（精密仪器及机械专业论文）基于嵌入式PLC的开发平台体系研究.pdf

摘要 摘要 嵌入式p l c 是指在由嵌入式系统组成的特定控制装置中实现p l c 控制软件代 码的解释、执行，并使特定装置在具有p l c 基本功能的基础上提供额外的专用功 能。它能够运行高性能实时操作系统，将系统本身的硬件管理交给操作系统，自 身专注于控制程序的运行，这样就保留了传统p l c 硬件管理和工艺控制分离的特 点；嵌入式系统本身的可剪裁特性，使得它具有单片机系统的个性化、差异化的 设计特点；嵌入式处理器的性能也越来越强大，在网络、人机界面和运算能力上 和i p c 的差距越来越小。 本论文采用开源软件项目g n u 提供的编译、调试工具g c c 、g d b 、m a k e 等， 为嵌入式p l c 的软件开发建立起交叉编译环境。程序员在装有l i n u x 操作系统的 p c 上编译程序，通过n f s 将程序挂载至嵌入式p l c 开发板上运行、调试。 本论文分析了传统p l c 的硬件结构、软件运行机制，提出了嵌入式p l c 的硬 件体系结构和控制软件工作流程。嵌入式p l c 系统采用c p u 核心板+ 接口电路板 构成一个二级结构，根据不同的应用场合只需更换接口电路板，无需改动核心板 的结构和在其上运行的软件。这样降低了开发成本，稳定性能得到保证，适应性 也大大增强。采用$ 3 c 2 4 4 0 a 的片上g p i o 端口作为开关量i o 端口，片上a d 转 换器作为基本模拟量输入端口，必要时可以通过1 2 c 总线进行扩展。利用$ 3 c 2 4 4 0 a 的片上触摸屏控制器，嵌入式p l c 可以将传统p l c 的编程器和c p u 模块整合在 一起，达到降低成本，方便使用的目的。 嵌入式p l c 采用标准版l i n u x 作为操作系统。本文对2 6 1 3 版的l i n u x 的实 时性能进行了改进：引入“在实时系统中，只有当进程的临界区能在下一个实时 任务开始之前结束才被允许进入”的机制，改进了基于优先级的时间片轮转调度 算法；并用内核线程代替中断服务子程序使得中断处理时间可预测，采用天花板 优先权协议避免了优先级倒置的情况。本论文在l i n u x 驱动层实现了多种g p i o 端 口控制方法，并将其作为内核模块编译进l i n u x 内核中。工程师只需根据实际需要 在用户层中选择对应的方法便可实现多种p l c 开关量输入、输出方式的控制。 关键词：p l c ，嵌入式系统，交叉编译环境，实时i 生能，l i n u x 驱动程序 a bs t r a c t e m b e d d e dp l ci m p l e m e n t st h ef u n c t i o no fc o n t r o ls o f t w a r eo ft r a d i t i o n a lp l c i n as d e c i f i ce n l b e d d e ds y s t e m ，a n da l s oe x p a n d st h ef u n c t i o n so fp l c w i t he x t r af e a t u r e s ： i tr u n s h i g hp e r f o r m a n c er e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h u s c o n c e n t r a t i n go nt h e e x e c t u t i n go fc o n t r o l s o f t w a r ew h i l i n gl e a v i n gt h eh a r d w a r em a n a g e m e n tt ot h e o p e r a t i n gs y s t e mi t s e l f t h e r e f o r ei tk e e p sh a r d w a r em a n a g e m e n t a n di n d u s t r i a lc o n t r o l s o f f w a r es e p a r a t e ，i u s tl i k et h ep l cd o e s ；e m b e d d e ds y s t e m sc a i lb et a i l o r - m a d e ，s oi t h a st h ec h a r a c t e r so fs i n g l ec h i ps y s t e m ss u c ha si n d i v i d u a t i o na n dd i v e r s i t y ；d u et ot h e g r o w t ho fc o m p u t i n gp o w e r o fe m b e d d e dp r o c e s s o r s ，t h eg a p sb