可編程控制器(PLC" title="PLC">PLC)對機床開關量信號進行控制時可靠性高,，使用方便，在大多數(shù)數(shù)控機床,，特別是經濟型數(shù)控機床中,，要求的輸入輸出點數(shù)不多的情況下得到廣泛應用。在兼用PC機系統(tǒng)資源的情況下,，采用Windows的分時性,，沒有考慮到實時環(huán)境的開發(fā)用途，其系統(tǒng)調用的效率不高,，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)高實時場合PLC控制的實時性要求,。
VxWorks" title="VxWorks">VxWorks作為一運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式" title="嵌入式">嵌入式實時操作系統(tǒng),，目前以其良好的可靠性和卓越的實時性被廣泛地應用在通信,、軍事、航空,、航天等高精尖技術及實時性要求極高的領域,。
本文基于VxWorks操作系統(tǒng),，提出了基于VxWorks的嵌入式實時PLC設計的方法與應用，利用VxWorks的開放性,、模塊化和可擴展性的系統(tǒng)結構特性以及多線程/多任務的系統(tǒng)環(huán)境來達到高實時要求的PLC控制,，在保證實時性的同時，實現(xiàn)多點位,、復雜功能的PLC系統(tǒng)控制目標,。
1、傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)的結構
相比較傳統(tǒng)的的基于通用工業(yè)PC的工業(yè)PLC,，其數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC硬件包括：工控機及其外圍設備，基于ISA總線的開關量輸入輸出接口卡,，光電隔離模塊,，繼電器輸出模塊。其結構如圖1所示,。
工控機采用Windows等非實時操作系統(tǒng),，數(shù)控系統(tǒng)的人機界面、數(shù)控代碼處理,、軌跡劃,、參數(shù)管理以及PLC控制都通過工控機由軟件來實現(xiàn)，不需要獨立的NC控制器,，減少了數(shù)控系統(tǒng)對硬件的依賴,，有利于提高系統(tǒng)的開放性。I/O輸入輸出信息通過PC機I/O接口卡實現(xiàn)主機與伺服接口模塊和I/O接口模塊之間的信息交換,，PC機I/O接口卡基于ISA或PCI的總線,。雖然其相較最初的單片機的控制加入了工業(yè)PC來拓展其開放性，但是由于沒有充分利用PC機系統(tǒng)資源,，而開發(fā)和運行都采用的非實時多任務操作系統(tǒng)(如Windows,，Linux)時，其設計沒有考慮到實時環(huán)境的開發(fā)用途,，其系統(tǒng)調用的效率不高,，數(shù)控系統(tǒng)PLC控制不能滿足一些高精度場合的實時性要求。
2,、基于嵌入式系統(tǒng)的實時PLC系統(tǒng)結構
嵌入式實時PLC系統(tǒng),，一般由開發(fā)系統(tǒng)和實時運行系統(tǒng)兩部分組成，是相互獨立而又密不可分的兩個系統(tǒng),，可以分別單獨運行,。開發(fā)系統(tǒng)基于PC機，建立在Windows操作系統(tǒng)平臺之上，提供了PLC應用程序的編寫及其編譯調試環(huán)境,。開發(fā)系統(tǒng)與實時運行系統(tǒng)的通訊一般通過RS232接口來實現(xiàn),。如果嵌入式操作系統(tǒng)提供網絡服務，也可以通過以太網,、Modbus或CAN總線進行通訊,。應用程序編寫完并編譯調試無誤后通過RS232或TCP/IP通信協(xié)議下載到嵌入式系統(tǒng),。實時運行系統(tǒng)則用于完成系統(tǒng)配置,、輸入信號處理、循環(huán)調用PLC程序及控制信號輸出等操作,，并且可以通過現(xiàn)場總線或TCP/IP通信協(xié)議與硬件層(I/O)實現(xiàn)通信,。
為了更好地支持實時運行系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)一般要引入操作系統(tǒng),，嵌入式操作系統(tǒng)(如WindowsCE，VxWorks等)為實時運行系統(tǒng)提供了啟動代碼,、串行通訊接口,、內存操作(malloc/free)、ANSI標準庫,、1ms的時鐘滴答,、調試接口等服務。如果實時運行系統(tǒng)整合了相應的功能,，系統(tǒng)也可以不引入操作系統(tǒng),。我們所采用的嵌入式實時系統(tǒng)體系結構如圖2所示，其實時操作系統(tǒng)采用VxWorks,。
了其通信性能,，實時能力大大提高，同時此結構具有完全開放性,，高度兼容性,，極佳的可擴展性，使得自動控制系統(tǒng)的設計不受硬件的限制,，可以有效地提高PLC的運行速度和可靠性,，并且支持多任務的控制策略。另外相應的從嵌入式處理的設計與和BSP改造方面,，也做了相應的優(yōu)化處理,。
3、基于PPC的嵌入式處理器設計
VxWorks系統(tǒng)運行在基于PPC的MPC860處理器上，并作了一些有關改造以適應實時PLC的現(xiàn)場總線的通信要求,。主要包括4個主要模塊(如圖3)：PowerPC核心,，系統(tǒng)接口單元(SIU)，通信處理模塊(CPM)和快速以太網控制器(FEC),。
