VXD 開發(fā)技術(shù)在運(yùn)動控制卡中的應(yīng)用
1. VXD 開發(fā)技術(shù)簡介
虛擬設(shè)備驅(qū)動程序（ Virtual Device Driver ）簡稱 VXD ，是用來擴(kuò)展 Windows 操作系統(tǒng)功能的一類程序。 VXD 主要用來支持硬件設(shè)備的管理，它以特殊的 DLL 形式鏈接到 Windows 操作系統(tǒng)的核心層（ ring 0 ），可以解決許多不能在一般應(yīng)用層（ ring 3 ）編程處理的一系列問題，如對硬件中斷等的處理。
VXD 廣泛應(yīng)用于 Microsoft 公司推出的 Windows 9X 操作系統(tǒng)各個版本，許多基于 Windows 平臺的硬件設(shè)備驅(qū)動程序都采用了 VXD 編程。
VXD 編程由于涉及到 Windows 的底層結(jié)構(gòu)，因此開發(fā)工作難度比較大。以前的 VXD 全部用匯編語言編寫，并且需要對 Windows 底層結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)牧私?，開發(fā)工作量比較大。許多公司為此推出了不同的 VXD 開發(fā)工具，其中比較著名的是美國 Vireo 公司推出的 VtoolsD 開發(fā)工具包，提供了對 VXD 編程的豐富的 C++ 類庫的 支持，大大提高了開發(fā)此類程序的效率。
2. 運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序的特點(diǎn)
采用計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制具有極大的靈活性。通過編寫不同的程序可以適應(yīng)不同的控制系統(tǒng)的需要，同時借助于計算機(jī)高速運(yùn)算能力和巨大的存儲能力可以完成許多復(fù)雜的功能，如圓弧插補(bǔ)甚至空間曲面的加工等，并且能夠以圖形方式直觀地模擬顯示加工過程。
運(yùn)動控制卡作為關(guān)鍵部分，其硬件及驅(qū)動程序?qū)φ麄€控制系統(tǒng)的性能起著極其重要的作用。它負(fù)責(zé)將運(yùn)動指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動。
從通用性角度考慮，運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序應(yīng)該提供比較完整的運(yùn)動控制函數(shù)庫，該函數(shù) 庫應(yīng)該 能夠執(zhí)行從單軸直線運(yùn)動到多軸聯(lián)動，從直線段插補(bǔ)到圓弧插補(bǔ)甚至螺旋線插補(bǔ)等常用的運(yùn)動指令。特別是在加工由多條線段和圓弧組成的復(fù)雜形狀工件時，驅(qū)動程序應(yīng)能保證加工連續(xù)性。由于計算機(jī)操作系統(tǒng)早已由 DOS 轉(zhuǎn)向 Windows ，而 Windows 操作系統(tǒng)屬于多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此在開發(fā) Windows 平臺下運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序時還應(yīng)注意在保證指令連續(xù)的前提下盡量減少對 CPU 等系統(tǒng)資源的占用，以保證其它任務(wù)能夠正常執(zhí)行。而過去采用運(yùn)動狀態(tài)查詢方式判斷上一條運(yùn)動指令控制的 軸是否 已經(jīng)進(jìn)給完畢則很難滿足這種要求。因此有必要采用其它方式解決這個問題。中斷處理配合指令緩沖區(qū)可以很好地解決這個問題。
對于中斷的處理，在 DOS 平臺下比較容易實(shí)現(xiàn)。因為 DOS 操作系統(tǒng)中斷編程是開放的，程序員可以任意修改中斷向量來處理自己的中斷服務(wù)程序。但在 Windows 平臺下，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，操作系統(tǒng)對一般的應(yīng)用程序（ ring 3 層）并未完全開放中斷編程。然而由于設(shè)備驅(qū)動程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)底層（ ring 0 層），因此，我們可以借助于 VXD 編程來實(shí)現(xiàn)中斷方式下工作的運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序。
3. 采用 VXD 技術(shù)開發(fā)運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序
VXD 運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)的底層，借助于 VtoolsD 等開發(fā)工具，我們可以比較容易地在中斷方式下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。
