嵌入式系统硬件平台的软件PLC实现方法

　　1 嵌入式软PLC的总体结构

　　嵌入式软PLC与嵌入式系统共享一个CPU，PLC和嵌入式系统之间没有多余的导线连接，增加了系统的可靠性，易于实现许多高级功能。PLC中的信息也能通过嵌入式系统的显示屏显示，通过嵌入式系统的编辑键可方便地对PLC进行编辑操作。

　　1．1 嵌入式软PLC的硬件结构

　　外部输入的开关量经过光电隔离后连接到FPGA的I／O口，通过FPGA地址译码，FPGA通过数据地址总线与CPU相连。这样CPU就可以通过数据地址总线获得和设置输入量的工作状态，硬件原理框图如图1所示。

　　1．2 嵌入式软PLC的软件结构

　　嵌入式软PLC程序包括两类：一类是编辑状态，实现PLC程序的输入和编译功能；另一类是面向生产过程的应用程序。系统软件结构由4部分组成，分别是编辑模块、编译模块、执行模块和监控模块。软件PLC系统模块间的数据流程如图2所示。

　　2 系统关键组成部分的设计与实现

　　2．1 梯形图编辑器

　　Qt／Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech推出的面向嵌入式系统的Qt版本。Qt／Embedded具有可移植性强和支持跨平台开发等优点。本系统采用Qt编写界面，梯形图编辑器的界面如图3所示。

　　2．1．1 梯形图的数据结构设计

　　梯形图编辑具有方便、逻辑直观的特点，梯形图编辑器借助于梯形图的内部数据结构来实现显示、插入、删除、代码转化等功能。

　　PLC语言中，各种元素包括单个节点(如常开触点、常闭触点等)和逻辑块(如与逻辑块、或逻辑块)，它们都含有相同的操作，如插入、删除、绘图等。可以把组成梯级的各个逻辑块看成组成梯级的各个部分，把组成逻辑块的子逻辑块和单个节点看成是组成逻辑块的各个部分，符合"部分一整体"的层次结构。可以采用面向对象的设计思想，使用composite模式递归地创建树状结构。使用组合结构，能够把相同的操作应用在组合和个别的对象上。大多数情况下，可以忽略对象组合和个别对象之间的差别，简化程序代码，增强了软件的可维护性。采用composite模式的类图如图4所示。

　　图中：LadderElement是一个抽象类，为组合对象的接口。代表梯形图语言的任何一个图形元素，它既可以代表元件又可以代表逻辑块，在适当的情况下可以实现所有类共同的缺省行为，如绘图和代码转换等；LadderCell为所有元件类(如常开触点、常闭触点、输出、置位、复位)的基类；LadderBlock为所有逻辑块(如与逻辑块类、或逻辑块类等)的基类。

　　图5为一个梯级和它对应的数据结构，OrBlock为或逻辑块类的对象，AndBloek为与逻辑块类的对象，Rung为梯级类的对象。

　　此外，为了能够方便地进行绘图和编辑，引入了一个空元件类。它的作用是梯形图中的水平连接线，实现方法是继承LadderCell类，重新实现成员函数Draw()来画一条水平的线段。

　　2．1．2 编辑功能的设计与实现

　　定义结构体：

　　将屏幕分割成一定数目的小的区域，并创建含有相同数目的二维数组。当绘制元件时，将元件、元件所在的逻辑块和元件所在的梯级指针保存到数组中，通过光标在屏幕上的坐标可以获得二维数组的下标，从而可以获得光标所在的元件、逻辑块和梯级在内存中与之相对应的对象。

　　梯形图的编辑通过改变其在内存中的数据结构来实现，在数据结构被改变后，重新绘图。对梯形图的编辑包括：插入元件、插入分支、插入梯级、删除元件和删除梯级等。篇幅所限只作简要介绍。

　　删除元件：删除LadderBlock中的一个元件Ladder一Cell(A)后，如果LadderBlock中只剩下一个LadderCell(B)时，LadderCell(B)取代LadderBlock的位置，插入到LadderBlock的父LadderBlock中；如果LadderBlock中只剩下一个LadderBlock(B)，则将LadderBlock(B)的所有LadderElement插入到LadderBlock的父LadderBlock中。图5中的梯级删除元件X004后梯形图和其数据结构变为图6所示的情况。

　　插入分支：通过光标在屏幕上两次选择分支的起始和结束位置，这两个位置必须属于同一个AndBlock(A)。起始和结束位置选择后，将两个位置间的LadderElement作为分支构成一个AndBlock(B)并计算出AndBlock(B)所占的列数n，然后新建一个表示插入分支的AndBlock(C)，AndBlock(C)中插入n个空元件。建一个OrBlock并将AndBlock(B)和AndBlock(C)插入到0rBlock中。OrBlock即表示插入分支后的或逻辑块。OrBlock取代两次选中之间的元素在它们的父逻辑块中的位置，然后根据修改后的数据结构画图得到插入分支后的梯形图。图7为在M001和X006插入分支前后梯形图的变化。

　　2．2 指令表编译器的设计与实现

　　实现对PLC编程语言的高效、可靠的编译，是研制开发嵌入式PLC系统的一项关键性任务。传统的开发方法是用高级语言自行开发专用的PLC指令编译器，需要对每个程序字和程序规则编写识别和相应的处理程序，工作量大、开发周期长，容易产生疏漏，可维护性很差。为了提高软件的开发效率，保证软件质量，增强软件的可维护性，采用通用编译工具Lex8LYacc开发PLC指令编译器。