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[導讀]基于VxWorks實時嵌入式PLC設計

前言

  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用。在兼用PC 機系統(tǒng)資源的情況下,采用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 設計的方法與應用,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、復雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標。

  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操作系統(tǒng)(如Windows,Linux)時,其設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)絡服務,也可以通過以太網(wǎng)、Modbus 或CAN 總線進行通訊。應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 標準庫、1ms 的時鐘滴答、調(diào)試接口等服務。如果實時運行系統(tǒng)整合了相應的功能,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(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 位的外設和存儲器,同時SIU 提供功耗管理、復位控制、PowerPC減法器、PowerPC 時鐘基準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,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)部而進一步減輕總線的負荷。FEC 采用獨立的發(fā)送緩存描述符和接收緩存描述符來完成具體的收發(fā)存取??芍С諱odbus,CAN,EIP 等現(xiàn)場總線的應用。[!--empirenews.page--]

   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)目標系統(tǒng)的系統(tǒng)引導部分:主要是目標系統(tǒng)啟動時的硬件初始化,在目標系統(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)引導時執(zhí)行,為操作系統(tǒng)運行提供硬件環(huán)境。

  2)目標系統(tǒng)的設備驅(qū)動程序:主要是驅(qū)動目標系統(tǒng)配置的各種設備,包括字符型設備、塊存儲設備、網(wǎng)絡設備等,這些設備驅(qū)動程序完成對硬件的配置,操作系統(tǒng)通過設備驅(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。

  在實際應用中,為了獲得更好的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率,許多設備驅(qū)動程序會直接和應用程序捆綁在一起,而不是由操作系統(tǒng)來管理。

  4.3 BSP 的設計與修改

  WRS 提供了大量預制的,支持許多商業(yè)主版或*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ROM 映像的主要初始化和控制文件。

  2)bootInit.c:引導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,才能使程序運行達到比較高的效率。

     5、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,并且支持多任務的控制策略,對PLC 的性能有了很大的提高。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。

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