為了使用方便，運(yùn)動函數(shù)庫中各運(yùn)動指令對應(yīng)的接口函數(shù)以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)鏈接庫（ DLL ）形式封裝，標(biāo)準(zhǔn)的 DLL 工作在 ring 3 層，而 VXD 工作在 ring 0 層，因此需要在 DLL 中加載 VXD ，對運(yùn)動指令也需要分層進(jìn)行處理。
為了保證運(yùn)動指令的連續(xù)性，有必要采用指令緩沖區(qū)來配合運(yùn)動中斷。
通過 DLL 接口函數(shù)接收的運(yùn)動指令被壓入 DLL 中的指令緩沖區(qū)，相應(yīng)的指令處理線程被激活，對一級運(yùn)動指令進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過 DLL 與 VXD 之間的接口壓入位于 VXD 中的底層緩沖區(qū)。
通過運(yùn)動控制卡的硬件設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動指令執(zhí)行完畢后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，所要完成的任務(wù)就是從底層指令緩沖區(qū)取出下一條指令包含的各寄存器值，按地址將其送到卡上相應(yīng)的寄存器中。
對于需要對反饋信號進(jìn)行采樣處理的特殊功能，則可以利用卡上的外部定時中斷，在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理。
4. 相對其它方式的優(yōu)點(diǎn)
采用 VXD 技術(shù)開發(fā)運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序及函數(shù)庫相對于傳統(tǒng)的查詢方式下工作的程序來說，具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
(1)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，對 CPU 等系統(tǒng)資源占用更少?？梢院苋菀椎亻_發(fā)出帶圖形實(shí)時顯示的運(yùn)動控制系統(tǒng)。
(2)多指令連續(xù)運(yùn)動及微線段插補(bǔ) 時運(yùn)動 連續(xù)性更好，在 Windows 多任務(wù)環(huán)境下不容易受其它任務(wù)影響而出現(xiàn)運(yùn)動的間斷。
(3)可以實(shí)現(xiàn)更精確的采樣處理功能，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
虛擬設(shè)備驅(qū)動程序（ Virtual Device Driver ）簡稱 VXD ，是用來擴(kuò)展 Windows 操作系統(tǒng)功能的一類程序。 VXD 主要用來支持硬件設(shè)備的管理，它以特殊的 DLL 形式鏈接到 Windows 操作系統(tǒng)的核心層（ ring 0 ），可以解決許多不能在一般應(yīng)用層（ ring 3 ）編程處理的一系列問題，如對硬件中斷等的處理。
VXD 廣泛應(yīng)用于 Microsoft 公司推出的 Windows 9X 操作系統(tǒng)各個版本，許多基于 Windows 平臺的硬件設(shè)備驅(qū)動程序都采用了 VXD 編程。
VXD 編程由于涉及到 Windows 的底層結(jié)構(gòu)，因此開發(fā)工作難度比較大。以前的 VXD 全部用匯編語言編寫，并且需要對 Windows 底層結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)牧私?，開發(fā)工作量比較大。許多公司為此推出了不同的 VXD 開發(fā)工具，其中比較著名的是美國 Vireo 公司推出的 VtoolsD 開發(fā)工具包，提供了對 VXD 編程的豐富的 C++ 類庫的 支持，大大提高了開發(fā)此類程序的效率。
2. 運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序的特點(diǎn)
采用計算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動控制具有極大的靈活性。通過編寫不同的程序可以適應(yīng)不同的控制系統(tǒng)的需要，同時借助于計算機(jī)高速運(yùn)算能力和巨大的存儲能力可以完成許多復(fù)雜的功能，如圓弧插補(bǔ)甚至空間曲面的加工等，并且能夠以圖形方式直觀地模擬顯示加工過程。
運(yùn)動控制卡作為關(guān)鍵部分，其硬件及驅(qū)動程序?qū)φ麄€控制系統(tǒng)的性能起著極其重要的作用。它負(fù)責(zé)將運(yùn)動指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動。
