采用VxWorks嵌入式操作系統(tǒng)實現(xiàn)MB系列智能可編程控制器的軟硬件設(shè)計

1、引言

可編程控制器在PLC長期的使用過程中也逐漸暴露出了諸如開出回路簡單;通信擴展能力差;梯形圖語言編程煩瑣;調(diào)試不夠方便等技術(shù)局限。伴隨著計算機技術(shù)、信息技術(shù)及工業(yè)控制技術(shù)的飛速發(fā)展，對PLC的發(fā)展提出了更高要求，主要體現(xiàn)在：需要更高功能、更快速度、更大容量的PLC產(chǎn)品，以完成大型的控制項目和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化及更強的通訊能力;要求控制更加可靠，性能更加穩(wěn)定;要求提供多樣化的更方便的編程語言等。

為此，南京南瑞自動控制有限公司研制出新一代MB系列智能可編程控制器，它繼承了傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點，又彌補了傳統(tǒng)PLC的技術(shù)薄弱環(huán)節(jié)，是對傳統(tǒng)PLC功能的極大提升。該產(chǎn)品集智能、可靠、開放、靈活于一身，適合多種復(fù)雜控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

2、MB系列智能可編程控制器設(shè)計

2.1 MB系列智能可編程控制器結(jié)構(gòu)

MB系列智能可編程控制器采用LAN/FieldBus系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，提供標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口完成與上位機系統(tǒng)的通信。主控模件與智能I/O模件之間采用現(xiàn)場總線CAN作為內(nèi)部總線及擴展總線，現(xiàn)場總線特有的高可靠性和對現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)能力，使得MB系列智能可編程控制器系統(tǒng)配置的靈活性和可靠性大大提高。圖1為雙主控?zé)醾淙哂嗄Ｊ较碌捏w系結(jié)構(gòu)。

圖1 MB系列智能可編程控制器體系結(jié)構(gòu)

在Intel x86硬件平臺上，應(yīng)用WindRiver公司的Tornado集成開發(fā)環(huán)境，實現(xiàn)基于VxWorks的可編程控制器。

2.2 MB系列智能可編程控制器特點

（1） 高性能的主控模件：高檔的軟硬件配置使得主控模件具有強大的數(shù)據(jù)處理能力、運算能力以及通訊處理能力;

（2） 開放的標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)通信接口：對外提供10/100M以太網(wǎng)接口，支持Modbus/TCP協(xié)議，可與上位機及各種監(jiān)控軟件互連;

（3） 先進的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)：采用現(xiàn)場總線CAN網(wǎng)，具有通訊速率快、抗干擾能力強、成本低、結(jié)構(gòu)簡單、擴展靈活、實時性好等特點，為系統(tǒng)擴展及遠(yuǎn)程控制提供了方便;

（4） 強大的串口通訊功能：提供了串口通訊模件，可自由配置，可方便地與其他智能設(shè)備通訊;

（5） 高可靠的熱備冗余方案：支持雙CPU、雙以太網(wǎng)、雙電源的熱備冗余方案，自動實時備份數(shù)據(jù);

（6） MB系列不同型號PLC之間方便靈活的互連：可實現(xiàn)不同PLC之間的無縫連接，無需任何擴展模件，節(jié)省系統(tǒng)成本;

（7） 全智能I/O設(shè)計和一系列安全性、可靠性設(shè)計為系統(tǒng)的安全可靠運行提供了保障：開關(guān)量輸入模件的光電隔離和軟件濾波功能;開關(guān)量輸出模件的反讀、校核及執(zhí)行繼電器的聯(lián)合控制確保在任何情況下不會發(fā)生誤動;溫度量輸入模件先進的每路獨立橫流源設(shè)計大大提高了采集速度和抗干擾性;模擬量輸入模件飛度電容的設(shè)計方法保證了內(nèi)部電路和外界干擾的絕對隔離，大大提高了采集精度，最大限度地降低了模擬量漂移;

