嵌入式数控系统G代码解释器的设计与实现

ＩＴ技术
嵌入式数控系统Ｇ代码解释器的设计与实现
吴运金
（中国船舶重工集团公司第七一。

所湖北宜昌４４３００３）
摘要：本文在基于ＡＲⅥ＋ＤｓＰ的一络化嵌入式数控系统的基础上，设计出一种流水线处理方式的Ｇ代码解释方法，以流水线的方式对加工代码进行稿译一解释，减少指令执行的时同，增强了嵌入式处理器的Ｇ代码处理能力。

霞Ｇ代码解释器在ＡＤｓｌ．２墙译环境下调试通过．移植在ｓ３ｃ４４Ｂｏ芯片中，运行效秉良好。

关键词：数控秉统代码解释器漉水线
中图分类号：ＴＰ２７３．５文献标识码：Ａ文章编号：１６７４一０９８ｘ（２００８）Ｉｌ（ｂ）一００３７一０２
１引言
嵌入式系统是未来数控及运动控制产品发展的方向，它采用“量体裁衣”方式把所需功能嵌入到应用系统中，可克服基于通用ＰＣ机数控系统结构在体积功耗方面的缺陷，它具有强大的外围资源和通信功能．可运行实时多任务Ｌｍｕｘ或者Ｗｍｄｏｗｓ操作系统，软件开发和移植容易，是当前数控系统精密化，网络化、智能化和集成化的发展方向…。

本文提出的嵌入式数控系统的中央数控单元不是工业计算机或者ＰＣ机系统，而是采用ＡＲＭ＋ＤＳＰ的结构，具有运算能力强、成本低的特点。

嵌入式数控系统的其他单元，如伺服控制单元、ＰＬｃ单元、通信单元．显示单元、数据键入单元，也在嵌入式系统的基础上搭建。

完整的嵌入式数控系统包括以下模块：人机接口模块、网络接口模块，系统管理模块、仿真显示模块、Ｇ代码编译模块、插补模块、刀具补偿模块．伺服控制模块、信号检测和故障诊断
图１编译扫描流程模块等。

在嵌入式数控系统中，Ｇ代码解释模
块是核心模块。

用户输入Ｇ代码后，由代
码解释器将代码翻译成数控系统能控制各
个电机的指令，包括Ｇ指令、Ｍ指令、Ｓ指
令和Ｔ指令等。

当执行Ｇ指令时，系统调
用插补算法模块、补偿模块和位置控制模
块，直接控制进给电机的运动。

Ｇ代码程
序中的Ｍ指令、ｓ指令和Ｔ指令等属于附
加指令，是数控系统实施外部操作的重要
功能，如控制主轴电机的起停、冷却液的
开关、夹具的松夹、润滑的工作、防护门
的开关等。

当Ｇ代码解释器执行到附加指
令时．它把控制代码送到ＰＬｃ，由ＰＬＣ译
码辨别数控程序的操作要求，通过ＰＬＣ程
序控制外部电路执行１２Ｊ。

Ｇ代码解释器是
在ＡＲＭ芯片中用软件实现的。

２嵌入式系统Ｇ代码解释器的实现方法
Ｇ代码解释器的实现一般有３种方法，
即解释法、编译法和编译解释法。

解释法
对零件加工程序逐条进行预解释、插补，
控制，即在插补模块定时中断进行插补的
同时解释程序预解释下一条程序，当本条
程序语句插补完成后，再将下条程序语句
预解释的结果传递给插补模块。

这种方法
类似ＢＡＳＩＣ程序的执行，各模块间的控制
是顺序的，加工效率低，易形成停顿与过
切。

编译法预先对需要加工的零件程序全
部编译后，将结果放入缓冲区中，当开始加
工时，直接启动插补中断程序，从缓冲区中
取出编译好的零件程序进行计算并控制程
序加工。

这种方法加工速度快，但需要较
大的内存，类似Ｃ语言程序的执行。

编译
解释法在文献１３１中提出，它并不像一般的
编译系统那样直接生成可执行的二进制目
标代码，而是产生了一种中间代码之后再
由解释程序解释执行。

编译程序第一次扫
描加工代码时，主要进行格式、词法和语
法分析，不处理相关的数据结构。

如果加
工程序没有词法和语法上的错误，则进行
第二次扫描，即进行译码和数据处理。

编
译解释法充分考虑了系统资源的配置，适
合大量程序加工和复杂的数据处理，但需
要占用系统较多资源。

在分析３种Ｇ代码解释嚣的基础上，本
文提出的一种流水线处理方式的Ｇ代码解
释方法，是以流水线的方式对加工代码进
行编译一解释，减少指令执行的时间，从而
增强了嵌入式处理器的处理能力…。

