摘要：本文基于VxWorks 系統(tǒng)探討和研究了嵌入式實時PLC 的設(shè)計方法，主要包括基于嵌入式系統(tǒng)的實時PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于PPC 的嵌入式處理器設(shè)計以及BSP 的改造等等關(guān)鍵技術(shù)，為工業(yè)PLC 設(shè)計提供了一個新的解決方案。
關(guān)鍵詞：PLC、VxWorks、實時

0、前言
隨著數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速發(fā)展，人類正步入一個嶄新的后 PC 時代。這個時代的主要特點是嵌入式系統(tǒng)無處不在，并不斷地向科研生產(chǎn)及人類生活的各個方面滲透。而可編程控制器(PLC)對機床開關(guān)量信號進(jìn)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(yīng)用。在兼用PC 機系統(tǒng)資源的情況下，采用非實時多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows)時，Win32 API 的設(shè)計可以滿足多控制點復(fù)雜的數(shù)控功能要求，但由于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(biāo)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(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實時性要求極高的領(lǐng)域。
本文基于 VxWorks 操作系統(tǒng)，提出了基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 設(shè)計的方法與應(yīng)用，利用VxWorks 的開放性、模塊化和可擴展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性以及多線程/多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)境來達(dá)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(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(wù)操作系統(tǒng)(如Windows，Linux)時，其設(shè)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(jié)構(gòu)
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(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(luò)服務(wù)，也可以通過以太網(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(biāo)準(zhǔn)庫、1ms 的時鐘滴答、調(diào)試接口等服務(wù)。如果實時運行系統(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時系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)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(wù)的控制策略。另外相應(yīng)的從嵌入式處理的設(shè)計與和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
VxWorks 系統(tǒng)運行在基于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(shè)和存儲器，同時SIU 提供功耗管理、復(fù)位控制、PowerPC減器、PowerPC 時鐘基準(zhǔn)以及實時時鐘等功能。其內(nèi)存控制器可以控制多達(dá)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(shè)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(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(wù)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(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。可支持Modbus，CAN，EIP 等現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
4、BSP 的改造
BSP 即Board Support Package，通常指針對具體的硬件平臺，用戶所編寫的啟動代碼和部分設(shè)備驅(qū)動程序的集合。BSP 是一個VxWorks 內(nèi)核運行的基礎(chǔ)。
4.1 BSP 與VxWorks 的層次關(guān)系
在 VxWorks 中，將BSP 簡單描述成介于底層硬件環(huán)境和VxWorks 之間的一個軟件接口。它的主要功能是系統(tǒng)加電后初始化目標(biāo)硬件，初始化OS，及提供部分硬件的驅(qū)動程序如時鐘、中斷、串口驅(qū)動等。其與內(nèi)核、驅(qū)動程序及應(yīng)用程序之間的關(guān)系如圖4：

