基于DSP／BIOS的PLC執行系統開(kāi)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)內核的嵌入式處理器的軟PLC執行系統架構。首先，通過(guò)分析軟PLC執行系統的架構及工作原理，給出了基于DSP／BIOS的任務(wù)調度方案；其次，建立PLC指令的執行函數庫，確定PLC執行系統的運行流程：最后，對該PLC執行系統性能進(jìn)行的測試表明，基于嵌入式處理器的軟PLC執行系統能有效地彌補軟PLC在實(shí)時(shí)性及穩定性方面的不足，在自動(dòng)控制方面具有相當大的發(fā)展潛力。
關(guān)鍵詞：DSP／BIOS；軟PLC；執行系統；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(lèi)：傳統PLC與軟PLC。傳統PLC由于自身存在一些不足，例如封閉的硬件體系結構，主要由幾家廠(chǎng)商所壟斷，而軟PLC在開(kāi)放性及低成本方面潛力巨大，目前歐美等很多西方國家已經(jīng)把軟件PLC作為一個(gè)重點(diǎn)對象進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)。
傳統PLC具有硬實(shí)時(shí)性，正因為如此它才能提供快速、確定而可重復的響應。另一方面，由于軟PLC是基于PC而建立在一定的操作系統上，例如Windows NT，而這并不是一個(gè)硬實(shí)時(shí)的操作系統，這使得以PC為基礎的控制引擎實(shí)時(shí)性問(wèn)題成為制約軟PLC發(fā)展的主要因素之一。
針對軟PLC在實(shí)時(shí)性方面的不足，本項目采用基于嵌入式處理器的控制方案，軟PLC執行系統作為一個(gè)任務(wù)在控制器固件內。美國TI公司推出的C6000系列數字信號處理器(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平臺所設計開(kāi)發(fā)的一個(gè)尺寸可裁剪的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統內核DSP／BIOS，提供搶占式多線(xiàn)程、硬件抽象、實(shí)時(shí)分析和配置工具，可實(shí)現實(shí)時(shí)線(xiàn)程調度與同步、主機與目標DSP間通信或實(shí)時(shí)監測。DSP是串行控制的，運算速度快?；贒SP／BIOS實(shí)時(shí)內核的PLC執行系統，具有相當好的實(shí)時(shí)性及穩定性。下面著(zhù)重介紹其設計及實(shí)現方法。

1 軟PLC的設計規劃
1．1 軟PLC的架構分析
由PLC執行系統控制的PLC程序劃分為一級程序和二級程序，它們的執行周期不一致。一級程序每8 ms執行一次，處理響應快的短脈沖信號，例如外部的操作面板信號和報警信號，在程序末尾自動(dòng)給出結束標記END1。二級程序為一般的PLC指令，每8n ms執行一次，n為第二級程序的分割數。在開(kāi)始執行二級程序時(shí)，PLC執行系統模塊會(huì )根據執行程序所需要的時(shí)間自動(dòng)把二級程序分割成n塊，每個(gè)8 ms只執行其中一塊，并在二級程序結束時(shí)自動(dòng)給出結束標記END2。
1．2 PLC執行系統的工作原理
PLC采用循環(huán)掃描方式工作，首先進(jìn)行系統初始化，然后進(jìn)入循環(huán)工作過(guò)程包括輸入采樣、PLC指令執行及輸出刷新幾個(gè)階段，其基本流程如圖1所示。

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