基于DSP／BIOS的PLC執(zhí)行系統(tǒng)開發(fā)

摘要：分析了目前軟PLC在實(shí)時(shí)性方面存在的不足；提出采用基于DSP／BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核的嵌入式處理器的軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)架構(gòu)。首先，通過分析軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)的架構(gòu)及工作原理，給出了基于DSP／BIOS的任務(wù)調(diào)度方案；其次，建立PLC指令的執(zhí)行函數(shù)庫(kù)，確定PLC執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)行流程：最后，對(duì)該P(yáng)LC執(zhí)行系統(tǒng)性能進(jìn)行的測(cè)試表明，基于嵌入式處理器的軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)能有效地彌補(bǔ)軟PLC在實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性方面的不足，在自動(dòng)控制方面具有相當(dāng)大的發(fā)展?jié)摿Α?br />關(guān)鍵詞：DSP／BIOS；軟PLC；執(zhí)行系統(tǒng)；嵌入式處理器

目前工控領(lǐng)域中廣泛使用的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)大概可以分為兩類：傳統(tǒng)PLC與軟PLC。傳統(tǒng)PLC由于自身存在一些不足，例如封閉的硬件體系結(jié)構(gòu)，主要由幾家廠商所壟斷，而軟PLC在開放性及低成本方面潛力巨大，目前歐美等很多西方國(guó)家已經(jīng)把軟件PLC作為一個(gè)重點(diǎn)對(duì)象進(jìn)行研究開發(fā)。
傳統(tǒng)PLC具有硬實(shí)時(shí)性，正因?yàn)槿绱怂拍芴峁┛焖?、確定而可重復(fù)的響應(yīng)。另一方面，由于軟PLC是基于PC而建立在一定的操作系統(tǒng)上，例如Windows NT，而這并不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)，這使得以PC為基礎(chǔ)的控制引擎實(shí)時(shí)性問題成為制約軟PLC發(fā)展的主要因素之一。
針對(duì)軟PLC在實(shí)時(shí)性方面的不足，本項(xiàng)目采用基于嵌入式處理器的控制方案，軟PLC執(zhí)行系統(tǒng)作為一個(gè)任務(wù)在控制器固件內(nèi)。美國(guó)TI公司推出的C6000系列數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor)具有很高的處理能力，特別是為其TMS320C6000TM、TMS320C5000TM和TMS320 C28xTM系列DSP平臺(tái)所設(shè)計(jì)開發(fā)的一個(gè)尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)內(nèi)核DSP／BIOS，提供搶占式多線程、硬件抽象、實(shí)時(shí)分析和配置工具，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)線程調(diào)度與同步、主機(jī)與目標(biāo)DSP間通信或?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)。DSP是串行控制的，運(yùn)算速度快?；贒SP／BIOS實(shí)時(shí)內(nèi)核的PLC執(zhí)行系統(tǒng)，具有相當(dāng)好的實(shí)時(shí)性及穩(wěn)定性。下面著重介紹其設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)方法。

1 軟PLC的設(shè)計(jì)規(guī)劃
1．1 軟PLC的架構(gòu)分析
由PLC執(zhí)行系統(tǒng)控制的PLC程序劃分為一級(jí)程序和二級(jí)程序，它們的執(zhí)行周期不一致。一級(jí)程序每8 ms執(zhí)行一次，處理響應(yīng)快的短脈沖信號(hào)，例如外部的操作面板信號(hào)和報(bào)警信號(hào)，在程序末尾自動(dòng)給出結(jié)束標(biāo)記END1。二級(jí)程序?yàn)橐话愕腜LC指令，每8n ms執(zhí)行一次，n為第二級(jí)程序的分割數(shù)。在開始執(zhí)行二級(jí)程序時(shí)，PLC執(zhí)行系統(tǒng)模塊會(huì)根據(jù)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間自動(dòng)把二級(jí)程序分割成n塊，每個(gè)8 ms只執(zhí)行其中一塊，并在二級(jí)程序結(jié)束時(shí)自動(dòng)給出結(jié)束標(biāo)記END2。
1．2 PLC執(zhí)行系統(tǒng)的工作原理
PLC采用循環(huán)掃描方式工作，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后進(jìn)入循環(huán)工作過程包括輸入采樣、PLC指令執(zhí)行及輸出刷新幾個(gè)階段，其基本流程如圖1所示。

1)系統(tǒng)初始化：在循環(huán)執(zhí)行PLC程序前，首先要進(jìn)行執(zhí)行系統(tǒng)的初始化，包括參數(shù)的輸入及變量初值的設(shè)置；2)輸入的采樣：每次執(zhí)行PLC程序時(shí)，要讀取外部輸入狀態(tài)至緩沖區(qū)中，以備后面程序查詢；3)執(zhí)行用戶PLC程序：執(zhí)行用戶程序，就是CPU從PLC程序的首地址開始按順序逐個(gè)執(zhí)行編譯后的PLC指令，過程結(jié)果暫存在相應(yīng)的寄存器內(nèi)；4)輸出的刷新：執(zhí)行完用戶程序后，需要把處理后需要輸出的結(jié)果進(jìn)行外部輸出。由于PLC控制的對(duì)象大都是變化緩慢的信號(hào)，而PLC每次掃描輸入和邏輯運(yùn)算的時(shí)間很短，本PLC執(zhí)行系統(tǒng)設(shè)定為每執(zhí)行一個(gè)循環(huán)，就進(jìn)行一遍輸出的刷新。
1．3 DSP／BIOS的線程調(diào)度
文中的PLC執(zhí)行系統(tǒng)的開發(fā)均在TI公司提供的集成開發(fā)環(huán)境CCS(Code Composer Studio)中進(jìn)行，CCS不僅集成了常規(guī)的開發(fā)工具，如源程序編輯器、代碼生成工具及調(diào)試環(huán)境，還提供DSP／BIOS開發(fā)工具。DSP／BIOS是一個(gè)精簡(jiǎn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)功能。它提供搶占式多線程，支持多種不同優(yōu)先級(jí)，每種線程都有不同的執(zhí)行和搶占特性，分別是硬件中斷(HWI)包括時(shí)鐘函數(shù)(CLK)、軟件中斷(SWI)包括周期函數(shù)(PRD)、任務(wù)線程(TSK)、后臺(tái)線程(IDL)。線程類型的選取原則：HW1只用來處理對(duì)時(shí)間要求苛刻的關(guān)鍵任務(wù)；SWI用來處理相對(duì)獨(dú)立的函數(shù)，如果算法要求比較復(fù)雜則使用TSK。TSK提供了很多任務(wù)通信和同步的手段，并且擁有自己獨(dú)立的堆棧，因此比SWI更靈活。IDL用于執(zhí)行與時(shí)間無關(guān)的非關(guān)鍵任務(wù)。
在DSP／BIOS線程調(diào)度中，硬件中斷與軟件中斷的高優(yōu)先級(jí)線程可以暫停運(yùn)行中的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)，而高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)線程必須用特定的API才能搶占當(dāng)前運(yùn)行的低優(yōu)先級(jí)任務(wù)線程，且只有任務(wù)線程才能暫停狀態(tài)。基于PLC執(zhí)行是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行過程，且與其它運(yùn)動(dòng)線程有復(fù)雜的通訊交互，本執(zhí)行系統(tǒng)將其建立為一任務(wù)線程，由DSP／BIOS實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。