这样，
代码程序一段段读入，在“前置处理一数
据转换一后置处理”过程中，数据缓冲区
内不断得到处理，最后形成插补程序可以
识别的数据结构，象一条流水线一样进行
工作。

在加工零件时，程序输入、译码、插
补和位置控制４个过程在处理时间上是重
叠的，同时在译码过程中，各个子过程在处
理时间上也是重叠的。

Ｇ代码解释器的工
作过程分为４个子过程：程序读入、语法检
查，解释和刀具补偿。

图ｌ给出了编译扫
一描过程的流程。

在考虑Ｇ代码程序的大小时，Ｇ代码程
序是动态分配空间的，达是因为各个Ｇ代
码程序的代码量差异很大，大程序可能达
到几兆甚至是几十兆字节的空间，而有些
小程序则只有几十个字节而已。

如果按固
定大小分配内存，为了满足大程序的需要，
会浪费大量的空间，并且不能容纳大于所
定空间的程序。

对于控制信息，则分配固
定的宅间．其原因在于，控制结构一般不会
出现在机器生成的程序中，而手工写的程
序一般不会很大，其中的控制语句就不会
太多；为它分配固定大小的空间，可以方便
程序处理，减少内存中的碎片，加快程序执
行速度。

为了克服传统数控系统程序组织
方式的缺陷，采用了以下结构：每个文件可
以包含多个程序，每个程序由多个程序块
组成，程序在缓冲区中随机存放。

程序被
执行前．只需要将部分需要解释的代码下
载到内存缓冲区中，因为对嵌入式数控系
统而言，其存储空间有限，不允许全文下
载，所以这里采用的策略是边传送边加工。

在嵌入式数控系统中，ＡＲＭ中移植了
Ｕ—ｃｏｓｌｌ实时多任务操作系统，在设计Ｇ代
码结实程序时，将上面４个过程定义成４个
任务，各任务之间通过邮箱进行消息传递，科技创新导报ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＨｅｒａＩｄ３７
万方数据
一旦ＣＰＵ有空隙时间，译码任务即被激活，依据不同的状态向各个任务发送消息，执行对缓冲区的处理。

当Ｇ代码解释器工作时，解释任务运行，根据实际情况分配数据缓冲区存放编译的中间结果。

在译码任务启动的日’ｆ候开辟译码缓冲区，在任务结束时释放，在整个泽码缓冲区生命期间，数据不断的写入、修改、读出和清除。

缓冲区是预先分配的，无须动态分配。

在本系统中，设置了６个缓冲区形成链表结构，如图２所示。

在每个缓冲区设置一个标志位ＢｕｆＦｌａｇ，当ＢｕｆＦＩａｇ为０时表示缓冲区为空Ｉ当ＢｕｆＦｌａｇ为１时表示缓冲区Ｉ｛ｌ的数据需要进行一些数据处理，如刀具补偿、速度计算等ｌ当ＢｕｆＦｌａｇ为２时，表示缓冲区中的内容已完成数据处理，可以传递给插补程序ｊ空制电机的运动。

