VXD 開(kāi)發(fā)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)控制卡中的應(yīng)用
1. VXD 開(kāi)發(fā)技術(shù)簡(jiǎn)介
虛擬設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序（ Virtual Device Driver ）簡(jiǎn)稱(chēng) VXD ，是用來(lái)擴(kuò)展 Windows 操作系統(tǒng)功能的一類(lèi)程序。 VXD 主要用來(lái)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(wèn)題，如對(duì)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(gè)版本，許多基于 Windows 平臺(tái)的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)工作難度比較大。以前的 VXD 全部用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并且需要對(duì) Windows 底層結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)牧私?，開(kāi)發(fā)工作量比較大。許多公司為此推出了不同的 VXD 開(kāi)發(fā)工具，其中比較著名的是美國(guó) Vireo 公司推出的 VtoolsD 開(kāi)發(fā)工具包，提供了對(duì) VXD 編程的豐富的 C++ 類(lèi)庫(kù)的 支持，大大提高了開(kāi)發(fā)此類(lèi)程序的效率。
2. 運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)
采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制具有極大的靈活性。通過(guò)編寫(xiě)不同的程序可以適應(yīng)不同的控制系統(tǒng)的需要，同時(shí)借助于計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算能力和巨大的存儲(chǔ)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(guò)程。
運(yùn)動(dòng)控制卡作為關(guān)鍵部分，其硬件及驅(qū)動(dòng)程序?qū)φ麄€(gè)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(dòng)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(dòng)。
從通用性角度考慮，運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該提供比較完整的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，該函數(shù) 庫(kù)應(yīng)該 能夠執(zhí)行從單軸直線運(yùn)動(dòng)到多軸聯(lián)動(dòng)，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(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)能保證加工連續(xù)性。由于計(jì)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(kāi)發(fā) Windows 平臺(tái)下運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序時(shí)還應(yīng)注意在保證指令連續(xù)的前提下盡量減少對(duì) 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(guò)去采用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)查詢方式判斷上一條運(yùn)動(dòng)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(gè)問(wèn)題。中斷處理配合指令緩沖區(qū)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
對(duì)于中斷的處理，在 DOS 平臺(tái)下比較容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)?DOS 操作系統(tǒng)中斷編程是開(kāi)放的，程序員可以任意修改中斷向量來(lái)處理自己的中斷服務(wù)程序。但在 Windows 平臺(tái)下，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，操作系統(tǒng)對(duì)一般的應(yīng)用程序（ ring 3 層）并未完全開(kāi)放中斷編程。然而由于設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)中斷方式下工作的運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序。
3. 采用 VXD 技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序
VXD 運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)的底層，借助于 VtoolsD 等開(kāi)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(dòng)控制。
為了使用方便，運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中各運(yùn)動(dòng)指令對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（ 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(duì)運(yùn)動(dòng)指令也需要分層進(jìn)行處理。
為了保證運(yùn)動(dòng)指令的連續(xù)性，有必要采用指令緩沖區(qū)來(lái)配合運(yùn)動(dòng)中斷。
通過(guò) DLL 接口函數(shù)接收的運(yùn)動(dòng)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(duì)一級(jí)運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò) DLL 與 VXD 之間的接口壓入位于 VXD 中的底層緩沖區(qū)。
通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)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(duì)于需要對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣處理的特殊功能，則可以利用卡上的外部定時(shí)中斷，在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理。
4. 相對(duì)其它方式的優(yōu)點(diǎn)
采用 VXD 技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序及函數(shù)庫(kù)相對(duì)于傳統(tǒng)的查詢方式下工作的程序來(lái)說(shuō)，具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
(1)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，對(duì) CPU 等系統(tǒng)資源占用更少。可以很容易地開(kāi)發(fā)出帶圖形實(shí)時(shí)顯示的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
