張 帆，劉蔭忠，楊東升，尹震宇

(1.中國科學院 研究生院，北京 100049;2.中國科學院 沈陽計算技術研究所，沈陽 110168)

0 引言

隨著信息技術和計算機網(wǎng)絡技術的迅猛發(fā)展和應用，制造業(yè)的生產(chǎn)方式發(fā)生了深刻的變革，極大地拓展了企業(yè)信息化的深度和廣度，促進了制造業(yè)快速地向網(wǎng)絡化方向發(fā)展，產(chǎn)生了以互聯(lián)網(wǎng)絡為背景的數(shù)控系統(tǒng)，就是網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)［1-3］。

Extensible Markup Language(XML)數(shù)據(jù)是以純文本格式存儲的，這使得XML 提供了一種與軟件和硬件無關的共享數(shù)據(jù)方法。通過XML 可以在不兼容的系統(tǒng)之間輕松地交換數(shù)據(jù)，即使升級操作系統(tǒng)、升級服務器、升級應用程序、更新瀏覽器也不會受到兼容性的影響，所以可以用XML 來格式化數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)、控制、工藝等信息［4-6］。

狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)就是網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)中的網(wǎng)絡節(jié)點，為了使狀態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)格式化，我們采用XML 技術來存儲數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)信息。數(shù)控系統(tǒng)自帶的RCS 庫的生成XML 文件的xmlMsgSaveAs(NMLmsg* nml_msg，const char * filename)函數(shù)［7-8］是有缺陷的:①生成的每個XML 文件僅僅是一種NMLmsg 的信息且包含該類型消息的全部信息，這樣當需要有關n 種狀態(tài)消息的信息時就會生成n 個不同的XML 文件，會不利于文件的傳輸;②當再次利用xmlMsgSaveAs(NMLmsg* nml_msg，const char *filename)函數(shù)生成XML 文件時，上次為了生成XML文件而生成的xmlNode 已經(jīng)釋放，不會被再次利用，需要重新生成新的xmlNode。

本文提出根據(jù)相應的conf 配置文件并利用libxml2 程序庫生成XML 文件的方法。如果該方法生成的XML 文件含有的NMLmsg 消息的個數(shù)為n，那么該XML 文件的長度不會大于由數(shù)控系統(tǒng)自帶的函數(shù)xmlMsgSaveAs(NMLmsg* nml_msg，const char * filename)生成的相應n 個XMLmsg 消息的XML 文件長度之和，并且比利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的能生成XML 文件的RCS 庫函數(shù)的時間性能更佳。

1 數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構

結(jié)合數(shù)控系統(tǒng)、RTAI(the Real Time Application Interface for Linux)及實時以太網(wǎng)RTnet 技術設計數(shù)控系統(tǒng)與狀態(tài)監(jiān)視器的實時通信，本篇論文重點解決利用XML 即可擴展的標記語言格式化數(shù)據(jù)信息，便于遠程監(jiān)控、數(shù)據(jù)存儲與分析等。

如圖1 所示，利用XML 即可擴展的標記語言來格式化數(shù)據(jù)信息。數(shù)控系統(tǒng)的一些信息，如軸數(shù)、軸速、增益等，都需要發(fā)給狀態(tài)監(jiān)視器。狀態(tài)監(jiān)視器可以將這些數(shù)控信息存放在一個單獨的數(shù)據(jù)庫中，也可以對其信息進行分析來了解數(shù)控系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)情況。為了使狀態(tài)監(jiān)視器得到的數(shù)據(jù)格式化，我們采用XML 技術存儲數(shù)控信息［9-10］，然后發(fā)給狀態(tài)監(jiān)視器。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

2 數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)信息生成XML 文件

2.1 關鍵技術

Libxml2 是一個C 語言版的XML 解析器，本來是為Gnome 項目開發(fā)的工具，是一個基于MITLicense 的免費開源軟件。它除了支持C 語言版以外，還支持C++、PHP、Pascal、Ruby、Tcl 等語言的綁定，能在Windows、Linux、Solaris、MacOsX 等平臺上運行［5］。Libxml2 支持DOM 和SAX 兩種解析方式。Libxm2 特有的一些數(shù)據(jù)類型，它們用來隱藏那些除非有特別需要否則就不用去理會的復雜細節(jié)，這些數(shù)據(jù)類型總是會一次一次的遇到。

xmlChar:對char 的基本代替，是一個UTF-8 編碼字符串中的一個字節(jié)。如果用戶數(shù)據(jù)使用了其他編碼，在使用libxml2 函數(shù)前就必須轉(zhuǎn)換為UTF-8。

xmlDoc 和xmlDocPtr:是一個包含了從解析文檔后創(chuàng)建出的樹的結(jié)構，xmlDocPtr 是指向該結(jié)構的指針。

xmlNode 和xmlNodePtr:包含單個節(jié)點的結(jié)構，xml-NodePtr 是指向該結(jié)構的指針，它用來遍歷文檔樹。

RCS(Real-time Control System)是美國NIST(National Institute of Standards and Technology)的ISD(Intelligent Systems Division)一套完整的實時控制系統(tǒng)的設計思想、方法及相關支撐工具［6］。它從模塊化、層次化的角度來構建一個復雜的控制系統(tǒng)，并提供了具有跨平臺、跨網(wǎng)絡通信能力的信息傳送通道機制-NML，同時NML 能很好的支持可擴展標記語言XML。