e 研e e nt h ec a p a b i l i t yo f n e t w o r ka c c e s s ，i m p l e m e n t i n gg u ia n dc o m p u t i n gp o w e ro fe m b e d d e ds y s t e m sa n d t h o s eo fi p c s ( i n d u s t r i a lp c s ) i sc l o s i n gf a s t t h i sd i s s e r t a t i o nu t i l i z e st h ec o m p i l i n ga n dd e b u g g i n gt o o l sp r o v i d e db ya no p e n s o u r c ep r o je c t g n ut ob u i l dac o n v e n i e n tc r o s sc o m p i l i n ge n v i r o n m e n tf o rt h e s o r w a r ed e v e l o p m e n to fe m b e d 【d e dp l c p r o g r a m m e r sc a nw r i t ea n dc o m p i l e ss o u r c e c o d e so n ap ca n dt h e nm o u n tt h ec o m p i l e dp r o g r a m so nt h ee m b e d d e dd e v e l o p b o a r d f o rt e s tr u n n i n g sa n dd e b u g g i n g st h r o u g hn f s b a s e do nt h ea n a l y s i so fh a r d w a r es t r u c t u r ea n dm e c h a n i s mo f t h ec o n t r o ls o f t w a r e o fp l c t h i sd i s s e r t a t i o ni m p l e m e n t sad o u b l e l a y e re m b e d d e d p l cs t r u c t u r e 一 锄b e d d e dp l cc o n s i s t so fac p uc o r eb o a r da n dap e r i p h e r a li n t e r f a c eb o a r d i n d i f f e r e n ta p p l i c a t i o n s ，o n l yt h ep e r i p h e r a li n t e r f a c eb o a r dn e e d st ob ec h a n g e d i no r d e r t om e e tt h es p e c i f i cc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，w h i l et h eo p e r a t i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o n s o f t w a r eo n 也ec p uc o r eb o a r dr e q u i r e sm i n i m u mj u s t i f i c a t i o n t h u st h ec o s to f d e v e l o p i n ga n da p p l i c a t i o ni sr e d u c e d ，t h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e ma r e e n s u r e d ，t h aa d a p t a b i l i t yo ft h es y s t e mi se n h a n c e d 1 3 0 $ 3 c 2 4 4 0 ao n - c h i pg p i op o r t s a r eu s e df o ro n o f fi n p u t sa n do u t p u t sc o n t r o l ，a n d $ 3 c 2 4 4 0 ao n c h i pa dc o n v e r t e ri s u s e df o rb a s i ca n a l o gi n p u t s i 2 cb u sc a l lb eu s e di nc a s et h e r er e q u i r e sm o r ey op o r t s f o ro n o f fa n da n a l o gi oc o n t r 0 1 t h es 