本文探討了開放式控制系統(tǒng)平臺(tái)中的Java平臺(tái)應(yīng)用相關(guān)內(nèi)容。

　　1　引言

　　開放式控制系統(tǒng)的研究始于80年代。在美國NGC(Next Generation Controller)計(jì)劃之后，歐洲推出了OSACA，日本進(jìn)行了名為OSEC計(jì)劃的研究，加拿大也擁有NRC計(jì)劃。開放式控制系統(tǒng)不僅收益于機(jī)床制造商和數(shù)控供應(yīng)商，也給最終用戶帶來了很大的靈活性。但是，各個(gè)計(jì)劃所采用的技術(shù)還不能真正實(shí)現(xiàn)“開放”。同時(shí)，以上各個(gè)計(jì)劃都相互獨(dú)立，他們之間無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，因此，對用戶而言還不能算得上真正的開放。Java是針對網(wǎng)絡(luò)環(huán)境開發(fā)的平臺(tái)和一種語言，自1995年由Sun公司推出以來，以其跨平臺(tái)、安全性等諸多優(yōu)點(diǎn)在計(jì)算機(jī)界得到廣泛應(yīng)用。本文討論如何把Java平臺(tái)應(yīng)用于開放式控制系統(tǒng)中，達(dá)到統(tǒng)一平臺(tái)的目的。

　　2　開放式控制系統(tǒng)的要求

　　開放式控制系統(tǒng)包括一組邏輯上分離的組件，組件之間和組件與應(yīng)用平臺(tái)之間的界面有良好的定義，使來自不同供應(yīng)商的組件協(xié)同工作，運(yùn)行于多個(gè)平臺(tái)之上完成控制工作，并對用戶和其它控制系統(tǒng)提供良好的界面。

　　開放式控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

　　(1)互操作性 提供一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的通訊系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。

　　(2)可移植性 使用平臺(tái)提供的標(biāo)準(zhǔn)API，應(yīng)用程序可在不同的平臺(tái)上運(yùn)行。

　　(3)伸縮性 可任意增刪各功能模塊。

　　(4)可互換性 可任意互換功能模塊。

　　3　Java平臺(tái)的特點(diǎn)

　　Java的許多特征符合開放式控制系統(tǒng)的要求。Java平臺(tái)如圖1所示。

圖1　Java平臺(tái)結(jié)構(gòu)

　　Java平臺(tái)由兩層結(jié)構(gòu)組成：

　　(1)Java類和Java應(yīng)用程序接口：為應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)的訪問接口和一些基本類庫供應(yīng)用程序訪問和擴(kuò)展。

　　(2)Java虛擬機(jī)(JVM Java Virtual Machine)：是Java平臺(tái)的核心，是實(shí)現(xiàn)Java跨平臺(tái)的關(guān)鍵。涵蓋了與平臺(tái)相關(guān)的所有服務(wù)功能，包括用戶界面、文件系統(tǒng)操作和網(wǎng)絡(luò)支持等。

　　Java作為一種全新的開放平臺(tái)，其變成語言和結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)語言嚴(yán)格 所有程序嚴(yán)格按面向?qū)ο蟮姆椒ㄔO(shè)計(jì)，否則會(huì)出錯(cuò)。

　　(2)語言簡單 繼承了C++，但去掉了頭文件、指針句法和運(yùn)算、結(jié)構(gòu)聯(lián)合、操作符重載和虛基類。

　　(3)分布式的語言 支持多種傳輸協(xié)議，如TCP/IP、HTTP和FTP，另外，還支持分布式計(jì)算。

　　(4)動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存，保證應(yīng)用程序在各方面都安全可靠

　　通過兩種方式保證其安全性：

　　①禁止指針和內(nèi)存訪問

　　②對Java代碼運(yùn)行前進(jìn)行合法性檢查，以防止非法訪問數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、類和內(nèi)存。

　　(5)結(jié)構(gòu)中立 由于編譯器長生結(jié)構(gòu)中立的字節(jié)代碼可運(yùn)行于任何平臺(tái)，只要支持Java系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)都可運(yùn)行字節(jié)代碼。Java支持的平臺(tái)多達(dá)四十多種，包括OS/2、Sun Soloris、Linux、WinNT、Win95、Win98和VxWorks等等。

　　(6)可移植性　Java的基本數(shù)據(jù)類型大小是確定的，其整型和浮點(diǎn)型都是32位，保證應(yīng)用程序的可移植性。

　　(7)多線程　Java的多線程可在多處理器上運(yùn)行，能提供更好的交互響應(yīng)和實(shí)時(shí)特征。與微軟的產(chǎn)品對比如下表。

表 　Java和Windows產(chǎn)品的對比表

　　由表1可見，作為開放式控制系統(tǒng)的基本要求，Java的確勝出一籌。

　　在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，以數(shù)控機(jī)床為例，插補(bǔ)和位置控制是實(shí)時(shí)任務(wù)，在高精度和高速度的數(shù)控系統(tǒng)中，中斷響應(yīng)速度可達(dá)微秒級，這種實(shí)時(shí)控制稱為硬實(shí)時(shí)，即在給定的時(shí)間周期內(nèi)必須把任務(wù)處理結(jié)束，否則將導(dǎo)致不可預(yù)料的結(jié)果。因此必須獲得每個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)的CPU處理時(shí)間和內(nèi)存分配情況，才能在系統(tǒng)負(fù)載中合理分配實(shí)時(shí)任務(wù)并正常執(zhí)行。

　　Java的特性與實(shí)時(shí)控制的要求存在差距，體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