通信規(guī)則由配置文件“. nml”定義，其中保存應用程序的進程參數(shù)和緩沖區(qū)參數(shù)。RCS 通信原理如圖2 所示。計算機1 上的進程P1、P2、P3 可以直接訪問本地共享內(nèi)存緩沖區(qū)1、2，計算機2、3 上的進程P4，P5，P6 遠程訪問緩沖區(qū)。計算機1 上設置NML服務器進程1、2，代表遠程進程對緩沖區(qū)中的消息進行編碼與解碼。所有進程均需根據(jù)配置文件“.nml”的規(guī)定執(zhí)行通信動作。

圖2 RCS 網(wǎng)絡通信結(jié)構圖

2.2 數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)信息生成XML 文件的設計方法

針對數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)信息，設計一種能利用相應的conf 配置文件生成XML 文件的方法。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)狀態(tài)信息設計conf 配置文件;檢測conf 配置文件的更新時間;如果時間沒有改變，則通過NML 通道讀內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)，利用libxml2 程序庫函數(shù)更新XML 文件數(shù)據(jù);如果時間已經(jīng)改變，則根據(jù)conf 配置文件生成數(shù)據(jù)結(jié)構，通過NML 通道讀內(nèi)存獲取數(shù)據(jù)，利用libxml2 程序庫生成XML 文件，同時保存libxml2 程序庫函數(shù)生成的XML 文件的結(jié)構。如圖3 所示。

2.2.1 設計方法

(1)數(shù)據(jù)結(jié)構

①首先定義多叉樹節(jié)點的類:該類包括的成員變量有節(jié)點名字name(name 的類型是string)，指向父節(jié)點的指針，指向孩子節(jié)點的指針構成的vector。

②定義多叉樹的類:多叉樹類的成員變量包括指向根節(jié)點的指針root，以及類iterator?？梢岳弥赶驑涔?jié)點的指針來初始化iterator。例如，假設樹節(jié)點為node_type 多叉樹為tree_type 則

node_type * one=new node_type(“one”);

tree_type::iterator iter(one);

多叉樹類有一個成員函數(shù)為

iterator insert(iterator ＆position，const T ＆x);

在這里T 為string，該函數(shù)將以x 為name 的樹節(jié)點作為position 對應節(jié)點的孩子，并返回以x 為name的樹節(jié)點對應的iterator。

③定義一個map，map 的元素為

pair ＜int，tree_type::iterator ＞

int 類型的數(shù)據(jù)表示conf 配置文件中的數(shù)據(jù)層級level。

圖3 方法設計流程圖

(2)初始化

聲明所有狀態(tài)消息類型的指針;初始化各種狀態(tài)消息類型名對應的字符串;定義一個大小為256 的字符數(shù)組;定義類型為＜int，tree_type::iterator ＞的map。

(3)函數(shù)體

①獲取配置文件“. conf”的最后一次改寫的時間，并與最新讀取的conf 配置文件的改寫時間比較。如果改變了則記下最新時間轉(zhuǎn)入步驟(2)，否則轉(zhuǎn)入步驟⑩。

②獲取配置文件“.conf”的第一行(該行是沒有實際意義的一行，只是為生成一個根節(jié)點，并設定該行的數(shù)據(jù)名為”time”)并存入char line［256］，獲取level，獲取數(shù)據(jù)名，生成以該數(shù)據(jù)名為多叉樹節(jié)點名字的節(jié)點，并生成相應的iterator。如果該節(jié)點是葉子節(jié)點轉(zhuǎn)入步驟④。否則轉(zhuǎn)入步驟③。

③將相應的元素＜int，tree_type::iterator ＞插入map。

④生成以該節(jié)點為根的樹。

⑤讀配置文件的下一行并存入char line［256］。如果該行為空，說明到了文件尾，則轉(zhuǎn)入步驟⑧，否則轉(zhuǎn)入步驟⑥。

⑥獲取該行的level，獲取該行的數(shù)據(jù)名，生成以該數(shù)據(jù)名為多叉樹節(jié)點名字的節(jié)點，并生成相應的iterator，放入到父節(jié)點的vector 中(父節(jié)點是map 中鍵level-1 對應的節(jié)點)。如果該節(jié)點是葉子節(jié)點轉(zhuǎn)入步驟⑤。否則轉(zhuǎn)入步驟⑦。