(2)多指令連續(xù)運(yùn)動(dòng)及微線段插補(bǔ) 時(shí)運(yùn)動(dòng) 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(dòng)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(dòng)程序（ Virtual Device Driver ）簡(jiǎn)稱(chēng) VXD ，是用來(lái)擴(kuò)展 Windows 操作系統(tǒng)功能的一類(lèi)程序。 VXD 主要用來(lái)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(wèn)題，如對(duì)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(gè)版本，許多基于 Windows 平臺(tái)的硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(kāi)發(fā)工作難度比較大。以前的 VXD 全部用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，并且需要對(duì) Windows 底層結(jié)構(gòu)有相當(dāng)?shù)牧私?，開(kāi)發(fā)工作量比較大。許多公司為此推出了不同的 VXD 開(kāi)發(fā)工具，其中比較著名的是美國(guó) Vireo 公司推出的 VtoolsD 開(kāi)發(fā)工具包，提供了對(duì) VXD 編程的豐富的 C++ 類(lèi)庫(kù)的 支持，大大提高了開(kāi)發(fā)此類(lèi)程序的效率。
2. 運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序的特點(diǎn)
采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制具有極大的靈活性。通過(guò)編寫(xiě)不同的程序可以適應(yīng)不同的控制系統(tǒng)的需要，同時(shí)借助于計(jì)算機(jī)高速運(yùn)算能力和巨大的存儲(chǔ)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(guò)程。
運(yùn)動(dòng)控制卡作為關(guān)鍵部分，其硬件及驅(qū)動(dòng)程序?qū)φ麄€(gè)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(dòng)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(dòng)。
從通用性角度考慮，運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)該提供比較完整的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)庫(kù)，該函數(shù) 庫(kù)應(yīng)該 能夠執(zhí)行從單軸直線運(yùn)動(dòng)到多軸聯(lián)動(dòng)，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(dòng)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(shí)，驅(qū)動(dòng)程序應(yīng)能保證加工連續(xù)性。由于計(jì)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(kāi)發(fā) Windows 平臺(tái)下運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序時(shí)還應(yīng)注意在保證指令連續(xù)的前提下盡量減少對(duì) 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(guò)去采用運(yùn)動(dòng)狀態(tài)查詢方式判斷上一條運(yùn)動(dòng)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(gè)問(wèn)題。中斷處理配合指令緩沖區(qū)可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。
對(duì)于中斷的處理，在 DOS 平臺(tái)下比較容易實(shí)現(xiàn)。因?yàn)?DOS 操作系統(tǒng)中斷編程是開(kāi)放的，程序員可以任意修改中斷向量來(lái)處理自己的中斷服務(wù)程序。但在 Windows 平臺(tái)下，為了系統(tǒng)的穩(wěn)定，操作系統(tǒng)對(duì)一般的應(yīng)用程序（ ring 3 層）并未完全開(kāi)放中斷編程。然而由于設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(lái)實(shí)現(xiàn)中斷方式下工作的運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序。
3. 采用 VXD 技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序
VXD 運(yùn)行在 Windows 操作系統(tǒng)的底層，借助于 VtoolsD 等開(kāi)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(dòng)控制。
為了使用方便，運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中各運(yùn)動(dòng)指令對(duì)應(yīng)的接口函數(shù)以 Windows 標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（ 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(duì)運(yùn)動(dòng)指令也需要分層進(jìn)行處理。
為了保證運(yùn)動(dòng)指令的連續(xù)性，有必要采用指令緩沖區(qū)來(lái)配合運(yùn)動(dòng)中斷。
通過(guò) DLL 接口函數(shù)接收的運(yùn)動(dòng)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(duì)一級(jí)運(yùn)動(dòng)指令進(jìn)行處理，處理結(jié)果通過(guò) DLL 與 VXD 之間的接口壓入位于 VXD 中的底層緩沖區(qū)。
通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡的硬件設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)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(duì)于需要對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行采樣處理的特殊功能，則可以利用卡上的外部定時(shí)中斷，在其中斷服務(wù)程序中進(jìn)行相應(yīng)的處理。
4. 相對(duì)其它方式的優(yōu)點(diǎn)
采用 VXD 技術(shù)開(kāi)發(fā)運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)程序及函數(shù)庫(kù)相對(duì)于傳統(tǒng)的查詢方式下工作的程序來(lái)說(shuō)，具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：
(1)系統(tǒng)運(yùn)行效率更高，對(duì) CPU 等系統(tǒng)資源占用更少。可以很容易地開(kāi)發(fā)出帶圖形實(shí)時(shí)顯示的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。
(2)多指令連續(xù)運(yùn)動(dòng)及微線段插補(bǔ) 時(shí)運(yùn)動(dòng) 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(dòng)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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