3 c 2 4 4 0 ao n - c h i pt o u c hs c r e e nc o n t r o l l e r m a k e st h ei n t e g r a t i n go fc p um o d u l ea n de x t e r n a lp r o g r a m m e ro ft r a d i t i o n a lp l c p o s s i b l e t h ed e v i c ed r i v e rf o r i ti si m p l e m e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i i a b s t r a c t e m b e d d e dp l cu s e ss t a n d a r dl i n u xa s i t o p e r a t i n gs y s t e m t h er e a l t i m e c a p a b i l i t yo fl i n u x ( v e r 2 6 13 ) i si m p r o v e db yt h ef o l l o w i n gm e t h o d s ：am e c h a n i s m c a l l e d e n t e r i n gac r i t i c a ls e c t i o ni sa l l o w e do n l yi ft h eo p e r a t i o nf i n i s h e sb e f o r et h e e x e c u t i o no fn e x tr e a l t i m et a s k ”i si n t r o d u c e d ，t o g e t h e rw i t ht h ei m p l e m e n t a t i o no f “c e i l i n gp r i o r i t yp r o t o c o l ”a n du s i n gt h ek e r n e lt h r e a dt or e p l a c et h en o r m a li s r t h u s t h ep r i o r i t i e so fr e a l t i m et a s k sa r ee n s u r e d ，t h e “p r i o r i t yi n v e r s i o n ”s i t u a t i o n sa r e a v o i d e da n dt h ei n t e r r u p tl a t e n c yi ss h o r ta n dp r e d i c t a b l e t h ec o n t r o lm e c h a n i s mo f g p i op o r t si si m p l e m e n t e di nak e r n e lm o d u l ea n dl i n k e di n t o t h el i n u xk e n l e l e n g i n e e r sa r ea l l o w e dt oc h o o s et h ep r o p e rc o n t r o lm e c h a n i s ma c c o r d i n g l y k e y w o r d s ：p l c ，e m b e d d e dp l c ，c r o s s - c o m p i l i n ge n v i o r n m e n t ，r e a l t i m ec a p a b i l i t y , l i n u xd e v i c ed r i v e r s i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：粱丁1 r 、j 日期：立7 年6 月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 躲婴导师签名：耋垩煎 日期： 叼年舌月2 z 日 第一章绪论 第一章绪论 可编程控制器，英文称为p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，简称p c 或p l c 。为与个 人计算机的p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 相区别，本文用p l c 作为它的简称。p l c 是 生产力发展的产物。最初诞生于汽车制造领域。1 9 6 9 年，美国数字设备公司( d e c ) 成功研制了第一台p l c ，应用于g m 的生产线，取得了极大成功。在p l c 诞生的 3 0 多年中，它已广泛应用于各种工业现场的控制领域中。2 l 世纪的工业控制领域， 可编程控制器依然是自动化行业发展的领导者。 