前言

隨著數字信息技術和網絡技術的高速發展，人類正步入一個嶄新的后 PC 時代。這個時代的主要特點是嵌入式系統無處不在，并不斷地向科研生產及人類生活的各個方面滲透。而可編程控制器（PLC）對機床開關量信號進行控制時可靠性高，使用方便，在大多數數控機床，特別是經濟型數控機床中，要求的輸入輸出點數不多的情況下得到廣泛應用。在兼用PC 機系統資源的情況下，采用非實時多任務操作系統（如Windows）時，Win32 API 的設計可以滿足多控制點復雜的數控功能要求，但由于Windows 的分時性，沒有考慮到實時環境的開發用途，其系統調用的效率不高，不能滿足數控系統高實時場合PLC 控制的實時性要求。

VxWorks 作為一運行在目標機上的高性能、可裁減的嵌入式實時操作系統，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，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結構特性以及多線程/多任務的系統環境來達到高實時要求的PLC 控制，在保證實時性的同時，實現多點位、復雜功能的PLC系統控制目標。

1、傳統 PLC 系統的結構

相比較傳統的的基于通用工業 PC 的工業PLC，其數控系統嵌入式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，數控系統的人機界面、數控代碼處理、軌跡劃、參數管理以及PLC 控制都通過工控機由軟件來實現，不需要獨立的NC 控制器，減少了數控系統對硬件的依賴，有利于提高系統的開放性。I/O 輸入輸出信息通過PC 機I/O 接口卡實現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PC 來拓展其開放性，但是由于沒有充分利用PC 機系統資源，而開發和運行都采用的非實時多任務操作系統（如Windows，Linux）時，其設計沒有考慮到實時環境的開發用途，其系統調用的效率不高，數控系統PLC控制不能滿足一些高精度場合的實時性要求。

2、基于嵌入式系統的實時PLC 系統結構

嵌入式實時 PLC 系統，一般由開發系統和實時運行系統兩部分組成，是相互獨立而又密不可分的兩個系統，可以分別單獨運行。開發系統基于PC 機，建立在Windows 操作系統平臺之上，提供了PLC 應用程序的編寫及其編譯調試環境。開發系統與實時運行系統的通訊一般通過RS232 接口來實現。如果嵌入式操作系統提供網絡服務，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 通信協議下載到嵌入式系統。實時運行系統則用于完成系統配置、輸入信號處理、循環調用PLC 程序及控制信號輸出等操作，并且可以通過現場總線或TCP/IP 通信協議與硬件層（I/O）實現通信。

為了更好地支持實時運行系統，嵌入式系統一般要引入操作系統，嵌入式操作系統（如Windows CE，VxWorks 等）為實時運行系統提供了啟動代碼、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。如果實時運行系統整合了相應的功能，系統也可以不引入操作系統。我們所采用的嵌入式實時系統體系結構如圖2所示，其實時操作系統采用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，也做了相應的優化處理。

3、基于PPC 的嵌入式處理器設計

VxWorks 系統運行在基于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，系統接口單元（SIU），通信處理模塊（CPM）和快速以太網控制器（FEC）。

系統接口單元（SIU）集成幾乎所有32-bit 處理器系統的常用功能。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與DRAM，SRAM，Flash 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；同時系統集成單元集成了總線監控、軟件看門狗、系統節電模式、時鐘合成、實時時鐘、復位控制以及支持IEEE 1149.1 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，從而降低了系統頻率，減少功耗。

內嵌的 FEC 模塊與IEEE 802.3 兼容，支持10-和100-Mbps 連接。不僅完成了以太網協議中的MAC 控制功能，并且使用了突發傳送DMA，從而減少了系統總線的負荷。而FEC內部接的收和發送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 采用獨立的發送緩存描述符和接收緩存描述符來完成具體的收發存取。可支持Modbus，CAN，EIP 等現場總線的應用。

4、BSP 的改造

BSP 即Board Support Package，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。

4.1 BSP 與VxWorks 的層次關系在 VxWorks 中，將BSP 簡單描述成介于底層硬件環境和VxWorks 之間的一個軟件接口。

它的主要功能是系統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的時候，要修改相關的驅動。

4.2 VxWorks BSP 的特點

在眾多的商用嵌入式實時操作系統中，VxWorks 是使用極為廣泛的一種操作系統，它實時性強，占用空間小，提供豐富的網絡協議，有眾多的調試手段。

VxWorks 的BSP 可以按功能分為兩大部分。

1）目標系統的系統引導部分：主要是目標系統啟動時的硬件初始化，在目標系統上電后開始執行，主要是配置處理器的工作狀態，初始化系統的內存等，這部分的程序一般只在系統引導時執行，為操作系統運行提供硬件環境。

2）目標系統的設備驅動程序：主要是驅動目標系統配置的各種設備，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，操作系統通過設備驅動程序來訪問硬件，從而完成讀取數據和外界的交互等。

在實際應用中，為了獲得更好的穩定性和執行效率，許多設備驅動程序會直接和應用程序捆綁在一起，而不是由操作系統來管理。

4.3 BSP 的設計與修改

WRS 提供了大量預制的，支持許多商業主版或評估板的BSP，減少了開發時間。

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romStart 函數--romInit.s中的romInit（）函數執行完后跳轉到romStart（），執行解壓縮，代碼/數據段從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 系統開發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、其它

另外，VxWorks 的多任務任務調度策略的實施也是實現嵌入式PLC 的一個關鍵點，確保高優先級任務在確定的時間內能被執行，并對外部的異步事件作出及時響應。多任務環境允許一個實時應用作為一系列獨立任務來運行，各任務有各自的線程和系統資源。VxWorks系統提供了多處理器間和任務間高效的信號燈、消息隊列、管道、網絡透明的套接字。并具有實時系統的另一關鍵特性是硬件中斷處理。為了獲得快速可靠的中斷響應，VxWorks 系統的中斷服務程序（ISR）有自己的上下文。鑒于篇幅關系，在本文不做詳細討論。

6、總結與展望

嵌入式系統已經成為歷史發展的必然，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。通過現場運行調試，對現場I/O 設備進行監控，達到了預期的實時性要求，實現了通過現場總線或TCP/IP 通信協議與硬件層（I/O）高速的響應目標。新型的基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 具有很高的性能價格比，具有市場競爭優勢，有助于我國PLC 企業發展本國市場，發展自主產業的PLC。

本文作者創新點：研究了于基于VxWorks 的嵌入式實時PLC 系統，并包含了處理器的優化和BSP 的改造，是對現行國內PLC 設計技術的一種拓展和補充。

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