供精确的线程时序 API

1.5 RTX 实时以太网

RTX2009结合普通网卡即可实现实时以太网。 RTX 实时以太网可以代替如 Profinet, SERCOSIII, EtherCAT, Powerlink, Ethernet/IP 等工业实时以太网。

1.6 传统的CNC 控制系统

传统的 CNC 控制系统一般是基于上下位机的架构。上位机运行人机界面,下位机进行实时控制, 运动控制则通过基于 FPGA/DSP的运动控制板卡实现。

图 2 传统的CNC 控制系统

1.7 基于SMP & RTE的CNC控制系统

基于SMP & RTE的CNC控制系统可以全软件型控制。基于 x86 架构的多核处理器, 人机界面运行在其中一个处理器核上, RTX 应用比如 PLC,运动控制和实时以太网运行在其它处理器核上, 对外的控制接口则通过普通的以太网卡实现。

图3 基于SMP & RTE的CNC控制系统

1.8 RTX 在数控机床的成功应用

意大利 ISAC 公司主要业务: 数控机床, PAC, PLC, 众多的软硬件维护和升级耗时、成本昂贵, 同时也无法为工业自动化提供标准、灵活的解决方案

解决方案: Windows PC + RTX。

该解决方案的优点:

. 标准 PC 降低了硬件成本和维护、升级成本
. 原来的 C 代码可以移植到 Windows 平台
. RTX 提高了系统确定性和实时性
. 使用 MS Visual Studio 开发降低 30% 的开发成本

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