　　(1)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)管理 與C++不一樣，Java為用戶自動(dòng)清除內(nèi)存。它使用一種稱為垃圾收集器(GC)的技術(shù)自動(dòng)清除內(nèi)存中已經(jīng)不使用的內(nèi)存空間，這樣帶來一個(gè)問題：用戶無法預(yù)先確定GC算法的執(zhí)行時(shí)間，所有的線程都要在GC算法執(zhí)行時(shí)掛起。這種不確定性與實(shí)時(shí)計(jì)算相矛盾，因?yàn)閷?shí)時(shí)計(jì)算需要精確的確定每個(gè)任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間。

　　(2)不能對底層硬件訪問 用戶開發(fā)的Java程序應(yīng)當(dāng)是和具體的硬件及操作系統(tǒng)無關(guān)，用戶一旦直接訪問底層設(shè)備，勢必破壞Java的跨平臺(tái)特性。

　　4　在開放式控制系統(tǒng)平臺(tái)中的應(yīng)用

　　在數(shù)控系統(tǒng)中，應(yīng)用程序可分為人機(jī)界面管理、三維仿真與診斷等實(shí)時(shí)程序和插補(bǔ)運(yùn)算、位置控制等實(shí)時(shí)控制程序。實(shí)時(shí)控制要求中斷響應(yīng)速度要快并且計(jì)算量大，一般需要單獨(dú)的CPU來處理，或者采用硬件插卡的方式實(shí)現(xiàn)。以O(shè)SACA的應(yīng)用系統(tǒng)為例，采用了如圖2所示的雙PC結(jié)構(gòu)：

圖2　雙PC結(jié)構(gòu)

　　圖2中，HMC(人機(jī)控制)是非實(shí)時(shí)任務(wù);AC-X、AC-Y、AC-Z(軸控制)和MC(運(yùn)動(dòng)控制)是實(shí)時(shí)任務(wù)。軸控制和運(yùn)動(dòng)控制包括插補(bǔ)運(yùn)算和位置控制，所以放在單獨(dú)一臺(tái)PC上實(shí)現(xiàn)。兩臺(tái)PC之間即實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)之間采有TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊。

　　實(shí)際上，插補(bǔ)運(yùn)算包括插補(bǔ)準(zhǔn)備和插補(bǔ)計(jì)算兩部分。插補(bǔ)運(yùn)算作為實(shí)時(shí)任務(wù)主要是受限于過去CPU的處理速度和內(nèi)存容量，隨著高速度、高性能CPU和大容量內(nèi)存的出現(xiàn)，完全可以解決插補(bǔ)運(yùn)算的速度要求和數(shù)據(jù)量的問題。可以預(yù)先計(jì)算出軌跡坐標(biāo)的XYZ值，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表中，再逐段送至位置控制。目前的數(shù)字伺服控制器已能將位置控制算法包含在內(nèi)，可以不再開發(fā)位置控制的應(yīng)用程序模塊。因此，數(shù)控應(yīng)用軟件的開發(fā)可以都劃分為非實(shí)時(shí)任務(wù)。

　　另外，當(dāng)前存在的開放式控制系統(tǒng)平臺(tái)如OSACA、NGC和OSEC內(nèi)部之間是開放的。如支持OSACA體系結(jié)構(gòu)的平臺(tái)上開發(fā)的控制應(yīng)用程序?qū)τ贠SACA的平臺(tái)是開放的。但各個(gè)開放式控制系統(tǒng)平臺(tái)之間還不能實(shí)現(xiàn)開放，因?yàn)樗鼈兊捏w系結(jié)構(gòu)不相同，所支持的協(xié)議和采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相互之間都沒有公開。因此，它們之間的通訊需要設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化。見圖3。

圖3　開放式控制系統(tǒng)間的通訊

　　Java作為一種開放的體系結(jié)構(gòu)，不僅僅因?yàn)槠浔皇澜缢J(rèn)，更重要的是它具有先進(jìn)的平臺(tái)設(shè)計(jì)手段，成為真正的開放平臺(tái)。目前開放式控制系統(tǒng)平臺(tái)所面臨的問題可以利用Java平臺(tái)來解決，如圖4所示。利用Java平臺(tái)提供的功能實(shí)現(xiàn)硬件和操作系統(tǒng)的無關(guān)性，實(shí)現(xiàn)真正的開放控制平臺(tái)。數(shù)控軟件的開發(fā)全部轉(zhuǎn)化為非實(shí)時(shí)控制，應(yīng)用程序通過訪問JavaAPI來獲取平臺(tái)的支持，利用Java語言的可移植性，按模塊化開發(fā)的應(yīng)用程序具有優(yōu)良的可移植性，可運(yùn)行于支持Java的平臺(tái)之上。目前許多伺服控制器廠商已推出基于Java平臺(tái)的產(chǎn)品，具備Java的界面，這樣，建立于Java平臺(tái)上的應(yīng)用程序可直接訪問速度伺服的數(shù)據(jù)，從而可以解決實(shí)時(shí)控制和如何統(tǒng)一平臺(tái)的問題。

圖4　Java平臺(tái)的應(yīng)用

　　5　結(jié)論和展望

　　本文提出了一種利用Java真正開放式平臺(tái)的方案。Java的開發(fā)者也正在把實(shí)時(shí)功能加入到Java平臺(tái)中去，以適應(yīng)工業(yè)控制的要求。隨著網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的到來，基于Java的平臺(tái)不但能稱為開放式控制平臺(tái)，而且還能利用其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能實(shí)現(xiàn)異地制造，將極大地促進(jìn)敏捷制造的發(fā)展。