IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)與ARM嵌入式控制系統(tǒng)

引 言
ARM是采用ARM公司技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)核的微處理器。其中ARM7是低功耗的32位核，具有小體積、低功耗、低成本而高性能的特點(diǎn)，在信息家電、工業(yè)控制和無(wú)線通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì))為工業(yè)控制軟件編程制定的第一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)所闡述的軟件設(shè)計(jì)概念、模型等，適應(yīng)了當(dāng)今世界軟件、工業(yè)控制系統(tǒng)的發(fā)展方向，是一種非常先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)。

友好的交互界面、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)功能、智能化的軟件、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理已成為現(xiàn)代測(cè)控系統(tǒng)的共同需求，因此，毆計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于ARM微處理器和IEC 6113l-3標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)很有意義。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)
控制系統(tǒng)是基于Atmel AT91M55800A微處理器進(jìn)行設(shè)計(jì)的。AT91M55800A是一款基于ARM7TDMI核的16／32位微控制器。其處理器核為高性能的32位RISC體系結(jié)構(gòu)；具有高密度的16位指令集和極低的功耗，片內(nèi)集成了8 KB SRAM、向量中斷控制器VIC、先進(jìn)電源管理控制器APMC和完全可編程的外部總線接口EBI；具有3個(gè)USART、58個(gè)可編程I／O線、6通道1 6位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器、8通道10位ADC和2路lO位DAC，為各種超低功耗應(yīng)用提供了一種高度靈活且高性價(jià)比的解決方案。

圖1是控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖。硬件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，易于裁剪。通信接口包括RS232串行通信接口、以太網(wǎng)接口和CAN總線接口。通過(guò)以太網(wǎng)口可以實(shí)現(xiàn)與工業(yè)以太網(wǎng)的互聯(lián)。結(jié)合ARM集成開發(fā)環(huán)境ADSl.2和在線調(diào)試工具M(jìn)ulti-ICE，通過(guò)JTAG調(diào)試接口和處理器內(nèi)嵌的Embedded ICE邏輯，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真和跟蹤調(diào)試。

1.2 系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)
(1)μC／OS-II的移植
控制系統(tǒng)要完成的工作足很復(fù)雜的，要管理的外設(shè)也很多，程序也越來(lái)越龐大，因此移植嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是必然的選擇。對(duì)小型實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，源代碼公開的、可固化可裁剪的，具有很好的可移植性、高穩(wěn)定性和高可靠性，具有可剝奪型內(nèi)核的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-II是很好的選擇。代碼簡(jiǎn)潔的μC／OS-II已經(jīng)應(yīng)用到智能儀表、信息家電、無(wú)線通信設(shè)備和工業(yè)機(jī)器人等嵌入式系統(tǒng)中。

μC／OS-II在AT9lM5800A處理器上移植比較簡(jiǎn)單，只須修改3個(gè)與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的文件――OS――CPU．H、OS_CPU_A．S和(OS_CPU_C．C，代碼量大約是500行。具體的移植過(guò)程不再詳述，網(wǎng)上有很多移植成功的范例可以參考。

(2)IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)軟件的應(yīng)用
IEC 6113l-3標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)際電工委員會(huì)(TEC)第一次為全世界工業(yè)控制制定的有關(guān)數(shù)字控制軟件技術(shù)的編程語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)，包括編程和公共元素兩部分內(nèi)容。公共元素描述了IEC61131-3五種編程語(yǔ)言(指令表、結(jié)構(gòu)化文本、梯形圖、功能塊圖和SFC)、IEC軟件模型以及通信模型中用到的全部公共編程元素的變量和數(shù)據(jù)類型；給出了如何命名這些軟件元素、聲明變量、變量及數(shù)據(jù)類型的初始化等規(guī)則，是實(shí)現(xiàn)IEC61131-3編程系統(tǒng)不可缺少的有機(jī)組成部分。編程部分描述了兩個(gè)重要模型：IEC軟件模型和通信模型。這兩個(gè)模型構(gòu)成了實(shí)現(xiàn)符合IEC61131-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的編程系統(tǒng)的概念基礎(chǔ)。

IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能和功能塊算法庫(kù)，而且用戶也可建立自己的算法庫(kù)。由于功能和功能算法庫(kù)都是用ANSI C語(yǔ)言編寫的，所以用戶的控制算法程序具有很好的可移植性和可重用性。

IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)軟件在基于AT9lM55800A的硬件平臺(tái)上的應(yīng)用就是把IEC運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)作為μC／OS-II的一個(gè)任務(wù)運(yùn)行，代碼如下：

2 串口通信程序設(shè)計(jì)
用戶在基于IEC6113l-3標(biāo)準(zhǔn)的編程系統(tǒng)中編寫好的程序，經(jīng)過(guò)編澤和鏈接后所生成的目標(biāo)代碼可以通過(guò)串口或以太網(wǎng)口下載到目標(biāo)系統(tǒng)(即控制系統(tǒng))中執(zhí)行。編程系統(tǒng)與目標(biāo)系統(tǒng)之間通信連接的選擇具有很大的靈活性，可以是RS232串口通信、以太網(wǎng)通信，或者是其他的通信方式。以下是基于AT9lM55800A的RS232串口通信程序設(shè)計(jì)的代碼。

在內(nèi)存中開辟數(shù)據(jù)接收／發(fā)送緩沖區(qū)：

最后編寫IEC運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)內(nèi)核與用戶程序之間的接口界面通信程序：

有了以上代碼，嵌入式控制系統(tǒng)就可接收從上位機(jī)下載的用戶IEC程序，同時(shí)上位機(jī)可對(duì)控制系統(tǒng)中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控。這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)還可發(fā)布到工業(yè)以太網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)信息共享。

結(jié)語(yǔ)
本文介紹了基于ARM和IEC6l131-3標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式實(shí)時(shí)測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)具有很好的開放性、可裁剪性和升級(jí)性。設(shè)計(jì)了RS232通信接口、以太網(wǎng)接口和CAN總線接口，可滿足現(xiàn)代工業(yè)控制的現(xiàn)場(chǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)化的需求。軟件編程采用了IEC6113l-3國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，使得開發(fā)出來(lái)的用戶程序具有很好的可移植性和可重用性。