（8） 界面友好、使用簡單的編程軟件

靈活的梯形圖編程語言及更多更豐富的梯形功能模塊;全漢化的梯形圖設(shè)計大大提高了梯形圖程序的可讀性;直觀的可視化流程圖編程語言，使復(fù)雜控制流程的實現(xiàn)變得非常簡單;模塊化程序結(jié)構(gòu)，程序之間可相互調(diào)用;支持遠(yuǎn)程編程和調(diào)試;

（9） 直接的GPS同步時鐘接口

直接提供GPS同步時鐘接口，無需編程及設(shè)置，硬件對時可達模件級，SOE事件信息更加精確、可靠;

（10） 方便實用的現(xiàn)地人機接口

提供了與觸摸屏的串行通訊接口，支持Modbus通訊協(xié)議，可與多種觸摸屏直接連接，無需增加輔助設(shè)備，也無需編寫通訊驅(qū)動程序。

2.3 操作系統(tǒng)和開發(fā)環(huán)境

為保證軟件的可靠性和發(fā)揮裝置的實時性能，項目采用了國際上最廣泛使用的32位實時操作系統(tǒng)VxWorks。VxWorks是專門為嵌入式微處理器而設(shè)計的模塊化、高性能、實時的操作系統(tǒng)。VxWorks是目前世界上用戶數(shù)量最大的實時操作系統(tǒng)，具有豐富的應(yīng)用軟件支持、良好的技術(shù)服務(wù)、可伸縮性、可裁減性和可靠的系統(tǒng)穩(wěn)定性。VxWorks的開放式結(jié)構(gòu)和對工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的支持使開發(fā)者只需做最少的工作即可設(shè)計有效的適合于不同用戶要求的實時操作系統(tǒng)。

VxWorks的開發(fā)環(huán)境是WindRiver（風(fēng)河）公司提供的Tornado。Tornado采用主機-目標(biāo)機開發(fā)方式，主機系統(tǒng)采用運行Windows2000/NT的工作站或PC，VxWorks則運行在x86等目標(biāo)處理器上。Tornado提供了友好的可視化開發(fā)界面、交叉編譯環(huán)境、源碼級調(diào)試工具、目標(biāo)機命令解釋器和目標(biāo)機狀態(tài)監(jiān)視器等多種應(yīng)用工具，為應(yīng)用軟件開發(fā)提供了一個高效而可靠的平臺。

3、關(guān)鍵技術(shù)

MB系列智能可編程控制器的軟件設(shè)計，關(guān)鍵是軟件實時性的保證，其中包括任務(wù)的劃分、任務(wù)間通信機制的選擇、中斷處理程序、網(wǎng)絡(luò)通信程序和串行口通信程序的編寫等關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 任務(wù)劃分

嵌入式實時系統(tǒng)中，任務(wù)的合理劃分對系統(tǒng)的實時性至關(guān)重要。進行任務(wù)劃分時，首先要分析數(shù)據(jù)流程圖中數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，確定哪些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可以并行執(zhí)行，哪些必須順序執(zhí)行。決定應(yīng)用系統(tǒng)任務(wù)劃分的最主要的因素是系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能之間的異步關(guān)系，具體可以從I/O功能和系統(tǒng)內(nèi)部功能兩個方面來考慮。

VxWorks的實時內(nèi)核Wind默認(rèn)采用了基于任務(wù)優(yōu)先級的搶占式調(diào)度算法，同時，也支持輪轉(zhuǎn)調(diào)度算法。Wind內(nèi)核有256個優(yōu)先級，編號0～255，優(yōu)先級0最高，255最低。任務(wù)的創(chuàng)建使用taskSpawn（）函數(shù)來實現(xiàn)。

MBPLC根據(jù)功能和優(yōu)先級劃分為以下若干任務(wù)：

（1） 主任務(wù)：主任務(wù)負(fù)責(zé)硬件初始化、數(shù)據(jù)庫初始化、梯形初始化、流程初始化、網(wǎng)絡(luò)初始化等工作，并根據(jù)數(shù)據(jù)庫的定義創(chuàng)建相應(yīng)的任務(wù);

