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嵌入式Vxworks实时PLC设计方案

嵌入式Vxworks实时PLC设计方案
来源:我爱方案网 时间:2014-01-15

【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。

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,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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