摘要：本文基于VxWorks 系統(tǒng)探討和研究了嵌入式實(shí)時(shí)PLC 的設(shè)計(jì)方法，主要包括基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于PPC 的嵌入式處理器設(shè)計(jì)以及BSP 的改造等等關(guān)鍵技術(shù)，為工業(yè)PLC 設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的解決方案。

     關(guān)鍵詞：PLC、VxWorks、實(shí)時(shí)

      0、前言

      隨著數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，人類正步入一個(gè)嶄新的后 PC 時(shí)代。這個(gè)時(shí)代的主要特點(diǎn)是嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不在，并不斷地向科研生產(chǎn)及人類生活的各個(gè)方面滲透。而可編程控制器(PLC)對(duì)機(jī)床開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制時(shí)可靠性高，使用方便，在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床，特別是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，要求的輸入輸出點(diǎn)數(shù)不多的情況下得到廣泛應(yīng)用。在兼用PC 機(jī)系統(tǒng)資源的情況下，采用非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows)時(shí)，Win32 API 的設(shè)計(jì)可以滿足多控制點(diǎn)復(fù)雜的數(shù)控功能要求，但由于Windows 的分時(shí)性，沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開(kāi)發(fā)用途，其系統(tǒng)調(diào)用的效率不高，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)高實(shí)時(shí)場(chǎng)合PLC控制的實(shí)時(shí)性要求。

      VxWorks 作為一運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目前以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域。

      本文基于 VxWorks 操作系統(tǒng)，提出了基于VxWorks 的嵌入式實(shí)時(shí)PLC 設(shè)計(jì)的方法與應(yīng)用，利用VxWorks 的開(kāi)放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性以及多線程/多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境來(lái)達(dá)到高實(shí)時(shí)要求的PLC 控制，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)位、復(fù)雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標(biāo)。

      1、傳統(tǒng) PLC 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

      相比較傳統(tǒng)的的基于通用工業(yè) PC 的工業(yè)PLC，其數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC 硬件包括：工控機(jī)及其外圍設(shè)備，基于ISA 總線的開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。 

      工控機(jī)采用 Windows 等非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面、數(shù)控代碼處理、軌跡劃、參數(shù)管理以及PLC 控制都通過(guò)工控機(jī)由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，不需要獨(dú)立的NC 控制器，減少了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴，有利于提高系統(tǒng)的開(kāi)放性。I/O 輸入輸出信息通過(guò)PC 機(jī)I/O 接口卡實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服接口模塊和I/O 接口模塊之間的信息交換，PC 機(jī)I/O 接口卡基于ISA或PCI 的總線。雖然其相較最初的單片機(jī)的控制加入了工業(yè)PC 來(lái)拓展其開(kāi)放性，但是由于沒(méi)有充分利用PC 機(jī)系統(tǒng)資源，而開(kāi)發(fā)和運(yùn)行都采用的非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows，Linux)時(shí)，其設(shè)計(jì)沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開(kāi)發(fā)用途，其系統(tǒng)調(diào)用的效率不高，數(shù)控系統(tǒng)PLC控制不能滿足一些高精度場(chǎng)合的實(shí)時(shí)性要求。

      2、基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

      嵌入式實(shí)時(shí) PLC 系統(tǒng)，一般由開(kāi)發(fā)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成，是相互獨(dú)立而又密不可分的兩個(gè)系統(tǒng)，可以分別單獨(dú)運(yùn)行。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基于PC 機(jī)，建立在Windows 操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，提供了PLC 應(yīng)用程序的編寫及其編譯調(diào)試環(huán)境。開(kāi)發(fā)系統(tǒng)與實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)的通訊一般通過(guò)RS232 接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果嵌入式操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也可以通過(guò)以太網(wǎng)、Modbus 或CAN 總線進(jìn)行通訊。應(yīng)用程序編寫完并編譯調(diào)試無(wú)誤后通過(guò)RS232 或TCP/IP 通信協(xié)議下載到嵌入式系統(tǒng)。實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)則用于完成系統(tǒng)配置、輸入信號(hào)處理、循環(huán)調(diào)用PLC 程序及控制信號(hào)輸出等操作，并且可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線或TCP/IP 通信協(xié)議與硬件層(I/O)實(shí)現(xiàn)通信。

      為了更好地支持實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)一般要引入操作系統(tǒng)，嵌入式操作系統(tǒng)(如Windows CE，VxWorks 等)為實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)提供了啟動(dòng)代碼、串行通訊接口、內(nèi)存操作(malloc/free)、ANSI 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、1ms 的時(shí)鐘滴答、調(diào)試接口等服務(wù)。如果實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)整合了相應(yīng)的功能，系統(tǒng)也可以不引入操作系統(tǒng)。我們所采用的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，其實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用VxWorks。

      了其通信性能，實(shí)時(shí)能力大大提高，同時(shí)此結(jié)構(gòu)具有完全開(kāi)放性，高度兼容性，極佳的可擴(kuò)展性，使得自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不受硬件的限制，可以有效地提高PLC 的運(yùn)行速度和可靠性，并且支持多任務(wù)的控制策略。另外相應(yīng)的從嵌入式處理的設(shè)計(jì)與和BSP 改造方面，也做了相應(yīng)的優(yōu)化處理。

      3、基于PPC 的嵌入式處理器設(shè)計(jì)

      VxWorks 系統(tǒng)運(yùn)行在基于PPC 的MPC860 處理器上，并作了一些有關(guān)改造以適應(yīng)實(shí)時(shí)PLC 的現(xiàn)場(chǎng)總線的通信要求。主要包括4 個(gè)主要模塊（如圖3）：PowerPC 核心，系統(tǒng)接口單元(SIU)，通信處理模塊(CPM)和快速以太網(wǎng)控制器(FEC)。

      系統(tǒng)接口單元(SIU)集成幾乎所有32-bit 處理器系統(tǒng)的常用功能。MPC860 采用32 位內(nèi)部總線，可以支持8，16 或32 位的外設(shè)和存儲(chǔ)器，同時(shí)SIU 提供功耗管理、復(fù)位控制、PowerPC減法器、PowerPC 時(shí)鐘基準(zhǔn)以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。其內(nèi)存控制器可以控制多達(dá)8 個(gè)存儲(chǔ)體，同時(shí)只需通過(guò)很少的電路就可實(shí)現(xiàn)與DRAM，SRAM，F(xiàn)lash 以及其它外圍設(shè)備的無(wú)縫連接，同時(shí)DRAM 接口支持8，16 和32 位的端口，DRAM 控制器提供頁(yè)模式下的突發(fā)傳送訪問(wèn)；