基于VxWorks實(shí)時(shí)嵌入式PLC設(shè)計(jì)

前言

　　可編程控制器(PLC)對(duì)機(jī)床開關(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Windows 的分時(shí)性，沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開發(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 總線的開關(guān)量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　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)拓展其開放性，但是由于沒(méi)有充分利用PC 機(jī)系統(tǒng)資源，而開發(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);提供4 個(gè)16 位通用定時(shí)器或者2 個(gè)32 位定時(shí)器;同時(shí)系統(tǒng)集成單元集成了總線監(jiān)控、軟件看門狗、系統(tǒng)節(jié)電模式、時(shí)鐘合成、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、復(fù)位控制以及支持IEEE 1149.1 調(diào)試方式JTAG等。

通信處理模塊(CPM)具有更強(qiáng)大的通信處理能力，擁有獨(dú)立的簡(jiǎn)單指令集通信處理器(RISC)，能夠完成低層次任務(wù)以及DMA 控制，使得PowerPC 內(nèi)核能夠空閑出來(lái)處理高層次的實(shí)時(shí)任務(wù)，從而降低了系統(tǒng)頻率，減少功耗。

　　內(nèi)嵌的 FEC 模塊與IEEE 802.3 兼容，支持10-和100-Mbps 連接。不僅完成了以太網(wǎng)協(xié)議中的MAC 控制功能，并且使用了突發(fā)傳送DMA，從而減少了系統(tǒng)總線的負(fù)荷。而FEC內(nèi)部接的收和發(fā)送FIFO 通過(guò)將所有的沖突碰撞局部化到FEC 內(nèi)部而進(jìn)一步減輕總線的負(fù)荷。FEC 采用獨(dú)立的發(fā)送緩存描述符和接收緩存描述符來(lái)完成具體的收發(fā)存取。可支持Modbus，CAN，EIP 等現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用。