北京時間05月27日消息，中國觸摸屏網(wǎng)訊，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，Win32API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。
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WindowsCE，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：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減法器、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；
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