在p l c 发展的同时，嵌入式系统已经广泛的渗透到人们的工作、生活的各个 角落。从信息终端、仪器仪表、汽车、航天航空、军事装备、制造工业、过程控 制、家用电器等。可以说嵌入式系统无处不在、无时不在。未来学家尼葛洛庞蒂 曾预言，嵌入式智能设备将是p c 和i n t e m e t 之后最伟大的发明。嵌入式系统能在 恶劣环境下( 如高温、潮湿、震动等) 长期工作。嵌入式系统平均无故障时间为 1 0 0 0 0 0 - - 1 5 0 0 0 0 小时，而普通p c 仅为1 0 0 0 0 - - - 1 5 0 0 0 小时。可见嵌入式系统能够 达到工业p c 的可靠性标型1 1 。 嵌入式系统在不断向高性能、高可靠、低价位方向发展，将嵌入式系统技术 和p l c 技术结合起来，将使p l c 向高性能、高可靠、低价位方向发展。更重要的 是嵌入式系统是一种开放式的平台，不存在技术上的壁垒，因此嵌入式技术的发 展将给现有的p l c 体系带来新的冲击。这对广大自动化科研工作者而言，也是一 次难得的挑战机遇 2 】。 1 1 可编程控制器概述 1 1 1 可编程序控制器的概念 国际电工委员会( i e c ) 对可编程序控制器下了定义：可编程序控制器是一种 数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存 储器，用来在其内部执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指 令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可 编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统联成一个整体，易于扩 电子科技大学硕士学位论文 充的原则设计1 3 j 。 从上面的定义可知，可编程序控制器实质上就是一台专门设计的、具有自己 独特的软硬件系统的专用于实现机械工作或生产过程控制的电子计算机。可以这 么说，没有电子计算机技术，特别是没有微型计算机技术，也就没有可编程序控 制器。可编程序控制器的出现，不仅是控制技术的进步，而且也是电子计算机应 用的扩展。它与数字控制技术、电子计算机直接控制技术一样，都是当今非常有 生命力的高新技术，是实现工业及其它一些产业现代化的重要手段。 p l c 是基于电子计算机，且用于工业现场控制的电控制器。它源于继电控制 装置，但不像继电装置那样完全通过电路的物理过程实现控制。而是基于电子计 算机，靠运行存储于p l c 内存中的程序，把经输入电路的物理过程送入p l c 的信 息进行变换，进而再通过输出电路的物理过程去实现控制。 p l c 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机进行输入输出 信息变换，多只考虑信息本身，信息的输入输出，只要人机界面好，如使用多媒 体，就可以了。而p l c 则还要考虑信息输入输出的可靠性、实时性，以及信息的 实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装维修、如何抗干扰等问 题。p l c 不仅有输入输出电路，还有内存、外设。所以，它不仅可处理信息，进 行输入输出信息交换，还可以存储信息、显示信息；不仅可通过输入输出电路与 它的控制对象交换信息，而且还可以通过它的外设或通信口与外界交换信息。 1 1 2p l c 的特点 p l c 主要有四个特点： ( 1 ) 功能丰富 p l c 基于计算机技术，而且有种种的i o 接口、通信接口与外部设备，所以功 能非常丰富。各种各样的i o 接口可以接受、处理与发送开关量、模拟量及脉冲量。 各种各样的通信接口可以在p l c 之间、p l c 与计算机之间或p l c 与传感器、执行 期之间一对一通信或联网通信，接收与发送各种信息。丰富的外部设备可建立有 好的人机界面，以进行人机信息交换，可以向p l c 送入程序、数据，可从p l c 读 出程序、数据，且读写时可在图文并茂的画面上进行。 ( 2 ) 使用方便 p l c 控制逻辑的建立是依靠程序，即用程序代替硬件接线。编写、更改程序 比接线要方便的多。p l c 的硬件是高度集成化、模块化的，各种功z 日- , 匕k 由不同的小 2 第一章绪论 型模块实现。这些模块是配套的，已实现了系列化与规格化。因此硬件系统的配 置与建造非常方便。 ( 3 ) 抗干扰能力强、可靠性高 p l c 在硬件与软件方面都采取了很多非常有效的根本性措施。 硬件方面，对输入信号做了滤波，且输入输出电路与内部c p u 是电隔离。其 信息靠光电耦合器件或电磁器件传递。同时，c p u 板还有抗电磁干扰的屏蔽措施， 可确保p l c 程序的运行不受外界的电磁干扰。 在软件方面，p l c 一般采取扫描加中断的工作方式。这样既可保证它能有序 的工作，避免继电控制系统常出现的“冒险竞争，其控制结果总是确定的；而 且又能应急处理紧急情况。 ( 4 ) 经济性高 p l c 的体积小、所占空间小，辅助设施的投入少；系统集成方便，建造的周 期短；使用时省电，运行费用少；工作可靠，停工损失少；维修简单，维修费用 少；还可再次使用以及能带来附加值等等，从中可以获得更大的回报。尽管首次 使用p l c 的投资要大些，但从全面及长远看，使用p l c 还是合算的。 1 2嵌入式可编程控制器的概念及研究、应用现状 1 2 1 可编程控制器的发展趋势 从1 9 6 8 年到现在，p l c 的发展基本上经历了四代【3 】：第一代p l c 产品，大多 用一位机开发，用磁心存储器存储，只有单一的逻辑控制功能；第二代p l c 产品， 换成了8 位微处理器以及半导体存储器，p l c 的产品开始系列化； 二十世纪九十年代又开始了p l c 的第三个发展时期。随着p l c 的国际标准i e c 6 1 1 3 l 的正式颁布，推动了p l c 在技术上发动新的进步： 在系统体系结构上，从传统的单机向多c p u 和分布式以及远程控制系统发展； 在编程语言上，文本化的和图形化的语言多样性，创造了更能充分表达控制 要求、文字处理、通信能力的编程环境； 从应用范围和应用水平上，除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外， 则是发展以p l c 为基础的分布式控制系统( d c s ) 、监控和数据采集系统、柔性 制造系统( f m s ) 、安全连锁保护( e s d ) 系统、运动控制系统等，全方位的提高 p l c 的应用范围和水平。 电子科技大学硕士学位论文 进入九十年代后期，由于用户对开放性的强烈要求和压力，以及信息技术的 大力推动，p l c 如果还停留在原有的专用而又封闭的系统概念上，它将坐以待毙。 于是p l c 进入了其发展的第四阶段。其特征是： 在保留p l c 功能的前提下，采用面向现场总线网络的体系结构，采用开放的 通信接口，如以太网、高速串口和各种相关的国际工业标准和一系列事实上的标 准。其中的关键技术，在硬件上是嵌入式系统以及支持现场总线的i o 设备，在软 件上则是以i e c6 1 1 3 1 3 为基础的编程系统以及强实时( h a r dr e a l t i m e ) 操作系 统。 传统的p l c 其硬件体系结构是封闭的，而各公司的p l c 产品的编程方法虽多 为梯形图，但其语法和寻址方式却不一致，这些导致了传统p l c 软硬件体系的不 兼容。近年来，计算机技术的发展使实现高效率的p l c 编程工具的开发成为可能。 因此用户需要统一的、独立于p l c 制造商的高级编程语言和开发工具，以增强p l c 软件的可重用性，这样也有助于实现对越来越复杂的系统的编程。 i e c6 11 3 1 3 标准中定义的编程语言是i e c 工作组在对世界范围的p l c 厂家的 编程语言的合理吸收、借鉴的基础上形成的一套针对工业控制系统的国际编程语 言标准。采用符合i e c6 1 1 3 l 一3 标准的系统，用户学习的内容仅限于由于使用不同 的编程工具和具体的p l c 设备的特殊性能所带来的细微差别。这大大降低了对用 户的要求。并且采用该标准的各种系统之间的程序移植将变得十分方便。符合该 标准的软件系统是一个可重复使用、维护的工业控制系统软件，不但能应用在p l c 中，而且还能应用在工业控制以及制造过程的一切软件中。 1 2 2 嵌入式可编程控制器的概念 在当今的工业控制市场上，一些p l c 生产商早己开始利用r r 产业一些最新的 软硬件成果不断完善和扩充p l c 的功能。许多功能强大的台式p c 用c p u 、高性 能低功耗的嵌入式处理器都被作为新一代p l c 的中央处理器的选择对象。这样， 基于p c 、嵌入式开放结构的p l c 应运而生，并得到迅速的发展和广泛的应用。它 具有传统p l c 在功能、可靠性、执行速度以及故障查找等方面的特点，又利用软 件技术将标准的工业p c 转换成全功能的p l c 一综合了计算机的数学运算、数值处 理、网络通信、高级语言编程和传统p l c 的开关量控制、模拟量控制、脉冲量控 制、p i d 控制等功能。这些功能基于一个具备多任务能力的控制内核。这个内核采 用开放式软件架构。以它为基础，嵌入式p l c 能够提供强大的指令集、快速而准 4 第一章绪论 确的扫描周期、可靠的操作以及可连接各种i o 设备及网络。 嵌入式p l c 是指在由嵌入式系统组成的特定控制装置中实现p l c 控制软件代 码的解释、执行，并使特定装置在具有p l c 基本功能的基础上提供额外的专用功 能。 工业控制产品己发展到一个追求个性化、差异化的设计阶段。在越来越多的 情况下，常规p l c 面临的是个性化、差异化的压力，如成本控制、特殊功能等。 工业控制计算机( 口c ) 、单片机系统正式面向这些个性化需求的产品。i p c 在网 络、人机界面、运算能力方面优势明显，单片机系统在成本控制上更加灵活。