ＩＮＴ８Ｕｃｈ—ｎｏ＃／／通道号
ｓｔｒｕｃｔｔａｓｋ－ｃｔｒｌ—ｄａｔａｌ／／解释任务控制缓冲区
ｓｔｒｕｃｔｎｏｎ—ｍｏｄ‘／／非模态指令状态及控制缓冲区
ｓｔｒｕｃｔｐｐｉ—ｍｏｄｆ／／模态指令状态及控制缓冲区
ＩＮＴ３２Ｕｗｏｒｋ—ｏｒ谵ｍａＬｂｕ‘【ｌＯ】Ｉ／／工作台零点备份
ｃｈａｒｐｒｏｇｒｎｍ＿ｂ凹ＭＡＸ—ＬＩＮＥＢＵＦｌＩ／／零件程序读人缓冲区
｝ＢｕｆＤａｔａ，・ＰｂｕｆＤａｔａｌ
ｕ１１ｉｏｎ｛
ｓｔｒｕｃｔｍｏｄ—ｓｔａｃｋｌ／／模态指令堆栈
ｓｔｒｕｃｔｐｐｉ＿ｂｐｌ／／插补数据断点保存缓冲区｝ＵｎｉｏｎＶ，・ＰｕｎｉｏｎＶ；
在设计Ｇ代码解释器时，用子程序实
图２缓冲区链表结构
３关键数据结构
嵌入式数控系统的微处理器采用三星公司的具有ＡＲＭ７ＴＤＭＩ内核的Ｓ３Ｃ４４８０芯片，同时移植了Ｕ—ｃｏｓｌｌ操作系统进行实时多任务管理，因此首先需要定义和处理器无关的数据类型：
ｔｙｐｅｄｅｆｕ工１ｓ咖ｅｄｃｈａｒＢＯＯＬＥＡＮ｝／・逻辑型＋／
ｔｙｐｅｄｅｆｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＩＮＴ８Ｕ，
／・无符号８位整型・／
ｔｙｐｅｄｅｆｓ蟾ｎｅｄｃｈａｒＩＮＴ８Ｓｌ／‘有符号８位整型＋／
ｔｙｐｅＩ耐ｕｎｓｉｇｎ酣ｉｎｔＩＮＴｌ６ＵＩ／・无符号１６位整型・／
ｔｙｐｅ（１ｅｆｓ咖ｅｄｍｔＩＮＴｌ６ｓｌ／・有符号１６位整型￥／
ｔｙｐｅｄｅｆｕｎｓｉｇｎｅｄｌｏｎｇＩＮＴ３２Ｕ；／・无符号３２位整型・／
ｔｙｐｅｄｅｆｓ姆１ｅｄｌｏｎｇＩＮＴ３２Ｓ；／・有符号３２位整型・／
ｔｙｐｅｄｅｆｎｏａｔＦＰ３２ｌ
／・单精度浮点型号・／
ｔｙｐｅｄｅｆｄｏｕｂｌｅＦＰ６４ｌ
／・双精度浮点型号・／
由于Ｇ代码解释器的实现采用了数据流水线技术，当解释任务被激活后，根据实际情况为每一个通道分配一个一定数据格式的解释中间缓冲区，用于存放中间结果。

中间缓冲区的结构定义如下：
ｓｔｍｃｔＢｕｆ—ｄａｔａ｛现重复加工的代码。

在调用子程序时，使用了ＦＩＦＯ形式的堆栈，其数据结构如下：ｔｙｐｅｄｅｆｓｔｒｕｃｔ｛ｃｈａｒＳｕｂＦｕｎｃＮａＩｎｅ【】ｌ／／子程序名
ＩＮＴ８ＵＳｕｂＦｕｎｃＡｄｄｒｅＳｓｌ／／予程序起始位置
ＩＮＴ８ＵＳｕｂＦｕｎｃＲｅＡｄｄｒｅＳＳｌ／／予程序返回位置
ＩＮＴ８ＵＬｏｏｐＮｕｍｌ／／子程序循环次数
｝ＳｕｂＦｕｎｃ，＋ＳｕｂＦｕｎｃ；
４系统原型
在国家自然科学基金支持下，成功开发了嵌入式数控系统原型，原型系统采用三星公司的Ｓ３Ｃ４４ＢＯ微控制器和ＴＩ公司的ＴＭｓ３２０Ｆ２８１２ＤＳＰ数字信号处理器，其中Ｇ代码解释器在ＡＤＳｌ．２编译环境下调试通过，移植在Ｓ３Ｃ４４ＢＯ芯片中，系统原型如图３所示。

图３Ｇ代码解释器系统原型
３８科技创新导报ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙＩｎｎｏＶａｔｉｏｎＨｅｒａＩｄ
ｌＴ技术５结语
本文在基于ＡＲＭ＋ＤＳＰ的网络化嵌入式数控系统的基础上．设计出一种流水线处理方式的Ｇ代码解释方法。

该设计方法能减少指令执行的时间，增强了嵌入式处理器的Ｇ代码处理能力，并且开发的软件易于移植，在当前数控系统精密化，网络化、智能化和集成化中具有广阔的应用前景。

参考文献
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【３】刘磊，吴明华，周济．通用数控加工过程仿真中数控代码解释器的一种实现．组合机床与自动化加工技术．１９９５年第
１２期：１２一１６．
【４】高殿明，范海龙．数控Ｇ代码编译器的设计与研究．机电新产品导报，２００６年第７
期：１０６一１１０．万方数据。