基于VxWorks的嵌入式实时PLC设计

随着数字信息技术和网络技术的高速发展，人类正步入一个崭新的后 PC 时代。这个时代的主要特点是嵌入式系统无处不在，并不断地向科研生产及人类生活的各个方面渗透。而可编程控制器(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，采用非实时多任务操作系统(如Windows)时，Win32 API 的设计可以满足多控制点复杂的数控功能要求，但由于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 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。而FEC内部接的收和发送FIFO 通过将所有的冲突碰撞局部化到FEC 内部而进一步减轻总线的负荷。FEC 采用独立的发送缓存描述符和接收缓存描述符来完成具体的收发存取。可支持Modbus，CAN，EIP 等现场总线的应用。

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。

4.2 VxWorks BSP 的特点

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。

VxWorks 的BSP 可以按功能分为两大部分。

1）目标系统的系统引导部分：主要是目标系统启动时的硬件初始化，在目标系统上电后开始执行，主要是配置处理器的工作状态，初始化系统的内存等，这部分的程序一般只在系统引导时执行，为操作系统运行提供硬件环境。

2）目标系统的设备驱动程序：主要是驱动目标系统配置的各种设备，包括字符型设备、块存储设备、网络设备等，这些设备驱动程序完成对硬件的配置，操作系统通过设备驱动程序来访问硬件，从而完成读取数据和外界的交互等。

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。

4.3 BSP 的设计与修改

WRS 提供了大量预制的，支持许多商业主版或评估板的BSP，减少了开发时间。
宏观来看，BSP 包括两部分：
初始化部分：CPU 初始化；目标板初始化；操作系统的初始化。
驱动程序部分：一般要包括时钟、中断、串口驱动。
具体来看，BSP 包括源文件、头文件、派生文件。主要需要修改VxWorks 源码中的以
下目录中：
/target/config/all
几个重要文件的功用如下：
1)bootConfig.c：引导ROM 映像的主要初始化和控制文件。
2)bootInit.c：引导ROM 映像的第二阶段的初始化代码。实现romStart 函数--romInit.s
中的romInit()函数执行完后跳转到romStart()，执行解压缩，代码/数据段从rom 拷到ram。
3)usrConfig.c：VxWorks 映像的主要初始化代码。
/target/config/comps/vxworks：实时内核基本模块描述（cdf）文件。
/target/config/comps/src：实时内核模块配置文件。供usrconfig.c 使用。
/target/config/bspname 该目录下的文件就是要编写的BSP 文件。
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、其他

另外，VxWorks 的多任务任务调度策略的实施也是实现嵌入式PLC 的一个关键点，确保高优先级任务在确定的时间内能被执行，并对外部的异步事件作出及时响应。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源。VxWorks系统提供了多处理器间和任务间高效的信号灯、消息队列、管道、网络透明的套接字。并具有实时系统的另一关键特性是硬件中断处理。为了获得快速可靠的中断响应，VxWorks 系统的中断服务程序（ISR）有自己的上下文。鉴于篇幅关系，在本文不做详细讨论。

6、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。

本文作者创新点：研究了于基于VxWorks 的嵌入式实时PLC 系统，并包含了处理器的优化和BSP 的改造，是对现行国内PLC 设计技术的一种拓展和补充。