從通用性角度考慮，運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序應(yīng)該提供比較完整的運(yùn)動控制函數(shù)庫，該函數(shù) 庫應(yīng)該 能夠執(zhí)行從單軸直線運(yùn)動到多軸聯(lián)動，從直線段插補(bǔ)到圓弧插補(bǔ)甚至螺旋線插補(bǔ)等常用的運(yùn)動指令。特別是在加工由多條線段和圓弧組成的復(fù)雜形狀工件時，驅(qū)動程序應(yīng)能保證加工連續(xù)性。由于計算機(jī)操作系統(tǒng)早已由 DOS 轉(zhuǎn)向 Windows ，而 Windows 操作系統(tǒng)屬于多任務(wù)操作系統(tǒng)，因此在開發(fā) Windows 平臺下運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序時還應(yīng)注意在保證指令連續(xù)的前提下盡量減少對 CPU 等系統(tǒng)資源的占用，以保證其它任務(wù)能夠正常執(zhí)行。而過去采用運(yùn)動狀態(tài)查詢方式判斷上一條運(yùn)動指令控制的 軸是否 已經(jīng)進(jìn)給完畢則很難滿足這種要求。因此有必要采用其它方式解決這個問題。中斷處理配合指令緩沖區(qū)可以很好地解決這個問題。
對于中斷的處理，在 DOS 平臺下比較容易實(shí)現(xiàn)。因為 DOS 操作系統(tǒng)中斷編程是開放的，程序員可以任意修改中斷向量來處理自己的中斷服務(wù)程序。但在 Windows 平臺下，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，操作系統(tǒng)對一般的應(yīng)用程序（ ring 3 層）并未完全開放中斷編程。然而由于設(shè)備驅(qū)動程序運(yùn)行在操作系統(tǒng)底層（ ring 0 層），因此，我們可以借助于 VXD 編程來實(shí)現(xiàn)中斷方式下工作的運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序。
3. 采用 VXD 技術(shù)開發(fā)運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序
VXD 運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)的底層，借助于 VtoolsD 等開發(fā)工具，我們可以比較容易地在中斷方式下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動控制。
為了使用方便，運(yùn)動函數(shù)庫中各運(yùn)動指令對應(yīng)的接口函數(shù)以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)的動態(tài)鏈接庫（ DLL ）形式封裝，標(biāo)準(zhǔn)的 DLL 工作在 ring 3 層，而 VXD 工作在 ring 0 層，因此需要在 DLL 中加載 VXD ，對運(yùn)動指令也需要分層進(jìn)行處理。
為了保證運(yùn)動指令的連續(xù)性，有必要采用指令緩沖區(qū)來配合運(yùn)動中斷。
通過 DLL 接口函數(shù)接收的運(yùn)動指令被壓入 DLL 中的指令緩沖區(qū)，相應(yīng)的指令處理線程被激活，對一級運(yùn)動指令進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過 DLL 與 VXD 之間的接口壓入位于 VXD 中的底層緩沖區(qū)。
通過運(yùn)動控制卡的硬件設(shè)計，可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動指令執(zhí)行完畢后產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中，所要完成的任務(wù)就是從底層指令緩沖區(qū)取出下一條指令包含的各寄存器值，按地址將其送到卡上相應(yīng)的寄存器中。
對于需要對反饋信號進(jìn)行采樣處理的特殊功能，則可以利用卡上的外部定時中斷，在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理。
4. 相對其它方式的優(yōu)點(diǎn)
采用 VXD 技術(shù)開發(fā)運(yùn)動控制卡驅(qū)動程序及函數(shù)庫相對于傳統(tǒng)的查詢方式下工作的程序來說，具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
(1)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，對 CPU 等系統(tǒng)資源占用更少?？梢院苋菀椎亻_發(fā)出帶圖形實(shí)時顯示的運(yùn)動控制系統(tǒng)。
(2)多指令連續(xù)運(yùn)動及微線段插補(bǔ) 時運(yùn)動 連續(xù)性更好，在 Windows 多任務(wù)環(huán)境下不容易受其它任務(wù)影響而出現(xiàn)運(yùn)動的間斷。
(3)可以實(shí)現(xiàn)更精確的采樣處理功能，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)控制。
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