基于VxWorks的嵌入式實(shí)時(shí)PLC設(shè)計(jì)

 0、前言

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(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(tǒng)無處不在，并不斷地向科研生產(chǎn)及人類生活的各個(gè)方面滲透。而可編程控制器(PLC)對機(jī)床開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制時(shí)可靠性高，使用方便，在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床，特別是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，要求的輸入輸出點(diǎn)數(shù)不多的情況下得到廣泛應(yīng)用。在兼用PC 機(jī)系統(tǒng)資源的情況下，采用非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows)時(shí)，Win32 API 的設(shè)計(jì)可以滿足多控制點(diǎn)復(fù)雜的數(shù)控功能要求，但由于Windows 的分時(shí)性，沒有考慮到實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)場合PLC 控制的實(shí)時(shí)性要求。

VxWorks 作為一運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，目前以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)PLC 設(shè)計(jì)的方法與應(yīng)用，利用VxWorks 的開放性、模塊化和可擴(kuò)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(dá)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(xiàn)多點(diǎn)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(jī)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。其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

工控機(jī)采用 Windows 等非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)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(jī)由軟件來實(shí)現(xiàn)，不需要獨(dú)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(jī)I/O 接口卡實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服接口模塊和I/O 接口模塊之間的信息交換，PC 機(jī)I/O 接口卡基于ISA或PCI 的總線。雖然其相較最初的單片機(jī)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(jī)系統(tǒng)資源，而開發(fā)和運(yùn)行都采用的非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)(如Windows，Linux)時(shí)，其設(shè)計(jì)沒有考慮到實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求。

2、基于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)PLC 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

嵌入式實(shí)時(shí) PLC 系統(tǒng)，一般由開發(fā)系統(tǒng)和實(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)兩部分組成，是相互獨(dú)立而又密不可分的兩個(gè)系統(tǒng)，可以分別單獨(dú)運(yùn)行。開發(fā)系統(tǒng)基于PC 機(jī)，建立在Windows 操作系統(tǒng)平臺(tái)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(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)的通訊一般通過RS232 接口來實(shí)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(jìn)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(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)則用于完成系統(tǒng)配置、輸入信號(hào)處理、循環(huán)調(diào)用PLC 程序及控制信號(hào)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(shí)現(xiàn)通信。

為了更好地支持實(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)時(shí)運(yùn)行系統(tǒng)提供了啟動(dòng)代碼、串行通訊接口、內(nèi)存操作(malloc/free)、ANSI 標(biāo)準(zhǔn)庫、1ms 的時(shí)鐘滴答、調(diào)試接口等服務(wù)。如果實(shí)時(shí)運(yùn)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(shí)時(shí)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，其實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用VxWorks。

了其通信性能，實(shí)時(shí)能力大大提高，同時(shí)此結(jié)構(gòu)具有完全開放性，高度兼容性，極佳的可擴(kuò)展性，使得自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不受硬件的限制，可以有效地提高PLC 的運(yùn)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(jì)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(jì)

VxWorks 系統(tǒng)運(yùn)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(shí)時(shí)PLC 的現(xiàn)場總線的通信要求。主要包括4 個(gè)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(shè)和存儲(chǔ)器，同時(shí)SIU 提供功耗管理、復(fù)位控制、PowerPC減法器、PowerPC 時(shí)鐘基準(zhǔn)以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘等功能。其內(nèi)存控制器可以控制多達(dá)8 個(gè)存儲(chǔ)體，同時(shí)只需通過很少的電路就可實(shí)現(xiàn)與DRAM，SRAM，F(xiàn)lash 以及其它外圍設(shè)備的無縫連接，同時(shí)DRAM 接口支持8，16 和32 位的端口，DRAM 控制器提供頁模式下的突發(fā)傳送訪問;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(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(shí)鐘合成、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、復(fù)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(qiáng)大的通信處理能力，擁有獨(dú)立的簡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(nèi)核能夠空閑出來處理高層次的實(shí)時(shí)任務(wù)，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(fù)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(jìn)一步減輕總線的負(fù)荷。FEC 采用獨(dú)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(yīng)用。

