基于VxWorks實(shí)時(shí)嵌入式PLC設計

前言

　　可編程控制器(PLC)對機床開(kāi)關(guān)量信號進(jìn)行控制時(shí)可靠性高，使用方便，在大多數數控機床，特別是經(jīng)濟型數控機床中，要求的輸入輸出點(diǎn)數不多的情況下得到廣泛應用。在兼用PC 機系統資源的情況下，采用Windows 的分時(shí)性，沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開(kāi)發(fā)用途，其系統調用的效率不高，不能滿(mǎn)足數控系統高實(shí)時(shí)場(chǎng)合PLC 控制的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)操作系統，目前以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域。

　　本文基于 VxWorks 操作系統，提出了基于VxWorks 的嵌入式實(shí)時(shí)PLC 設計的方法與應用，利用VxWorks 的開(kāi)放性、模塊化和可擴展性的系統結構特性以及多線(xiàn)程/多任務(wù)的系統環(huán)境來(lái)達到高實(shí)時(shí)要求的PLC 控制，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，實(shí)現多點(diǎn)位、復雜功能的PLC系統控制目標。

　　1、傳統 PLC 系統的結構

　　相比較傳統的的基于通用工業(yè) PC 的工業(yè)PLC，其數控系統嵌入式PLC 硬件包括：工控機及其外圍設備，基于ISA 總線(xiàn)的開(kāi)關(guān)量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。其結構如圖1 所示。

　　工控機采用 Windows 等非實(shí)時(shí)操作系統，數控系統的人機界面、數控代碼處理、軌跡劃、參數管理以及PLC 控制都通過(guò)工控機由軟件來(lái)實(shí)現，不需要獨立的NC 控制器，減少了數控系統對硬件的依賴(lài)，有利于提高系統的開(kāi)放性。I/O 輸入輸出信息通過(guò)PC 機I/O 接口卡實(shí)現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(xiàn)。雖然其相較最初的單片機的控制加入了工業(yè)PC 來(lái)拓展其開(kāi)放性，但是由于沒(méi)有充分利用PC 機系統資源，而開(kāi)發(fā)和運行都采用的非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(如Windows，Linux)時(shí)，其設計沒(méi)有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開(kāi)發(fā)用途，其系統調用的效率不高，數控系統PLC控制不能滿(mǎn)足一些高精度場(chǎng)合的實(shí)時(shí)性要求。

　　2、基于嵌入式系統的實(shí)時(shí)PLC 系統結構

　　嵌入式實(shí)時(shí) PLC 系統，一般由開(kāi)發(fā)系統和實(shí)時(shí)運行系統兩部分組成，是相互獨立而又密不可分的兩個(gè)系統，可以分別單獨運行。開(kāi)發(fā)系統基于PC 機，建立在Windows 操作系統平臺之上，提供了PLC 應用程序的編寫(xiě)及其編譯調試環(huán)境。開(kāi)發(fā)系統與實(shí)時(shí)運行系統的通訊一般通過(guò)RS232 接口來(lái)實(shí)現。如果嵌入式操作系統提供網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，也可以通過(guò)以太網(wǎng)、Modbus 或CAN 總線(xiàn)進(jìn)行通訊。應用程序編寫(xiě)完并編譯調試無(wú)誤后通過(guò)RS232 或TCP/IP 通信協(xié)議下載到嵌入式系統。實(shí)時(shí)運行系統則用于完成系統配置、輸入信號處理、循環(huán)調用PLC 程序及控制信號輸出等操作，并且可以通過(guò)現場(chǎng)總線(xiàn)或TCP/IP 通信協(xié)議與硬件層(I/O)實(shí)現通信。

　　為了更好地支持實(shí)時(shí)運行系統，嵌入式系統一般要引入操作系統，嵌入式操作系統(如Windows CE，VxWorks 等)為實(shí)時(shí)運行系統提供了啟動(dòng)代碼、串行通訊接口、內存操作(malloc/free)、ANSI 標準庫、1ms 的時(shí)鐘滴答、調試接口等服務(wù)。如果實(shí)時(shí)運行系統整合了相應的功能，系統也可以不引入操作系統。我們所采用的嵌入式實(shí)時(shí)系統體系結構如圖2所示，其實(shí)時(shí)操作系統采用VxWorks。

　　了其通信性能，實(shí)時(shí)能力大大提高，同時(shí)此結構具有完全開(kāi)放性，高度兼容性，極佳的可擴展性，使得自動(dòng)控制系統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(wù)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)改造以適應實(shí)時(shí)PLC 的現場(chǎng)總線(xiàn)的通信要求。主要包括4 個(gè)主要模塊(如圖3)：PowerPC 核心，系統接口單元(SIU)，通信處理模塊(CPM)和快速以太網(wǎng)控制器(FEC)。

　　系統接口單元(SIU)集成幾乎所有32-bit 處理器系統的常用功能。MPC860 采用32 位內部總線(xiàn)，可以支持8，16 或32 位的外設和存儲器，同時(shí)SIU 提供功耗管理、復位控制、PowerPC減法器、PowerPC 時(shí)鐘基準以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。其內存控制器可以控制多達8 個(gè)存儲體，同時(shí)只需通過(guò)很少的電路就可實(shí)現與DRAM，SRAM，Flash 以及其它外圍設備的無(wú)縫連接，同時(shí)DRAM 接口支持8，16 和32 位的端口，DRAM 控制器提供頁(yè)模式下的突發(fā)傳送訪(fǎng)問(wèn);提供4 個(gè)16 位通用定時(shí)器或者2 個(gè)32 位定時(shí)器;同時(shí)系統集成單元集成了總線(xiàn)監控、軟件看門(mén)狗、系統節電模式、時(shí)鐘合成、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、復位控制以及支持IEEE 1149.1 調試方式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(jiǎn)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 內核能夠空閑出來(lái)處理高層次的實(shí)時(shí)任務(wù)，從而降低了系統頻率，減少功耗。

　　內嵌的 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，從而減少了系統總線(xiàn)的負荷。而FEC內部接的收和發(fā)送FIFO 通過(guò)將所有的沖突碰撞局部化到FEC 內部而進(jìn)一步減輕總線(xiàn)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(lái)完成具體的收發(fā)存取?？芍С諱odbus，CAN，EIP 等現場(chǎng)總線(xiàn)的應用。