如圖可見 BSP 為上層軟件與底層硬件之間進(jìn)行交互的橋梁，為上層提供統(tǒng)一接口。BSP中包括的驅(qū)動程序與具體的硬件相關(guān)，在移植到不同的硬件系統(tǒng)的時候，要修改相關(guān)的驅(qū)動。
4.2 VxWorks BSP 的特點在眾多的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)中，VxWorks 是使用極為廣泛的一種操作系統(tǒng)，它
實時性強，占用空間小，提供豐富的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，有眾多的調(diào)試手段。VxWorks 的BSP 可以按功能分為兩大部分。
1）目標(biāo)系統(tǒng)的系統(tǒng)引導(dǎo)部分：主要是目標(biāo)系統(tǒng)啟動時的硬件初始化，在目標(biāo)系統(tǒng)上電后開始執(zhí)行，主要是配置處理器的工作狀態(tài)，初始化系統(tǒng)的內(nèi)存等，這部分的程序一般只在系統(tǒng)引導(dǎo)時執(zhí)行，為操作系統(tǒng)運行提供硬件環(huán)境。
2）目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序：主要是驅(qū)動目標(biāo)系統(tǒng)配置的各種設(shè)備，包括字符型設(shè)備、塊存儲設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，這些設(shè)備驅(qū)動程序完成對硬件的配置，操作系統(tǒng)通過設(shè)備驅(qū)動程序來訪問硬件，從而完成讀取數(shù)據(jù)和外界的交互等。在實際應(yīng)用中，為了獲得更好的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率，許多設(shè)備驅(qū)動程序會直接和應(yīng)用程序捆綁在一起，而不是由操作系統(tǒng)來管理。
4.3 BSP 的設(shè)計與修改
WRS 提供了大量預(yù)制的，支持許多商業(yè)主版或評估板的BSP，減少了開發(fā)時間。
宏觀來看，BSP 包括兩部分：
初始化部分：CPU 初始化；目標(biāo)板初始化；操作系統(tǒng)的初始化。
驅(qū)動程序部分：一般要包括時鐘、中斷、串口驅(qū)動。
具體來看，BSP 包括源文件、頭文件、派生文件。主要需要修改VxWorks 源碼中的以
下目錄中：
/target/config/all
幾個重要文件的功用如下：
1)bootConfig.c：引導(dǎo)ROM 映像的主要初始化和控制文件。
2)bootInit.c：引導(dǎo)ROM 映像的第二階段的初始化代碼。實現(xiàn)romStart 函數(shù)--romInit.s
中的romInit()函數(shù)執(zhí)行完后跳轉(zhuǎn)到romStart()，執(zhí)行解壓縮，代碼/數(shù)據(jù)段從rom 拷到ram。
3)usrConfig.c：VxWorks 映像的主要初始化代碼。
/target/config/comps/vxworks：實時內(nèi)核基本模塊描述（cdf）文件。
/target/config/comps/src：實時內(nèi)核模塊配置文件。供usrconfig.c 使用。
/target/config/bspname 該目錄下的文件就是要編寫的BSP 文件。
由于 BSP 系統(tǒng)開發(fā)的硬件相關(guān)性和處理器系列的多樣性，不可能有一種通用的程序或方法來解決每一種處理器的BSP 問題，所以必須具體問題具體分析，不斷實踐，才能使程序運行達(dá)到比較高的效率。
5、其它
另外，VxWorks 的多任務(wù)任務(wù)調(diào)度策略的實施也是實現(xiàn)嵌入式PLC 的一個關(guān)鍵點，確保高優(yōu)先級任務(wù)在確定的時間內(nèi)能被執(zhí)行，并對外部的異步事件作出及時響應(yīng)。多任務(wù)環(huán)境允許一個實時應(yīng)用作為一系列獨立任務(wù)來運行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源。VxWorks系統(tǒng)提供了多處理器間和任務(wù)間高效的信號燈、消息隊列、管道、網(wǎng)絡(luò)透明的套接字。并具有實時系統(tǒng)的另一關(guān)鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得快速可靠的中斷響應(yīng)，VxWorks 系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序（ISR）有自己的上下文。鑒于篇幅關(guān)系，在本文不做詳細(xì)討論。
6、總結(jié)與展望
嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成為歷史發(fā)展的必然，其極佳的可擴展性，對多種硬件的支持，同時能夠提高PLC 的運行速度和可靠性，并且支持多任務(wù)的控制策略，對PLC 的性能有了很大的提高。通過現(xiàn)場運行調(diào)試，對現(xiàn)場I/O 設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到了預(yù)期的實時性要求，實現(xiàn)了通過現(xiàn)場總線或TCP/IP 通信協(xié)議與硬件層(I/O)高速的響應(yīng)目標(biāo)。新型的基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 具有很高的性能價格比，具有市場競爭優(yōu)勢，有助于我國PLC 企業(yè)發(fā)展本國市場，發(fā)展自主產(chǎn)業(yè)的PLC。

本文作者創(chuàng)新點：研究了于基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 系統(tǒng)，并包含了處理器的優(yōu)化BSP 的改造，是對現(xiàn)行國內(nèi)PLC 設(shè)計技術(shù)的一種拓展和補充。

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作者簡介：謝厚亮（1974-），男（漢族），張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師