嵌入式Vxworks实时PLC设计方案

发布时间：2014-01-14 阅读量：859 来源: 发布人:

【导读】可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制时可靠性高，使用方便，在大多数数控机床，特别是经济型数控机床中，要求的输入输出点数不多的情况下得到广泛应用。windows不能满足控制领域的实时特点，因此Vxworks为系统平台首选。

本方案基于 VxWorks 操作系统，提出了基于VxWorks 的嵌入式实时PLC 设计的方法与应用，利用VxWorks 的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性以及多线程/多任务的系统环境来达到高实时要求的PLC 控制，在保证实时性的同时，实现多点位、复杂功能的PLC系统控制目标。

1、传统 PLC 系统的结构

相比较传统的的基于通用工业 PC 的工业PLC，其数控系统嵌入式PLC 硬件包括：工控机及其外围设备，基于ISA 总线的开关量输入输出接口卡，光电隔离模块，继电器输出模块。其结构如图1 所示。

虽然其相较最初的单片机的控制加入了工业PC 来拓展其开放性，但是由于没有充分利用PC 机系统资源，而开发和运行都采用的非实时多任务操作系统(如Windows，Linux)时，其设计没有考虑到实时环境的开发用途，其系统调用的效率不高，数控系统PLC无法满足实时控制要求。

2、基于嵌入式系统的实时PLC 系统结构

为了更好地支持实时运行系统，嵌入式系统一般要引入操作系统，嵌入式操作系统(如Windows CE，VxWorks 等)为实时运行系统提供了启动代码、串行通讯接口、内存操作(malloc/free)、ANSI 标准库、1ms 的时钟滴答、调试接口等服务。如果实时运行系统整合了相应的功能，系统也可以不引入操作系统。我们所采用的嵌入式实时系统体系结构如图2所示，其实时操作系统采用VxWorks。

此结构实时性很高，具有完全开放性，高度兼容性，极佳的可扩展性，使得自动控制系统的设计不受硬件的限制，可以有效地提高PLC 的运行速度和可靠性，并且支持多任务的控制策略。另外相应的从嵌入式处理的设计与和BSP 改造方面，也做了相应的优化处理。

3、基于PPC 的嵌入式处理器设计

VxWorks 系统运行在基于PPC 的MPC860 处理器上，并作了一些有关改造以适应实时PLC 的现场总线的通信要求。主要包括4 个主要模块（如图3）：PowerPC 核心，系统接口单元(SIU)，通信处理模块(CPM)和快速以太网控制器(FEC)。

系统接口单元(SIU)集成几乎所有32-bit 处理器系统的常用功能。MPC860 采用32 位内部总线，可以支持8，16 或32 位的外设和存储器，同时SIU 提供功耗管理、复位控制、PowerPC减法器、PowerPC 时钟基准以及实时时钟等功能。

通信处理模块(CPM)具有更强大的通信处理能力，拥有独立的简单指令集通信处理器(RISC)，能够完成低层次任务以及DMA 控制，使得PowerPC 内核能够空闲出来处理高层次的实时任务，从而降低了系统频率，减少功耗。

内嵌的 FEC 模块与IEEE 802.3 兼容，支持10-和100-Mbps 连接。不仅完成了以太网协议中的MAC 控制功能，并且使用了突发传送DMA，从而减少了系统总线的负荷。

4、BSP 的改造

BSP 即Board Support Package，通常指针对具体的硬件平台，用户所编写的启动代码和部分设备驱动程序的集合。BSP 是一个VxWorks 内核运行的基础。4.1 BSP 与VxWorks 的层次关系在 VxWorks 中，将BSP 简单描述成介于底层硬件环境和VxWorks 之间的一个软件接口。它的主要功能是系统加电后初始化目标硬件，初始化OS，及提供部分硬件的驱动程序如时钟、中断、串口驱动等。其与内核、驱动程序及应用程序之间的关系如图4：

如图可见 BSP 为上层软件与底层硬件之间进行交互的桥梁，为上层提供统一接口。BSP中包括的驱动程序与具体的硬件相关，在移植到不同的硬件系统的时候，要修改相关的驱动。

在众多的商用嵌入式实时操作系统中，VxWorks 是使用极为广泛的一种操作系统，它实时性强，占用空间小，提供丰富的网络协议，有众多的调试手段。在实际应用中，为了获得更好的稳定性和执行效率，许多设备驱动程序会直接和应用程序捆绑在一起，而不是由操作系统来管理。

由于BSP 系统开发的硬件相关性和处理器系列的多样性，不可能有一种通用的程序或方法来解决每一种处理器的BSP 问题，所以必须具体问题具体分析，不断实践，才能使程序运行达到比较高的效率。

5、总结与展望

嵌入式系统已经成为历史发展的必然，其极佳的可扩展性，对多种硬件的支持，同时能够提高PLC 的运行速度和可靠性，并且支持多任务的控制策略，对PLC 的性能有了很大的提高。通过现场运行调试，对现场I/O 设备进行监控，达到了预期的实时性要求，实现了通过现场总线或TCP/IP 通信协议与硬件层(I/O)高速的响应目标。新型的基于VxWorks 的嵌入式实时PLC 具有很高的性能价格比，具有市场竞争优势，有助于我国PLC 企业发展本国市场，发展自主产业的PLC。

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