系統(tǒng)接口單元(SIU)集成幾乎所有32-bit處理器系統(tǒng)的常用功能,。MPC860采用32位內部總線，可以支持8,，16或32位的外設和存儲器,，同時SIU提供功耗管理、復位控制,、PowerPC減法器,、PowerPC時鐘基準以及實時時鐘等功能。其內存控制器可以控制多達8個存儲體,，同時只需通過很少的電路就可實現(xiàn)與DRAM,，SRAM，F(xiàn)lash以及其它外圍設備的無縫連接,，同時DRAM接口支持8，16和32位的端口,，DRAM控制器提供頁模式下的突發(fā)傳送訪問;提供4個16位通用定時器或者2個32位定時器;同時系統(tǒng)集成單元集成了總線監(jiān)控,、軟件看門狗,、系統(tǒng)節(jié)電模式,、時鐘合成、實時時鐘,、復位控制以及支持IEEE1149.1調試方式JTAG等,。
通信處理模塊(CPM)具有更強大的通信處理能力，擁有獨立的簡單指令集通信處理器(RISC),，能夠完成低層次任務以及DMA控制,，使得PowerPC內核能夠空閑出來處理高層次的實時任務，從而降低了系統(tǒng)頻率,，減少功耗,。
內嵌的FEC模塊與IEEE802.3兼容，支持10-和100-Mbps連接,。不僅完成了以太網協(xié)議中的MAC控制功能,，并且使用了突發(fā)傳送DMA，從而減少了系統(tǒng)總線的負荷,。而FEC內部接的收和發(fā)送FIFO通過將所有的沖突碰撞局部化到FEC內部而進一步減輕總線的負荷,。FEC采用獨立的發(fā)送緩存描述符和接收緩存描述符來完成具體的收發(fā)存取,。可支持Modbus,，CAN,，EIP等現(xiàn)場總線的應用。
4,、BSP的改造
BSP即BoardSupportPackage,，通常指針對具體的硬件平臺，用戶所編寫的啟動代碼和部分設備驅動程序的集合,。BSP是一個VxWorks內核運行的基礎。4.1BSP與VxWorks的層次關系在VxWorks中,，將BSP簡單描述成介于底層硬件環(huán)境和VxWorks之間的一個軟件接口,。它的主要功能是系統(tǒng)加電后初始化目標硬件，初始化OS,，及提供部分硬件的驅動程序如時鐘,、中斷、串口驅動等,。其與內核,、驅動程序及應用程序之間的關系如圖4：
如圖可見BSP為上層軟件與底層硬件之間進行交互的橋梁，為上層提供統(tǒng)一接口,。BSP中包括的驅動程序與具體的硬件相關,，在移植到不同的硬件系統(tǒng)的時候，要修改相關的驅動,。
4.2VxWorksBSP的特點
在眾多的商用嵌入式實時操作系統(tǒng)中,，VxWorks是使用極為廣泛的一種操作系統(tǒng)，它實時性強,，占用空間小,，提供豐富的網絡協(xié)議，有眾多的調試手段,。
VxWorks的BSP可以按功能分為兩大部分,。
1)目標系統(tǒng)的系統(tǒng)引導部分：主要是目標系統(tǒng)啟動時的硬件初始化，在目標系統(tǒng)上電后開始執(zhí)行,，主要是配置處理器的工作狀態(tài),，初始化系統(tǒng)的內存等,，這部分的程序一般只在系統(tǒng)引導時執(zhí)行,，為操作系統(tǒng)運行提供硬件環(huán)境。
2)目標系統(tǒng)的設備驅動程序：主要是驅動目標系統(tǒng)配置的各種設備,，包括字符型設備,、塊存儲設備,、網絡設備等，這些設備驅動程序完成對硬件的配置,，操作系統(tǒng)通過設備驅動程序來訪問硬件,，從而完成讀取數(shù)據和外界的交互等。
在實際應用中,，為了獲得更好的穩(wěn)定性和執(zhí)行效率,，許多設備驅動程序會直接和應用程序捆綁在一起，而不是由操作系統(tǒng)來管理,。
4.3BSP的設計與修改
WRS提供了大量預制的,，支持許多商業(yè)主版或*估板的BSP，減少了開發(fā)時間,。
宏觀來看,，BSP包括兩部分：
初始化部分：CPU初始化;目標板初始化;操作系統(tǒng)的初始化。
驅動程序部分：一般要包括時鐘,、中斷,、串口驅動。
具體來看,，BSP包括源文件,、頭文件、派生文件,。主要需要修改VxWorks源碼中的以下目錄中：
/target/config/all
幾個重要文件的功用如下：
1)bootConfig.c：引導ROM映像的主要初始化和控制文件,。
2)bootInit.c：引導ROM映像的第二階段的初始化代碼。實現(xiàn)romStart函數(shù)--romInit.s中的romInit()函數(shù)執(zhí)行完后跳轉到romStart(),，執(zhí)行解壓縮,，代碼/數(shù)據段從rom拷到ram。
3)usrConfig.c：VxWorks映像的主要初始化代碼,。
/target/config/comps/vxworks：實時內核基本模塊描述(cdf)文件,。
/target/config/comps/src：實時內核模塊配置文件。供usrconfig.c使用,。
/target/config/bspname該目錄下的文件就是要編寫的BSP文件,。
由于BSP系統(tǒng)開發(fā)的硬件相關性和處理器系列的多樣性，不可能有一種通用的程序或方法來解決每一種處理器的BSP問題,，所以必須具體問題具體分析,，不斷實踐，才能使程序運行達到比較高的效率,。
5,、總結與展望
嵌入式系統(tǒng)已經成為歷史發(fā)展的必然，其極佳的可擴展性,，對多種硬件的支持,，同時能夠提高PLC的運行速度和可靠性,，并且支持多任務的控制策略，對PLC的性能有了很大的提高,。新型的基于VxWorks的嵌入式實時PLC具有很高的性能價格比,，具有市場競爭優(yōu)勢，有助于我國PLC企業(yè)發(fā)展本國市場,，發(fā)展自主產業(yè)的PLC,。