4、BSP 的改造

BSP 即Board Support Package，通常指針對具體的硬件平臺(tái)，用戶所編寫的啟動(dòng)代碼和部分設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的集合。BSP 是一個(gè)VxWorks 內(nèi)核運(yùn)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(gè)軟件接口。它的主要功能是系統(tǒng)加電后初始化目標(biāo)硬件，初始化OS，及提供部分硬件的驅(qū)動(dòng)程序如時(shí)鐘、中斷、串口驅(qū)動(dòng)等。其與內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)程序及應(yīng)用程序之間的關(guān)系如圖4：[!--empirenews.page--]

如圖可見 BSP 為上層軟件與底層硬件之間進(jìn)行交互的橋梁，為上層提供統(tǒng)一接口。BSP中包括的驅(qū)動(dòng)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(shí)候，要修改相關(guān)的驅(qū)動(dòng)。

4.2 VxWorks BSP 的特點(diǎn)

在眾多的商用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，VxWorks 是使用極為廣泛的一種操作系統(tǒng)，它實(shí)時(shí)性強(qiáng)，占用空間小，提供豐富的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)系統(tǒng)的系統(tǒng)引導(dǎo)部分：主要是目標(biāo)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)的硬件初始化，在目標(biāo)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(dǎo)時(shí)執(zhí)行，為操作系統(tǒng)運(yùn)行提供硬件環(huán)境。

2)目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：主要是驅(qū)動(dòng)目標(biāo)系統(tǒng)配置的各種設(shè)備，包括字符型設(shè)備、塊存儲(chǔ)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，這些設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序完成對硬件的配置，操作系統(tǒng)通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(shí)際應(yīng)用中，為了獲得更好的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率，許多設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序會(huì)直接和應(yīng)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(shè)計(jì)與修改

WRS 提供了大量預(yù)制的，支持許多商業(yè)主版或*估板的BSP，減少了開發(fā)時(shí)間。

宏觀來看，BSP 包括兩部分：

初始化部分：CPU 初始化;目標(biāo)板初始化;操作系統(tǒng)的初始化。

驅(qū)動(dòng)程序部分：一般要包括時(shí)鐘、中斷、串口驅(qū)動(dòng)。

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(gè)重要文件的功用如下：

1)bootConfig.c：引導(dǎo)ROM 映像的主要初始化和控制文件。

2)bootInit.c：引導(dǎo)ROM 映像的第二階段的初始化代碼。實(shí)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(shí)時(shí)內(nèi)核基本模塊描述(cdf)文件。

/target/config/comps/src：實(shí)時(shí)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(shí)踐，才能使程序運(yùn)行達(dá)到比較高的效率。

5、其它

另外，VxWorks 的多任務(wù)任務(wù)調(diào)度策略的實(shí)施也是實(shí)現(xiàn)嵌入式PLC 的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，確保高優(yōu)先級(jí)任務(wù)在確定的時(shí)間內(nèi)能被執(zhí)行，并對外部的異步事件作出及時(shí)響應(yīng)。多任務(wù)環(huán)境允許一個(gè)實(shí)時(shí)應(yīng)用作為一系列獨(dú)立任務(wù)來運(yùn)行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源。VxWorks系統(tǒng)提供了多處理器間和任務(wù)間高效的信號(hào)燈、消息隊(duì)列、管道、網(wǎng)絡(luò)透明的套接字。并具有實(shí)時(shí)系統(tǒng)的另一關(guān)鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得快速可靠的中斷響應(yīng)，VxWorks 系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序(ISR)有自己的上下文。鑒于篇幅關(guān)系，在本文不做詳細(xì)討論。

6、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(kuò)展性，對多種硬件的支持，同時(shí)能夠提高PLC 的運(yùn)行速度和可靠性，并且支持多任務(wù)的控制策略，對PLC 的性能有了很大的提高。通過現(xiàn)場運(yùn)行調(diào)試，對現(xiàn)場I/O 設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到了預(yù)期的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)了通過現(xiàn)場總線或TCP/IP 通信協(xié)議與硬件層(I/O)高速的響應(yīng)目標(biāo)。新型的基于VxWorks 的嵌入式實(shí)時(shí)PLC 具有很高的性能價(jià)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。