可編程控制器(PLC" title="PLC">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(yīng)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" title="VxWorks">VxWorks作為一運行在目標(biāo)機上的高性能、可裁減的嵌入式" title="嵌入式">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(yīng)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(shè)計的方法與應(yīng)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(wù)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(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(wù)操作系統(tǒng)(如Windows,，Linux)時,，其設(shè)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(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(luò)服務(wù)，也可以通過以太網(wǎng),、Modbus或CAN總線進行通訊。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WindowsCE,，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(biāo)準庫、1ms的時鐘滴答,、調(diào)試接口等服務(wù),。如果實時運行系統(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(shè)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(yīng)的從嵌入式處理的設(shè)計與和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
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(yīng)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(shè)和存儲器,，同時SIU提供功耗管理,、復(fù)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(shè)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(fù)位控制以及支持IEEE1149.1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(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時任務(wù)，從而降低了系統(tǒng)頻率,，減少功耗,。
內(nèi)嵌的FEC模塊與IEEE802.3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,。可支持Modbus,，CAN,，EIP等現(xiàn)場總線的應(yīng)用。
4,、BSP的改造
BSP即BoardSupportPackage,，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(shè)備驅(qū)動程序的集合,。BSP是一個VxWorks內(nèi)核運行的基礎(chǔ),。4.1BSP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(biāo)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(yīng)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,。
4.2VxWorksBSP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(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)啟動時的硬件初始化，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)時執(zhí)行,，為操作系統(tǒng)運行提供硬件環(huán)境,。
2)目標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序：主要是驅(qū)動目標(biāo)系統(tǒng)配置的各種設(shè)備,，包括字符型設(shè)備、塊存儲設(shè)備,、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等,，這些設(shè)備驅(qū)動程序完成對硬件的配置，操作系統(tǒng)通過設(shè)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(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)動程序會直接和應(yīng)用程序捆綁在一起,，而不是由操作系統(tǒng)來管理。
4.3BSP的設(shè)計與修改
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(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(wù)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,。