基于Flash设备数控系统平台开发

摘要

　　随着计算机软硬件技术、网络通讯技术和现代制造技术的飞速发展，数控系统正在朝着开放式、网络化和智能化方向发展，这对开放式控制器系统提出了越来越高的要求。与此同时，嵌入式领域，特别是嵌入式 Linux 领域飞速发展，也为控制器系统软件平台的选择开辟了更为广阔的空间。

　　本文基于蓝天数控系统的开发需求，在参考借鉴国内外数控系统及嵌入式系统设计、实现等工作的基础上，开展了面向 Flash 设备的文件系统及相关问题的研究与实现工作，并对相关的嵌入式工具进行了研究。重点开展了以下两个方面的工作：

　　一是以基于Flash设备的文件系统为核心，设计并实现了数控系统的运行平台，包括文件系统、引导程序及各种系统支撑工具等。蓝天数控系统的硬件系统采用单片 Flash 设备作为存储设备，确保其稳定性、高效性是建立运行平台的基础。本文针对Flash设备及其文件系统进行研究，根据蓝天数控系统的软硬件系统的需求，设计并实现了蓝天数控系统基于 Flash 设备的运行平台。

　　二是基于生成式方法的数控系统嵌入式工具的研究。在对现有的两种典型的嵌入式工具——TimeStorm 和 Windows XPE 进行深入研究的基础上，结合数控领域的特殊性，提出了利用嵌入式工具，基于生成式方法构造数控系统的思想，并开展了该工具的原型系统设计和部分实现工作。

　　【关键词】 开放式控制器 FLASH 设备 JFFS2 嵌入式 Linux 嵌入式工具

ABSTRACT

　　With the rapid development of computer technology, network technology and modern manufacturing technology, NC system has been evolving into an open, networked and intelligent system. And the booming of embedded field, especially in embedded Linux world, provides more choice while choosing system software for open controller. The work sets out under the above background.

　　Based on the requirement of the LT CNC system, and on the basis of using the design and implement of the CNC system and embedded system inland and overseas, this dissertation develops the research and implement of the filesystem of Flash equipment, and researches the embedded tools. This dissertation solves the following two problems:

　　1. Design and realize the CNC running platform, including the filesystem, loading program and system supporting tools with the filesystem of Flash equipment. The LT CNC hardware system uses the Flash equipment as the storage device. The basis of building the plat is the stabilization and high efficiency of Flash equipment. On the basis of systemic research of Flash device and flash filesystem, this dissertation presents design and realizes the plat of LT CNC system on the demand of the hardware and software of the LT CNC system.

　　2. Research of the CNC embedded tools that based on building method. On the basis of research of the typical embedded tools--TimeStorm and Windows XPE, this dissertation presents a design methodology of building the CNC plat with embedded tools and designs and realizes the original system.

　　【Keywords】opencontroller FLASHEquipment JFFS2 EmbeddedLinux Embeddedtools

　　数控系统是集机械、计算机、自控、微电子、加工工艺及检测技术为一身的高技术产品。近年来，利用 PC 机丰富的软硬件资源开发新一代开放式数控系统已经成为主要趋势。在这方面，欧洲、美国、日本已走在前列，纷纷推出各自的开放式数控系统体系结构规范及示范性产品。我国在开放式数控系统研究方面起步较晚，目前只制定了系统的设计总则，缺少实质性设计规范及代表性产品。因此，如何在遵守总则基础上，借鉴国外先进技术，开发出满足国内实际需求的开放式数控系统具有重要的现实意义。

　　论文选题于中国科学院知识创新工程重大项目“开放式和智能化的数控系统平台及产业化”的子课题——开放式控制器的运行平台。本人的主要工作是根据数控系统的需求，为其定制基于 Flash 设备的嵌入式运行平台，同时对嵌入式工具进行研究，探索利用生成式方法构建嵌入式数控系统的方法。

