基于VxWorks实时嵌入式PLC设计

前言

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。在兼用PC 机系统资源的情况下，采用Windows 的分时性，没有考虑到实时环境的开发用途，其系统调用的效率不高，不能满足数控系统高实时场合PLC 控制的实时性要求。

VxWorks 作为一运行在目标机上的高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统，目前以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域。

本文基于 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。

工控机采用 Windows 等非实时操作系统，数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹划、参数管理以及PLC 控制都通过工控机由软件来实现，不需要独立的NC 控制器，减少了数控系统对硬件的依赖，有利于提高系统的开放性。I/O 输入输出信息通过PC 机I/O 接口卡实现主机与伺服接口模块和I/O 接口模块之间的信息交换，PC 机I/O 接口卡基于ISA或PCI 的总线。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控制不能满足一些高精度场合的实时性要求。

2、基于嵌入式系统的实时PLC 系统结构

嵌入式实时 PLC 系统，一般由开发系统和实时运行系统两部分组成，是相互独立而又密不可分的两个系统，可以分别单独运行。开发系统基于PC 机，建立在Windows 操作系统平台之上，提供了PLC 应用程序的编写及其编译调试环境。开发系统与实时运行系统的通讯一般通过RS232 接口来实现。如果嵌入式操作系统提供网络服务，也可以通过以太网、Modbus 或CAN 总线进行通讯。应用程序编写完并编译调试无误后通过RS232 或TCP/IP 通信协议下载到嵌入式系统。实时运行系统则用于完成系统配置、输入信号处理、循环调用PLC 程序及控制信号输出等操作，并且可以通过现场总线或TCP/IP 通信协议与硬件层(I/O)实现通信。

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。

了其通信性能，实时能力大大提高，同时此结构具有完全开放性，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。其内存控制器可以控制多达8 个存储体，同时只需通过很少的电路就可实现与DRAM，SRAM，Flash 以及其它外围设备的无缝连接，同时DRAM 接口支持8，16 和32 位的端口，DRAM 控制器提供页模式下的突发传送访问;提供4 个16 位通用定时器或者2 个32 位定时器;同时系统集成单元集成了总线监控、软件看门狗、系统节电模式、时钟合成、实时时钟、复位控制以及支持IEEE 1149.1 调试方式JTAG等。

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