基于VxWorks實時嵌入式PLC設計

前言

　　可編程控制器(PLC)對機床開關量信號進行控制時可靠性高，使用方便，在大多數(shù)數(shù)控機床，特別是經(jīng)濟型數(shù)控機床中，要求的輸入輸出點數(shù)不多的情況下得到廣泛應用。在兼用PC 機系統(tǒng)資源的情況下，采用Windows 的分時性，沒有考慮到實時環(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)高實時場合PLC 控制的實時性要求。

　　VxWorks 作為一運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統(tǒng)，目前以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域。

　　本文基于 VxWorks 操作系統(tǒng)，提出了基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 設計的方法與應用，利用VxWorks 的開放性、模塊化和可擴展性的系統(tǒng)結構特性以及多線程/多任務的系統(tǒng)環(huán)境來達到高實時要求的PLC 控制，在保證實時性的同時，實現(xiàn)多點位、復雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標。

　　1、傳統(tǒng) PLC 系統(tǒng)的結構

　　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：工控機及其外圍設備，基于ISA 總線的開關量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。其結構如圖1 所示。

　　工控機采用 Windows 等非實時操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的人機界面、數(shù)控代碼處理、軌跡劃、參數(shù)管理以及PLC 控制都通過工控機由軟件來實現(xiàn)，不需要獨立的NC 控制器，減少了數(shù)控系統(tǒng)對硬件的依賴，有利于提高系統(tǒng)的開放性。I/O 輸入輸出信息通過PC 機I/O 接口卡實現(xiàn)主機與伺服接口模塊和I/O 接口模塊之間的信息交換，PC 機I/O 接口卡基于ISA或PCI 的總線。雖然其相較最初的單片機的控制加入了工業(yè)PC 來拓展其開放性，但是由于沒有充分利用PC 機系統(tǒng)資源，而開發(fā)和運行都采用的非實時多任務操作系統(tǒng)(如Windows，Linux)時，其設計沒有考慮到實時環(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合的實時性要求。

　　2、基于嵌入式系統(tǒng)的實時PLC 系統(tǒng)結構

　　嵌入式實時 PLC 系統(tǒng)，一般由開發(fā)系統(tǒng)和實時運行系統(tǒng)兩部分組成，是相互獨立而又密不可分的兩個系統(tǒng)，可以分別單獨運行。開發(fā)系統(tǒng)基于PC 機，建立在Windows 操作系統(tǒng)平臺之上，提供了PLC 應用程序的編寫及其編譯調(diào)試環(huán)境。開發(fā)系統(tǒng)與實時運行系統(tǒng)的通訊一般通過RS232 接口來實現(xiàn)。如果嵌入式操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡服務，也可以通過以太網(wǎng)、Modbus 或CAN 總線進行通訊。應用程序編寫完并編譯調(diào)試無誤后通過RS232 或TCP/IP 通信協(xié)議下載到嵌入式系統(tǒng)。實時運行系統(tǒng)則用于完成系統(tǒng)配置、輸入信號處理、循環(huán)調(diào)用PLC 程序及控制信號輸出等操作，并且可以通過現(xiàn)場總線或TCP/IP 通信協(xié)議與硬件層(I/O)實現(xiàn)通信。

　　為了更好地支持實時運行系統(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)為實時運行系統(tǒng)提供了啟動代碼、串行通訊接口、內(nèi)存操作(malloc/free)、ANSI 標準庫、1ms 的時鐘滴答、調(diào)試接口等服務。如果實時運行系統(tǒng)整合了相應的功能，系統(tǒng)也可以不引入操作系統(tǒng)。我們所采用的嵌入式實時系統(tǒng)體系結構如圖2所示，其實時操作系統(tǒng)采用VxWorks。

　　了其通信性能，實時能力大大提高，同時此結構具有完全開放性，高度兼容性，極佳的可擴展性，使得自動控制系統(tǒng)的設計不受硬件的限制，可以有效地提高PLC 的運行速度和可靠性，并且支持多任務的控制策略。另外相應的從嵌入式處理的設計與和BSP 改造方面，也做了相應的優(yōu)化處理。

　　3、基于PPC 的嵌入式處理器設計

　　VxWorks 系統(tǒng)運行在基于PPC 的MPC860 處理器上，并作了一些有關改造以適應實時PLC 的現(xiàn)場總線的通信要求。主要包括4 個主要模塊(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 位的外設和存儲器，同時SIU 提供功耗管理、復位控制、PowerPC減法器、PowerPC 時鐘基準以及實時時鐘等功能。其內(nèi)存控制器可以控制多達8 個存儲體，同時只需通過很少的電路就可實現(xiàn)與DRAM，SRAM，F(xiàn)lash 以及其它外圍設備的無縫連接，同時DRAM 接口支持8，16 和32 位的端口，DRAM 控制器提供頁模式下的突發(fā)傳送訪問;提供4 個16 位通用定時器或者2 個32 位定時器;同時系統(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、時鐘合成、實時時鐘、復位控制以及支持IEEE 1149.1 調(diào)試方式JTAG等。

通信處理模塊(CPM)具有更強大的通信處理能力，擁有獨立的簡單指令集通信處理器(RISC)，能夠完成低層次任務以及DMA 控制，使得PowerPC 內(nèi)核能夠空閑出來處理高層次的實時任務，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)總線的負荷。而FEC內(nèi)部接的收和發(fā)送FIFO 通過將所有的沖突碰撞局部化到FEC 內(nèi)部而進一步減輕總線的負荷。FEC 采用獨立的發(fā)送緩存描述符和接收緩存描述符來完成具體的收發(fā)存取?？芍С諱odbus，CAN，EIP 等現(xiàn)場總線的應用。