　　运行平台是开放式控制器的基础，随着数字信息技术和网络技术的高速发展，以及计算机硬件的更新，对运行平台的要求越来越高。系统平台是整个系统的底层系统，所有的应用软件都是在此基础上建立的。因此构建良好稳定的系统平台是保证应用系统良好运行的基础。数控系统运行平台是嵌入式系统的子部分，具有嵌入式系统的通常特点：体积小、集成度高和资源有限。数控系统运行平台的设计与定制直接影响了数控系统的工作效率和效果。

　　本人设计和实现的蓝天数控运行平台充分考虑了蓝天系统的硬件特点，其结构合理，体积小，系统稳定，速度快，充分满足了系统的要求。基于嵌入式 Linux 系统的 RTLinux 系统，是一个开源项目，具有低成本等优点。其良好的实时性能完全能够满足数控系统的需求。图形系统采用运行于 Linux 系统的 Xwindow 实现——Tiny-X，具备桌面 Xwindow 系统所有的基本功能，但它只占用不到 1M 的存储空间，且效率极高。

　　在嵌入式领域，由于使用的存储设备空间有限，在构建嵌入式系统的根文件系统时，应使得其占用的空间尽可能的小。传统的方法都是针对不同系统定制内核并根据系统要求对应用软件进行源码级别的裁剪，同时在编译应用软件的时候使用精简的系统库，通过上述方法来确保根文件系统的大小。但由于上述方法的复杂性，以及其原始的手工方式，带来了嵌入式系统的开发、监控及调试的复杂性。在定制蓝天数控系统运行平台的过程中，本人深刻体会到了这些问题。因此提出了一种基于生成式方法构建嵌入式 Linux 系统的方法，并在深入研究现有嵌入式工具的基础上，设计了数控系统嵌入式工具，并进行了部分实现。所谓生成式方法就是将 Linux 系统可能使用到的所有软件进行模块化处理，使得每个功能都是一个独立模块，这样当用户在定制系统的过程中，只需要选择需要的功能模块来构成系统即可。Linux 系统的可模块化处理，以及该工具只是针对数控领域，需要处理的模块数量很少都为这种工具的实现提供了可能。该工具的出现将彻底改变现有数控领域嵌入式系统的定制模式，避免了用户在进行手动裁减和编译时可能遇到的问题，减小了系统定制过程的复杂性，同时由于采用编译好的模块，减少了系统定制的时间，为数控领域的快速发展起到促进作用。

　　高速、高效、复合、精密、智能、环保等是世界机床以及数字化装备的发展趋势，而网络化、智能化、开放式数控是实现高水平装备的保证。蓝天数控系统的运行平台的设计思想就是模块化和可扩展性。模块化可以根据厂商的不同要求，提供不同的功能。可扩展性，为用户提供了二次开发的机会。

基于Flash设备数控系统平台开发：

DOC2000

DOC2000 结构图

TimeStorm 界面图

数控系统嵌入式工具界面

目 录

　　摘 要
　　ABSTRACT
　　引 言
　　第一章 综 述
　　　　1.1 项目及课题背景
　　　　1.2 论文背景
　　　　1.3 本文的意义
　　　　1.4 本文组织结构
　　第二章 面向 FLASH 设备的文件系统
　　　　2.1 嵌入式 LINUX 系统
　　　　2.2 FLASH 设备
　　　　2.3 面向 FLASH 设备的文件系统
　　第三章 蓝天数控系统运行平台的构建
　　　　3.1 蓝天数控硬件系统
　　　　3.2 开发系统及软件包的选择
　　　　3.3 RTLINUX
　　　　3.4 图形用户界面（GUI）
　　　　3.5 根文件系统
　　　　3.6 系统脚本的编写工作
　　第四章 DOC2000 上 JFFS2 文件系统的实现
　　　　4.1 DOC2000 简介
　　　　4.2 MTD、JFFS2 及 DOCBOOT
　　　　4.3 DOC 启动过程分析
　　　　4.4 在 DOC2000 上实现 JFFS2 文件系统
　　　　4.5 JFFS2 文件系统性能测试
　　第五章 数控系统嵌入式工具的研究与实现
　　　　5.1 背景介绍
　　　　5.2 嵌入式工具的研究
　　　　5.3 嵌入式工具的设计与实现
　　　　5.4 改进设想
　　结 论
　　参考文献
　　发表文章
　　致 谢

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