前言

　　可編程控制器(PLC)對機床開關量信號進行控制時可靠性高，使用方便，在大多數數控機床，特別是經濟型數控機床中，要求的輸入輸出點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Windows 的分時性，沒有考慮到實時環(huán)境的開發(fā)用途，其系統調用的效率不高，不能滿足數控系統高實時場合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，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、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域。

　　本文基于 VxWorks 操作系統，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結構特性以及多線程/多任務的系統環(huán)境來達到高實時要求的PLC 控制，在保證實時性的同時，實現多點位、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 總線的開關量輸入輸出接口卡，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 等非實時操作系統，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 控制都通過工控機由軟件來實現，不需要獨立的NC 控制器，減少了數控系統對硬件的依賴，有利于提高系統的開放性。I/O 輸入輸出信息通過PC 機I/O 接口卡實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。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 機系統資源，而開發(fā)和運行都采用的非實時多任務操作系統(如Windows，Linux)時，其設計沒有考慮到實時環(huán)境的開發(fā)用途，其系統調用的效率不高，數控系統PLC控制不能滿足一些高精度場合的實時性要求。

　　2、基于嵌入式系統的實時PLC 系統結構

　　嵌入式實時 PLC 系統，一般由開發(fā)系統和實時運行系統兩部分組成，是相互獨立而又密不可分的兩個系統，可以分別單獨運行。開發(fā)系統基于PC 機，建立在Windows 操作系統平臺之上，提供了PLC 應用程序的編寫及其編譯調試環(huán)境。開發(fā)系統與實時運行系統的通訊一般通過RS232 接口來實現。如果嵌入式操作系統提供網絡服務，也可以通過以太網、Modbus 或CAN 總線進行通訊。應用程序編寫完并編譯調試無誤后通過RS232 或TCP/IP 通信協議下載到嵌入式系統。實時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，并且可以通過現場總線或TCP/IP 通信協議與硬件層(I/O)實現通信。

　　為了更好地支持實時運行系統，嵌入式系統一般要引入操作系統，嵌入式操作系統(如Windows CE，VxWorks 等)為實時運行系統提供了啟動代碼、串行通訊接口、內存操作(malloc/free)、ANSI 標準庫、1ms 的時鐘滴答、調試接口等服務。如果實時運行系統整合了相應的功能，系統也可以不引入操作系統。我們所采用的嵌入式實時系統體系結構如圖2所示，其實時操作系統采用VxWorks。

　　了其通信性能，實時能力大大提高，同時此結構具有完全開放性，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 系統運行在基于PPC 的MPC860 處理器上，并作了一些有關改造以適應實時PLC 的現場總線的通信要求。主要包括4 個主要模塊(如圖3)：PowerPC 核心，系統接口單元(SIU)，通信處理模塊(CPM)和快速以太網控制器(FEC)。

　　系統接口單元(SIU)集成幾乎所有32-bit 處理器系統的常用功能。MPC860 采用32 位內部總線，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與DRAM，SRAM，Flash 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;同時系統集成單元集成了總線監(jiān)控、軟件看門狗、系統節(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 內核能夠空閑出來處理高層次的實時任務，從而降低了系統頻率，減少功耗。

　　內嵌的 FEC 模塊與IEEE 802.3 兼容，支持10-和100-Mbps 連接。不僅完成了以太網協議中的MAC 控制功能，并且使用了突發(fā)傳送DMA，從而減少了系統總線的負荷。而FEC內部接的收和發(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動程序的集合。BSP 是一個VxWorks 內核運行的基礎。4.1 BSP 與VxWorks 的層次關系在 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加電后初始化目標硬件，初始化OS，及提供部分硬件的驅動程序如時鐘、中斷、串口驅動等。其與內核、驅動程序及應用程序之間的關系如圖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，為上層提供統一接口。BSP中包括的驅動程序與具體的硬件相關，在移植到不同的硬件系統的時候，要修改相關的驅動。

　　4.2 VxWorks BSP 的特點

　　在眾多的商用嵌入式實時操作系統中，VxWorks 是使用極為廣泛的一種操作系統，它實時性強，占用空間小，提供豐富的網絡協議，有眾多的調試手段。

　　VxWorks 的BSP 可以按功能分為兩大部分。

　　1)目標系統的系統引導部分：主要是目標系統啟動時的硬件初始化，在目標系統上電后開始執(zhí)行，主要是配置處理器的工作狀態(tài)，初始化系統的內存等，這部分的程序一般只在系統引導時執(zhí)行，為操作系統運行提供硬件環(huán)境。

　　2)目標系統的設備驅動程序：主要是驅動目標系統配置的各種設備，包括字符型設備、塊存儲設備、網絡設備等，這些設備驅動程序完成對硬件的配置，操作系統通過設備驅動程序來訪問硬件，從而完成讀取數據和外界的交互等。

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

　　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;操作系統的初始化。

　　驅動程序部分：一般要包括時鐘、中斷、串口驅動。

　　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romStart 函數--romInit.s中的romInit()函數執(zhí)行完后跳轉到romStart()，執(zhí)行解壓縮，代碼/數據段從rom 拷到ram。

　　3)usrConfig.c：VxWorks 映像的主要初始化代碼。

　　/target/config/comps/vxworks：實時內核基本模塊描述(cdf)文件。

　　/target/config/comps/src：實時內核模塊配置文件。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 系統開發(fā)的硬件相關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、總結與展望

　　嵌入式系統已經成為歷史發(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)展自主產業(yè)的PLC。