但 这些产品也有与生俱来的缺点：i p c 由于需要的操作系统( 如w i n d o w sn t ) 的限 制，在实时性上难以满足连续控制的苛刻要求，更适合用于监控。单片机系统由 于硬件性能先天不足，无法运行高性能操作系统，使得软件设计者在工业控制功 能的之外还需额外进行本系统硬件管理工作的编程，制约了软件的标准化。从长 期来看，其成本优势不是很明显。 嵌入式p l c 正是在这种情况下应运而生的，它兼具传统p l c 、i p c 、单片机 系统的特点：它能够运行高性能实时操作系统，将系统本身的硬件管理交给操作 系统，自身专注于控制程序的运行，这样就保留了传统p l c 硬件管理和工艺控制 分离的特点；嵌入式系统本身的可剪裁特性，使得个性化、差异化的设计十分方 便；嵌入式处理器的性能也越来越强大，在网络、人机界面和运算能力上和i p c 的差距越来越小。 1 2 3 嵌入式p l 0 的研究、应用现状 目前，欧美国家都把嵌入式p l c 作为重点对象来发展。已投入市场的嵌入式 p l c 产品较多。在美国的底特律汽车城，大多数汽车自动装配生产线、热处理工 艺生产线等都已由传统的p l c 控制改为嵌入式p l c 。国内能见到的嵌入式p l c 有 研华公司的a d a m 5 5 1 0 ，泓格公司的i 8 0 0 0 ，科威自控的e a s yv 1 0 嵌入式p l c ， 支持嵌入式p l c 的软件有：m i c r 0 s h a d o w 公司的l a d d e r w o r k 、法国c j i n t e m a t i o n a l 公司的i s a g r a f 、法国s c h n e i d e ra u t o m a t i o n 公司的c o n c e p tv 2 1 以 及w o n d e r w a r e 公司的i n c o n t r o l7 0 等。当前，利用嵌入式p l c 设计自动控制系统 在国际市场上已成为最受欢迎的工业控制方案，p l c 与计算机、嵌入式系统已相 互渗透和结合。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 本论文的研究内容、意义以及所作的工作 1 3 1 本论文的研究意义 嵌入式p l c 综合了嵌入式系统软硬件和网络技术，在通用操作系统( l i n u x 、 w i n c e ) 基础上增加特定设备的驱动，并提供标准的与传统p l c 类似的符合i e c 6 11 3 1 3 标准的编程语言和开发环境，用户可以： 1 自由选择p l c 硬件； 2 用标准编程语言和开发环境编写、移植传统p l c 的程序： 3 充分从标准化中获益：不同硬件平台上的应用程序的无缝移植； 4 选用市面上大量的、价格低廉的通用通信设备进行互联，对超过几百个i o 点的系统来说，可以节省投资费用。 对嵌入式p l c 的开发者来说，则可以： 1 自由选择硬件平台进行开发； 2 无需直接操作底层硬件，而是通过操作系统对硬件进行管理； 3 用熟悉的编程高级语言编制程序。例如可以使用c 语言开发底层控制程 序。软件编制和调试都可以在p c 操作系统上进行； 4 获得嵌入式领域的开放技术和价格优势，而不受某个p l c 制造商本身的 专利限制。 1 3 2 本论文的研究内容 本论文对嵌入式p l c 的底层软硬件架构及工作方式进行了深入的研究。论文 所研究的重点内容如下： 1 p l c 的体系结构和工作原理，嵌入式p l c 硬件平台及各种接口规范的设计； 2 嵌入式p l c 的软件运行平台以及程序下载与调试机制； 3 p l c 程序的工作方式及其在嵌入式平台上的实现机制。 1 3 3 本论文所作的工作 基于1 3 节中提出的论文研究内容，本论文做了如下工作： 1 采用高性能低功耗的3 2 位r i s c 嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a ，大容量低功耗 的f l a s h 存储器，r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通用串行接口和r j 4 5 网络接口，及j t a g 调试 接口，c a n 现场总线等开放式的硬件资源代替c p u 、存储器、i o 单元、通信端 6 第一章绪论 口、i o 扩展端口、电源这些传统p l c 的部件。以现有开放式的硬件构成一个功能 上与传统p l c 相当、结构上却是开放式的嵌入式p l c 平台； 2 搭建p c $ 3 c 2 4 4 0 a 交叉开发环境，以便在p c 上进行开发工作；在$ 3 c 2 4 4 0 a 开发板上移植2 6 1 3 版l i n u x 操作系统，并对其实时性能进行改造；编写底层硬件 驱动程序； 3 在嵌入式平台上模拟传统p l c 的循环扫描工作方式：建立仿p l c 的地址 映射、i o 状态表，并配合设备驱动程序实现端口循环扫描：编写c 语言库函数以 实现一些p l c 复杂算法。 