（2） CAN1任務(wù)：CAN1任務(wù)主要完成CAN1網(wǎng)驅(qū)動、與I/O模件交換信文等功能，它既可以向I/O模件下發(fā)加載、設(shè)值、設(shè)時、查詢等信文，又能接收I/O模件上送的測值、事件等信文，并對數(shù)據(jù)庫進行相應(yīng)的處理;

（3） 以太網(wǎng)任務(wù)：以太網(wǎng)任務(wù)主要完成以太網(wǎng)驅(qū)動、信文收發(fā)等功能，實現(xiàn)PLC與上位機的數(shù)據(jù)和控制命令的傳遞，支持標(biāo)準(zhǔn)MODBUS/TCP協(xié)議;

（4） CAN2任務(wù)：CAN2任務(wù)主要完成CAN2網(wǎng)驅(qū)動、與外部設(shè)備（如通訊裝置、保護裝置、勵磁裝置、調(diào)速器等等）的信息和控制命令的傳遞功能。只要外部設(shè)備支持CAN接口，就很容易接入PLC中;

（5） 流程任務(wù)：流程任務(wù)提供了獨特的順序控制流程執(zhí)行方法，將MBPro編程軟件產(chǎn)生的匯編代碼進行執(zhí)行，通過訪問數(shù)據(jù)庫得到數(shù)據(jù)，描述一定的判斷和閉鎖條件，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，并將運算結(jié)果寫至數(shù)據(jù)庫中，同時還可將實時執(zhí)行的各種信息反饋到調(diào)試機，以便監(jiān)視流程的執(zhí)行情況。流程圖是順序執(zhí)行的，適于順控操作，如機組正常開停機控制、緊急停機控制等;

（6） 梯形任務(wù)：梯形任務(wù)提供了梯形圖執(zhí)行方法，將MBPro編程軟件產(chǎn)生的匯編代碼進行執(zhí)行，通過訪問數(shù)據(jù)庫得到數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一定的判斷和閉鎖條件，產(chǎn)生相應(yīng)的動作，并將運算結(jié)果寫至數(shù)據(jù)庫中，同時還可將實時執(zhí)行的各種信息反饋到調(diào)試機，以便監(jiān)視梯形的執(zhí)行情況。梯形圖是循環(huán)掃描的，適于邏輯控制及狀態(tài)控制，可用于主程序、通訊、數(shù)據(jù)處理、控制啟動，如機組狀態(tài)判斷等;

（7） 調(diào)節(jié)任務(wù)：調(diào)節(jié)任務(wù)負(fù)責(zé)對機組有功、無功進行PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，可進行負(fù)荷增減、調(diào)節(jié)投退、調(diào)節(jié)條件限制、調(diào)節(jié)增減限制、調(diào)節(jié)超時判斷、調(diào)節(jié)速度限制等;

（8） 時鐘任務(wù)：時鐘任務(wù)管理PLC時鐘，處理分同步信號，并定時進行一些硬件操作，如點運行燈;

（9） 自檢任務(wù)：自檢任務(wù)自動診斷各類任務(wù)、設(shè)備的運行情況并進行報警。當(dāng)PLC因某種干擾或硬件故障等原因發(fā)生運行紊亂或死機時，Watchdog能產(chǎn)生自恢復(fù)信號，使PLC自動重新恢復(fù)運行;

（10） 調(diào)試任務(wù)：調(diào)試任務(wù)通過以太網(wǎng)與調(diào)試機通訊，負(fù)責(zé)與編程軟件MBPro交換信息，包括上送實時數(shù)據(jù)、SOE事件、流程報警信息等，并可修改數(shù)據(jù)庫、梯形圖及流程圖，進行對時、復(fù)位、主從切換等操作;

（11） 雙機任務(wù)：雙機任務(wù)實現(xiàn)主從機的自動、手動切換，并能通過內(nèi)部高速網(wǎng)備份對側(cè)重要數(shù)據(jù)。當(dāng)主機的某些重要設(shè)備或任務(wù)出現(xiàn)故障時，從機能自動升為主機;

