EASYV1.00嵌入式PLC的基本原理(一)

一、嵌入式PLC概念

嵌入式PLC是指在特定的控制裝置中實(shí)現(xiàn)PLC(Programable Logic Controller)編程語言的解釋、執(zhí)行，使特定裝置在自身專用功能基礎(chǔ)上具有PLC的基本功能。

PLC編程語言(又稱梯形圖語言)是一種面向工廠自動化工人師傅的語言，具有簡潔、直觀，面向工藝流程等許多優(yōu)點(diǎn)。PLC編程語言的出現(xiàn)使控制裝置中的硬件管和面向控制流程分離，PLC制造商專注于硬件及硬件管理，工廠自動化人員借助梯形圖語言作二次開發(fā)，使同一種PLC適用于不同的控制系統(tǒng)中，形成了可編程邏輯控制器(PLC)這種概念級產(chǎn)品。

但控制產(chǎn)品的設(shè)計(jì)已發(fā)展到一個追求個性化、差異化設(shè)計(jì)的階段。常規(guī)PLC無法進(jìn)入的市場，面臨更多的是個性化、差異化的壓力，如成本控制、特殊功能等。出現(xiàn)了工控機(jī)(IPC)、單片機(jī)嵌入板與更貼近個性化需求的控制產(chǎn)品。IPC在互連、表達(dá)、算法等方面優(yōu)勢明顯，單片機(jī)系統(tǒng)在成本控制上更加靈活。IPC由于加載了操作系統(tǒng)(如NT)其實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性難以滿足連續(xù)控制的苛刻要求。更適合于監(jiān)控，低層通常用PLC;單片機(jī)系統(tǒng)將硬件管理和用戶工藝流程控制混在一起，制約了它的標(biāo)準(zhǔn)化，并最終失去成本競爭優(yōu)勢。

嵌入式PLC正是面向IPC和單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的，它保留了PLC(借助梯形圖語言)硬件管理和工藝控制分離的優(yōu)勢，結(jié)合IPC和單片機(jī)提供的更個性化、差異化的設(shè)計(jì)方法，形成一種新的控制器設(shè)計(jì)理念。當(dāng)我們在IPC中嵌入PLC的功能時(shí)，我們稱之為基于PC　Base的嵌入式PLC，當(dāng)我們在單片機(jī)中嵌入PLC功能時(shí)，我們稱它為基于All ON One的嵌入式PLC(片級嵌入PLC)。來特別說明時(shí)，嵌入式PLC指片級嵌入式PLC，以下描述以科威公司EASY　V1.00嵌入式PLC為例。

二、嵌入式PLC軟件架構(gòu)

1、總體結(jié)構(gòu)

EASY　V1.00嵌入式PLC是一種實(shí)時(shí)性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)軟件，總體結(jié)構(gòu)包括三個層面。

①嵌入式PLC內(nèi)核　它完成實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度，梯形圖語言解釋、執(zhí)行、通訊等基本功能，并提供二次開發(fā)驅(qū)動接口;

②二次開發(fā)程序　通過內(nèi)核提供的外掛任務(wù)，使用內(nèi)核開發(fā)各種面向具體對象個性化差異化的驅(qū)動程序;

③終端應(yīng)用程序　指面向工藝流程控制的梯形圖語言編程;

EASY　V1.00總體結(jié)構(gòu)

對于二次開發(fā)人員開發(fā)面向個性化對象的驅(qū)動程序，必須了解嵌入式PLC內(nèi)核結(jié)構(gòu)，尤其是驅(qū)動接口設(shè)計(jì)方法，下面分塊介紹內(nèi)核的各塊功能。

2、實(shí)時(shí)OS

面向小型單片機(jī)，一般的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)無法加載，OS/Ⅱ 占用了過多的資源，EASY　V1.00內(nèi)核根據(jù)任務(wù)的類別、實(shí)時(shí)要求、定制了一款專用實(shí)時(shí)OS，它無文件系統(tǒng)和內(nèi)存管理兩部分。

①硬實(shí)時(shí)狀態(tài)下的搶占式并發(fā)任務(wù)管理

EASY　V1.00內(nèi)核提供2.5ms基準(zhǔn)時(shí)基，它作為一種不可剝奪的任務(wù)循環(huán)執(zhí)行用于各類任務(wù)的監(jiān)控管理。

對于工控應(yīng)用中的異步事件采用并發(fā)式任務(wù)管理，通過各類中斷搶占任務(wù)的掛起、執(zhí)行，每類異步任務(wù)執(zhí)行前，在2.5ms任務(wù)中注冊，執(zhí)行后注銷，通過2.5ms時(shí)基監(jiān)控并發(fā)任務(wù)的流量及阻塞狀況并報(bào)字到上一級任務(wù)調(diào)度。

在EASY　V1.00中，存在以下異步任務(wù)：

*通信數(shù)據(jù)鏈絡(luò)層的字節(jié)流

*梯形圖語言中的定時(shí)器

*二次開發(fā)驅(qū)動程序中的實(shí)時(shí)異步任務(wù)

并發(fā)任務(wù)管理是EASY　V1.00中最低層的任務(wù)管理，達(dá)到ms級實(shí)時(shí)效果，單位時(shí)間內(nèi)(1ms)占用CPU機(jī)時(shí)峰值為:

R

T并=∑Niti

I=0

Ni-1ms內(nèi)任務(wù)的最大執(zhí)行次數(shù)，ti-i任務(wù)的一次執(zhí)行最大時(shí)間。

EASY　V1.00并發(fā)任務(wù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

T片=3-45ms+t4

t4為用戶軟中斷任務(wù)占用時(shí)間和。

“掃描周期”指解釋、執(zhí)行所有梯形圖指令并執(zhí)行掃描結(jié)束處理所占用的時(shí)間，由于這期間有并發(fā)任務(wù)產(chǎn)生，“掃描周期”應(yīng)包括并發(fā)任務(wù)占用時(shí)間。

R

并發(fā)任務(wù)占用比X=T并/ 1ms = (150ms+ΔT+∑Njtj)/1000ms =15%-100%

j=3

設(shè)用戶梯形圖含X條指令

T掃=(X.T片+ΔTend)/X