基于VxWorks的嵌入式實(shí)時(shí)PLC設計

摘要：本文基于VxWorks 系統探討和研究了嵌入式實(shí)時(shí)PLC 的設計方法，主要包括基于嵌入式系統的實(shí)時(shí)PLC 系統結構，基于PPC 的嵌入式處理器設計以及BSP 的改造等等關(guān)鍵技術(shù)，為工業(yè)PLC 設計提供了一個(gè)新的解決方案。
關(guān)鍵詞：PLC、VxWorks、實(shí)時(shí)

0、前言
隨著(zhù)數字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的高速發(fā)展，人類(lèi)正步入一個(gè)嶄新的后 PC 時(shí)代。這個(gè)時(shí)代的主要特點(diǎn)是嵌入式系統無(wú)處不在，并不斷地向科研生產(chǎn)及人類(lèi)生活的各個(gè)方面滲透。而可編程控制器(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，采用非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(如Windows)時(shí)，Win32 API 的設計可以滿(mǎn)足多控制點(diǎn)復雜的數控功能要求，但由于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。