电子科技大学硕士学位论文 第二章可编程控制器的体系结构 p l c 是以微处理器为核心的一种特殊的工业用计算机。其结构与一般的计算 机类似，由中央处理单元( c p u ) 、存储器( r o m 、r a m 、e p r o m 、e e p r o m 等) 、输入接口、输出接口、i o 扩展接口、外部设备接口以及电源组成。本章将 对p l c 的硬件结构、软件系统的工作原理进行分析，并以此为基础提出嵌入式p l c 的基本设计原则。 2 1 可编程控制器的硬件体系结构分析 p l c 的硬件系统根据结构形式的不同可以分为整体( 箱体) 式和模块( 组合) 式两类。整体式结构的p l c 是将c p u 、存储器、i o 单元、电源、通信端口、i o 扩展端口等组装在一个箱体内构成主机，另外还有独立的i o 扩展口等与主机配合 使用，类似于一台计算机。图2 1 是整体式结构的p l c 的内部结构框图。 图2 - 1 整体式p l c 结构框图 8 第二章可编程控制器的体系结构 模块化结构的p l c 是将c p u 、存储器、i o 单元、电源、通信单元等分别做 成相应的模块，各模块可插在底板上，模块之间通过总线进行通信。装有c p u 的 单元称为主控模块，其它称为扩展模块。主控模块与各扩展模块之间可以通过电 缆相连。由于模块化结构的p l c 配置灵活，目前的大、中型p l c 和多数小型p l c 都已采用这种结构【4 1 。图2 2 是模块式p l c 的结构示意图。 图2 2 模块式p l c 结构示意图 无论是何种类型的p l c ，其硬件的组成部分是基本相同的。下面对p l c 主要 组成部分进行单独分析。 2 1 1c p u 单元 c p u 是p l c 的控制中枢，它由控制器和运算器组成。其中，控制器用来统一 指挥和控制p l c 工作；运算器则进行逻辑、算术等运算。c p u 的具体作用如下： 执行接收、存储用户程序的操作指令； 接收来自输入单元的数据和状态信息，并存入相应的数据存储区； 执行监控程序和用户程序；完成数据和信息的处理，产生相应的内部控制 信号，完成用户指令规定的各种操作。 响应外部设备( 如编程器、上位机、打印机) 的请求； p l c 中所采用的c p u 通常有三种：通用微处理器、单片机芯片和位片式微处 9 电子科技大学硕士学位论文 理器。通用微处理器的性能不能与目前的桌面p c 所采用的处理器性能相提并论。 例如研华公司生产的p l c 采用x 8 6 架构的8 0 1 8 8 通用微处理器，这是一个内部工 作和外部输入输出均为1 6 位的微处理器，最高主频仅为8 m h z ，运算速度小于 1 m i p s ( 每秒百万条指令数) ，1 6 位数据通道，内存寻址能力仅为1 m b 。随着大 规模集成电路的发展，p l c 采用单片机作c p u 的越来越多，它以高集成度、高可 靠性、相对的高速度及的价格( 高性价比) 的优势，正在占领小型p l c 市场。在 高档的p l c 中，常采用位片式微处理器作c p u 。由于位片式微处理器采用双极型 工艺，比一般的m o s 型工艺微处理器在速度上快一个数量级。位片的宽度有2 位、 4 位、8 位等，用几个位片进行“级联 ，可以组成任意字长的微机。另外在位片 式微处理器中，一般采用微程序设计，只要改变微程序存储器中的内容，就可以 改变机器的指令系统，因此其灵活性很强。位片式处理器易于实现“流水线”操 作，即重叠操作，能更有效的发挥其快速的特点。 2 1 2 存储器 p l c 的存储器包括系统存储器、用户存储器及数据存储器。 系统程序存储器 系统程序是永久存储的程序，包括管理程序、标准子程序、调用程序、监控 程序、检查程序，以及用户指令解释程序，一般存储在r o m 或e p r o m 之中。 用户程序存储器( 应用程序存储器) 用户程序是用户使用编程器输入的编程指令或用户使用编程软件由计算机下 载的梯形图程序，一般存储在随机存储器r a m 中。用户数据一般也存放在r a m ， 这部分存储器称为数据存储器。为了防止r a m 中的信息在掉电时丢失，通常用后 备锂电池作保护，保存用户程序和用户数据。 有些p l c ，如日本欧姆龙公司的c p m l a 型整体式p l c ，采用闪存( f l a s hr o m ) 作为内存后备，保护用户程序和数据，不需要后备锂电池。此外，还使用超级电 容作为内存后备，可使数据内存( 读写) 、保持继电器、辅助记忆继电器等。当 用户程序很长或需存储的数据较多时，p l c 基本组成中的存储器容量可能不够用， 这时可以考虑选用较大容量的存储器或进行存储器扩展。很多p l c 都提供了存储 器扩展功能，用户可以将新增加的存储器扩展模板直接插入c p u 模块中，也有的 p l c 是将存储器扩展模板插在中央基板上。 1 0 第二章可编程控制器的体系结构 2 1 3 输入输出接口电路 p l c 的控制对象是工业生产过程，它与工业生产过程的联系是通过输入输出 ( i o ) 模块实现的。