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前言

可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制时性高，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bbbbbbs 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、可裁减的嵌入式实时操作系统，目前以其良好的性和的实时性被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等技术及实时性要求高的领域。

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。

工控机采用 bbbbbbs 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bbbbbbs，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，是相互立而又密不可分的两个系统，可以分别单运行。开发系统基于PC 机，建立在bbbbbbs 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bbbbbbs 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。

了其通信性能，实时能力大大提高，同时此结构具有开放性，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：PowerPC ，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、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)具有强大的通信处理能力，拥有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 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。

 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*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。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。

1. 引言

        在很多场合，我们需要对距离很远的控制器进行监测。当距离在几千米的情况下，我们可以使用有线连接，比如采用Profibus-DP总线连接。但当距离有几百千米，甚至远的情况下，采用上述连接方式的花费将会是惊人的，所以多采用廉价的电话通信进行。

2 .方案比较

通常情况下，每台控制器通过一台Modem和一条电话线连接到远程PC。远程PC与每台控制器之间占用一条通信线路，所以每次只能与一台控制器进行数据通信。

在该方案下，每个控制器占用一个电话号码资源、一条电话线路和一台Modem。远程PC通过电话线与每个控制器分别连接，当需要与某个控制器进行数据通信时，通过拨号连接该控制器，进行数据通信。在这种情况下，如果有多个控制器需要与远程PC通信，将会占用多条电话线路。远程PC不可能同时与多台控制器进行数据通信，只能依次轮询拨号每个控制器，不仅Modem每次建立连接会耗费大量的时间，而且浪费大量的通信费用。

针对以上方案存在的弊端，本文提出一种新的方案，只采用1条电话线路和一台Modem，即可实现远程PC与所有的控制器进行数据通信。

现场的控制器作为Modbus从站(可能是RS232接口的，也可能是RS485接口的，若是RS232接口，可以通过一个很的转换设备将RS232转换成RS485)，将所有的控制器挂接到485总线上，Modbus主站采用和利时公司HOLLiAS LM系列PLC的40点CPU模块LM3108。LM3108的RS485口挂接到485总线上，LM3108通过RS485口采用Modbus协议将各个控制器内需要读取的数据分别读取上来，存储在PLC对应的地址中。

LM3108的RS232接口与Modem连接，Modem通过电话线与远程PC连接。当拨号建立连接后，远程PC与LM3108之间拨号连通以后同样采用Modbus协议，此时远程PC作为Modbus主站，LM3108的RS232口作为Modbus从站，远程PC只需要PLC中相对应的地址中的数据即可。

PLC与远程PC建立连接可以采用两种方式：

1)PLC主动呼叫远程PC，可以在PLC中设定时间，或者设定某个触发条件，当条件满足时主动呼叫远程PC建立连接，进行通信。

2)远程PC主动呼叫PLC，远程监控人员根据需要拨号，以采集各控制器的数据。

3.1 设备选型

1)PLC——LM3108

该PLC具备1个RS232端口和1个RS485端口，两者均可实现自由口通讯，可实现Modbus从站和Modbus主站功能。LM3108本体带有24点DI和16点DO，具有8k的自由存储空间，可以满足该方案的要求。

2)调制解调器——具备RS232接口的普通56K调制解调器。

3)远程PC

具备上位拨号并支持Modbus主协议软件的PC机，比如装有和利时公司SmartPro软件的PC机。

3.2 LM3108与Modem硬件连接

LM3108连接1， Modem与PC之间的连接线的PC端接2，将两个9的2、3、5直连，2的1、7、8短接，4、6短接。

3.3 LM3108与Modem软件设置

LM3108提供RS232口Modbus从站功能块(SET_LOCAL_ADDRESS)、RS232口通讯参数设置功能块(Reset_COMM_PRMT)、RS232口通讯自由口参数设置功能块(Set_COMM_PRMT)、RS232口通讯自由口数据发送功能块(COMM_SEND)、RS232口通讯自由口数据接收功能块(COMM_RECEIVE)。

物理连接PLC与Modem后，若采用远程PC主动呼叫PLC，只需编程调用SET_LOCAL_ADDRESS和Reset_COMM_PRMT这两个功能块即可，PLC侧再作其它 设置。

若采用PLC主动呼叫远程PC，则需要RS232口在自由通讯方式下使用COMM_SEND与COMM_RECEIVE同Modem进行会话。

3.4 应用效果

本文介绍的方案已经成功应用于国内外空调远程监控系统，从几套系统近一年的运行情况来看，系统、运行稳定、运行效果良好。相对传统方案，本文介绍的方案节省了大量电缆和硬件设备，具有较好的性价比，得到客户的。

4 结束语

本文介绍了使用小型PLC作为中转，实现远程PC服务器与多台现场设备之间的通信方案，并详细说明了其关键设备PLC的软硬件设置。该设计方案不仅可以应用于空调监控系统，也可广泛应用于其它行业的类似监控系统，具有广阔的应用前景。