⑦通過函數(shù)map.count(level)判斷map 中鍵level 是否存在。如果存在則直接將該iterator 賦值給mp［level］，否則利用函數(shù)map. insert()插入到map中。轉(zhuǎn)入步驟⑤。

⑧通過通道的read()函數(shù)來判斷通道中是否有消息存在。如果沒有消息存在則循環(huán)執(zhí)行read()函數(shù)，直到通道中有消息存在。

⑨通過nml 通道獲取獲取葉子結(jié)點的值，利用生成的多叉樹結(jié)構以及l(fā)ibxml2 程序庫的函數(shù)xml-NewDoc 創(chuàng)建文檔并在內(nèi)存中保存文檔，通過xml-SaveFile 將xml 文檔存入文件，結(jié)束。

⑩通過nml 通道獲取獲取葉子結(jié)點的值，利用libxml2 的函數(shù)修改保存的xml 文檔，通過xmlSave-File 將xml 文檔存入文件，結(jié)束。

2.2.2 例子

配置文件的例子:數(shù)據(jù)層級，數(shù)據(jù)名:數(shù)據(jù)類型

讀該conf 配置文件會生成一棵多叉樹如圖4 所示。

圖4 根據(jù)配置文件生成的多叉樹

生成XML 文件，見圖5。

圖5 生成的XML 文件

3 實驗結(jié)果及分析

本文的實驗是在具有800MHz CPU、512MB 內(nèi)存的裝有數(shù)控系統(tǒng)及Red Hat Linux 9.0 操作系統(tǒng)的Pentinum3 上實施操作的。

在用戶空間使用數(shù)控系統(tǒng)提供的etime()函數(shù)記錄時間戳，返回微秒級的時間計數(shù)。因為執(zhí)行一遍程序的時間太短，所以采取while 循環(huán)執(zhí)行一次main()函數(shù)就是執(zhí)行原來的程序1000 遍。針對配置文件不同的n(0 ＜n ＜2000)執(zhí)行三次main()函數(shù)，得到表1、表2、圖6 的時間。

實驗方案一:在原有的數(shù)控系統(tǒng)上進行實驗，僅僅利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的RCS 庫的函數(shù)生成XML 文件。

實驗方案二:利用本文提出的方法生成XML 文件。

下面是實驗結(jié)果:

表1 conf 配置文件沒有改變時兩個方案的時間表

表2 conf 配置文件改變時兩個方案的時間表

在本實驗中選取conf 配置文件時，配置文件包含了數(shù)控系統(tǒng)所有的狀態(tài)消息類型。從表一可以看出當配置文件包含數(shù)控系統(tǒng)所有的狀態(tài)消息類型時，n 越小方案二的時間性能越佳，但是無論n 如何取值，方案二在時間性能上總是優(yōu)于方案一。從表二可以看出當conf 配置文件改變時，方案二的時間性能還是優(yōu)于方案一，只是比conf 配置文件沒有改變時的時間性能略有降低。

函數(shù)readfile_maketree()包括設計方法步驟的(2)－(7)，函數(shù)readtree_makexml()包括設計方法的步驟(8)－(9)。由圖6 可以看出利用conf 配置文件生成XML 文件時，讀配置文件花費的時間占用整個方法時間的比例很小，這樣就會突顯出方案二的優(yōu)勢:①利用conf 配置文件僅僅會生成包含配置文件中對應的n 個節(jié)點的XML 文件，而方案一會生成不小于n 個節(jié)點的若干個XML 文件，這樣方案二在生成XML 文檔節(jié)點的時間上優(yōu)于方案一。②在conf配置文件沒有改變的情況下，方案二會利用上次保存在內(nèi)存中的XML 文檔，而方案二必須重新生成所有的XML 文檔的節(jié)點，從這方面看方案二在生成XML 文檔節(jié)點的時間上優(yōu)于方案一。

圖6 函數(shù)執(zhí)行時間坐標圖

4 結(jié)束語

采用根據(jù)conf 配置文件讀取數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)信息并利用libxml2 程序庫生成XML 文件的方法會比利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的RCS 庫的函數(shù)生成XML 文件更有針對性，同時比利用數(shù)控系統(tǒng)自帶的能生成XML 文件的RCS 庫函數(shù)的時間性能更佳。采用根據(jù)conf 配置文件讀取數(shù)控系統(tǒng)的狀態(tài)信息并利用libxml2 程序庫生成XML 文件的方法，可以更好的避免數(shù)控系統(tǒng)升級導致整個網(wǎng)絡化監(jiān)控平臺信息失效，保證車間級對網(wǎng)絡級的信息透明。

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