（12） 顯示任務(wù)：顯示任務(wù)通過串口與智能型液晶顯示觸摸屏通訊，完成當(dāng)?shù)財?shù)據(jù)顯示和操作功能，包括顯示測點信息、事故一覽表、光字、模件狀態(tài)等，并能發(fā)出控制命令、設(shè)置定值、整定參數(shù)等;

（13） 串口任務(wù)：串口任務(wù)完成與外部設(shè)備通訊功能，實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)和命令的交換，如GPS、溫度巡檢裝置、交流采集裝置等等。支持Modbus標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約，必要時可根據(jù)需要編程實現(xiàn)特殊規(guī)約。

3.2 任務(wù)間通信

任務(wù)間通信機制是多任務(wù)間相互同步和通信，以協(xié)調(diào)各自活動的主要手段。VxWorks提供的任務(wù)間通信手段按其速度由快到慢依次是信號量、消息隊列、管道和套接字。常用的通信機制是信號量和消息隊列，套接字（Socket）用于網(wǎng)絡(luò)編程。

（1） 信號量

信號量是實現(xiàn)任務(wù)互斥、同步操作的主要機制，VxWorks提供的信號量經(jīng)過了高度優(yōu)化，在所有任務(wù)間通信機制中，速度最快。對于互斥，信號量可以上鎖對共享資源的訪問，并且比禁止中斷或禁止搶占提供更精確的互斥粒度。對于同步，信號量可以協(xié)調(diào)外部事件與任務(wù)的執(zhí)行。

MBPLC使用二進制信號量來解決多個任務(wù)讀寫數(shù)據(jù)的互斥問題，使用計數(shù)器信號量來解決定時器計數(shù)問題;

（2） 消息隊列

消息隊列是VxWorks提供的單CPU中任務(wù)間通信的主要機制。消息隊列允許以FIFO或基于優(yōu)先級方式排隊消息，消息的數(shù)目可變，消息的長度可變。任何任務(wù)都可以向消息隊列發(fā)送消息，也可以從消息隊列接收消息。多個任務(wù)允許從一個消息隊列收發(fā)消息。但是，兩個任務(wù)間的雙向通信通常需要兩個消息隊列，各自用于一個方向。

MBPLC使用消息隊列來實現(xiàn)任務(wù)間的數(shù)據(jù)交換。首先調(diào)用msgQCreate（）函數(shù)創(chuàng)建消息隊列，再用msgQSend（）和msgQReceive（）函數(shù)發(fā)送和接受消息，最后調(diào)用msgQDelete（）函數(shù)中止消息隊列。

3.3 中斷處理程序

中斷處理程序是實時系統(tǒng)的重要組成部分。系統(tǒng)通過中斷機制了解外部世界，并對外部事件作出響應(yīng)。實時系統(tǒng)的反應(yīng)取決于系統(tǒng)對于中斷的響應(yīng)速度和中斷處理程序的處理速度。由于在很短的時間內(nèi)，可能產(chǎn)生很多中斷，高優(yōu)先級的中斷將阻塞低優(yōu)先級的中斷，因此，必須使中斷處理程序的處理時間最短。

MBPLC的中斷包括秒中斷、分同步中斷、CAN網(wǎng)中斷以及BSP級的以太網(wǎng)中斷、硬盤中斷等等。下面以秒中斷（中斷級別為5）為例說明中斷的使用方法：

ntConnect（INUM_TO_IVEC（INT_VEC_GET（5））， SECISR， 0）;

sysIntEnablePIC（5）;

這兩個函數(shù)用于將中斷處理程序SECISR（）與秒中斷相關(guān)聯(lián)，存放于中斷向量表的對應(yīng)表項中，當(dāng)秒中斷事件出現(xiàn)時，VxWorks內(nèi)核將調(diào)用中斷處理程序。這時可利用中斷處理程序釋放一個信號量（通過semGive（）函數(shù)），通過該信號量驅(qū)動相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理模塊（通過sem- Take（）函數(shù)），從而實現(xiàn)實時操作。

此外，我們還使用intLock（）函數(shù)和intUnlock（）函數(shù)來設(shè)置中斷屏蔽，用以保證受保護的代碼在執(zhí)行過程中不受中斷的干擾。

3.4 網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信一般可通過套接口（socket）實現(xiàn)。Vx- Works提供了標(biāo)準(zhǔn)的BSD socket調(diào)用，具有兩種類型：Stream socket（全雙工流類型）、Datagram socket（數(shù)據(jù)報類型）。前者支持TCP協(xié)議，后者支持UDP協(xié)議。任何一個任務(wù)都可以打開一或多個socket，其它任務(wù)的socket可與之連接。

客戶端程序首先調(diào)用socket（）函數(shù)產(chǎn)生用于與各分系統(tǒng)連接的套接字，然后初始化一個套接口結(jié)構(gòu)體，為其賦上服務(wù)端的IP地址和端口號，并將其作為函數(shù)connect（）的參數(shù)，調(diào)用connect（）函數(shù)主動去連接服務(wù)器端。連接成功后，用send（）和recv（）函數(shù)讀寫數(shù)據(jù)，直到全部數(shù)據(jù)都交換完，再用close（）函數(shù)關(guān)閉套接口。

服務(wù)器端也先用socket（）函數(shù)建立套接口，再調(diào)用bind（）函數(shù)將自身IP和端口號綁定，以保證客戶端正確識別，然后用listen（）函數(shù)指明已準(zhǔn)備好接受來自客戶端的連接，又用accpet（）函數(shù)接受一個連接請求，接受后用send（）和recv（）函數(shù)來傳輸數(shù)據(jù)，直到全部數(shù)據(jù)都交換完，再用close（）函數(shù)關(guān)閉套接口。為了確保服務(wù)器能夠?qū)崟r接收客戶端的數(shù)據(jù)，當(dāng)服務(wù)端與客戶端建立連接之后，必須嵌入循環(huán)，利用recv（）函數(shù)不斷等待客戶數(shù)據(jù)。同時客戶端每次發(fā)送數(shù)據(jù)之后也應(yīng)等待服務(wù)端回復(fù)，建立握手機制。

3.5 串行口通信

在VxWorks中，將I/O系統(tǒng)設(shè)計成為任何類型的設(shè)備，提供一個簡單、統(tǒng)一、獨立于設(shè)備的接口，任何對于串行口的操作仍然可以視為對一個文件的操作，而不必了解關(guān)于設(shè)備或程序驅(qū)動實現(xiàn)的細(xì)節(jié)。在使用串口之前利用open（）打開相應(yīng)串口，再用ioctl（）設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、奇偶校驗等屬性，然后依據(jù)串口打開時的讀寫標(biāo)志，調(diào)用函數(shù)write（）、read（）對串口進行只讀操作、只寫操作或同時進行讀寫操作，最后用close（）關(guān)閉串口。

對于串口通信，仍然要關(guān)心數(shù)據(jù)接收的實時性?？刹捎弥袛喾绞剑肰xWorks提供的select（）函數(shù)的事件觸發(fā)機制，將讀串口的任務(wù)阻塞使其一直等待數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)來到的時候該任務(wù)會立刻自動響應(yīng)，提高系統(tǒng)的實時性。

4、結(jié)束語

嵌入式實時操作系統(tǒng)VxWorks及其開發(fā)環(huán)境的引入，大大簡化了可編程控制器軟件設(shè)計的復(fù)雜性，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的實時性和可靠性。因此，VxWorks RTOS在MB系列智能可編程控制器中的應(yīng)用是成功的。MB系列智能可編程控制器作為新一代的PLC產(chǎn)品，相信能在電力、化工、工業(yè)過程控制、城市及樓宇自動化等各種復(fù)雜控制領(lǐng)域發(fā)揮更大的優(yōu)勢，使這些行業(yè)的自動化水平得到更大的提高。

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