生产过程中需要采集和控制的变量，如温度、压力、液位、 速度、电压、继电器状态、开关量等。需要相应的i o 模块作为c p u 与工业生产 现场的桥梁，实现信号的采集、校准、放大、控制功能，且这些模块具有较好的 抗干扰能力。p l c 具有完备的i o 模块，包括：数字量i o 模块、模拟量i o 模块、 热电偶热电阻采集模块、计数、记频模块、阀门控制模块、继电器模块和扩展通 信模块。 开关量( 数字量) 输入输出接口模块 开关量输入接口模块是将现场送来的开关信号( 包括控制台、操作台上发出 的开机、关机、转换、调整、急停等控制信号以及传感器、继电器触点等检测元 件产生的开关、数字量信号) 转换为c p u 可以处理的t t l 电平。为了提高抗干扰 能力，输入接口均采取了措施，如在输入接口内采用光电耦合电路，将p l c 与外 部输入信号进行隔离；为消除信号噪声，还设置多种滤波电路；为便于p l c 的信 号处理，输入接口内有电平转换及信号锁存电路。 开关量输出单元通常有继电器输出单元、晶体管输出单元、双向晶闸管( 可 控硅) 输出单元等。因为p l c 的直接输出带负载能力有限，所以p l c 输出接口所 带的负载，通常是接触器、电磁阀的线圈，以及信号指示灯等。 模拟量输入输出接口模块 小型p l c 一般没有模拟量输入输出接口模块，或者只有通道数有限的a d ， d a 接口。大、中型p l c 可以挂载成百上千的模拟量输入输出接口模块，它们的 a d 、d a 转换器一般是1 0 位或者1 2 位的。在模拟量i o 接口模块中，往往采用 隔离放大器来实现隔离作用，数字逻辑部分则采用光电耦合器来隔离。 生产现场的多路模拟量通过a d 进接口进行转换，转换结束进行必要处理后， 送入数据总线供c p u 存取，或存入中间寄存器备用。c p u 处理完的数字量存入中 间寄存器，再经光电耦合器送给d a 转换器。d a 转换器将数字量转换成模拟量 用以驱动执行机构。这样就够成了模拟量 数字量 c p u 数字量 模拟量的闭环 控制体系。 除普通i o 接口之外，p l c 厂家还提供具有独立处理能力的智能i o 接口。这 些i o 接口搭载有独立的微处理器和控制软件，可以独立的完成特定的工作。如位 置闭环控制接口模块，带快速p i d 调节器的闭环控制模块、1 0 0 k h z 至兆赫兹以上 电子科技大学硕士学位论文 的高速计数器接口模块等。 2 1 4 通信接口 通信接口专用于数据通信。通信接口有串行接口和并行接口两种。p l c 通过 通信接口可以与打印机、监视器相连，也可与其它的p l c 或上位机相连，构成多 机局部网络系统或多极分布式控制系统，或实现管理与控制相结合的综合系统。 2 1 5 编程器 编程器用于用户程序的输入、编辑、调试和监视，还可以通过键盘调用和显 示p l c 的一些内部继电器状态和系统参数。编程器分为简易编程器、专用编程器， 由p l c 厂家提供。现在绝大多数p l c 厂家提供能够运行在p c 上的编程软件。p c + 编程器的方式成为主流应用方式。 2 1 6 电源 p l c 的外部工作电源一般为8 5 - 2 6 0 v 、5 0 6 0 h z 交流电源，也有采用2 4 - - - 2 6 v d c 电源的。使用单相交流电源的p l c 往往还能提供2 4 v 直流电源。 p l c 的内部电源系统一般有三类：第一类是供p l c 中的t t l 芯片和集成运算 放大器使用的基本电源( 如+ 5 v 和1 5 vd c 电源) ；第二类电源是供输出接口使 用的高压大电流功率电源；第三类是锂电池及其充电电源。 2 2 可编程控制器的工作原理分析 p l c 工作在循环扫描模式下。这个模式的工作过程有两个显著特点：一个是 周期性顺序扫描，一个是集中批处理。周期性顺序扫描是可编程控制其特有的工 作方式，p l c 在运行过程中，总是处在不断循环的顺序扫描过程中。每次扫描所 用的时间称为扫描时间，又称为扫描周期或工作周期。集中批处理就是p l c 系统 程序对输入采样、输出刷新实施集中批处趔5 1 。 2 2 1 可编程控制器的工作过程 p l c 的工作过程( 周期性扫描过程) 分为4 个阶段，后三个阶段均为集中批 处理过程： 第二章可编程控制器的体系结构 ( 1 ) 公共处理阶段 公共处理阶段包括p l c 自检、执行来自外设命令、对警戒时钟( 即监视定时 器、看门狗定时器w d t ) 进行清零等。 p l c 自检是c p u 检测p l c 各零件的状态，如出现异常再进行诊断，并给出故 障信号，或自行进行相应处理，这将有助于及时发现或提前预报系统的故障，提 高系统可靠性。自检结束后就检查是否有外设请求，如是否需要进入编程状态、 是否需要通信服务，是否需要启动磁带机或打印机等。w d t ( w a t c hd o gt i m e r ， 看门狗计时器) 是在p l c 内部的一个监视定时器。每个扫描周期w d t 都要监视 扫描时间是否超过规定值，如果程序运行正常，则在每次扫描周期的公共处理阶 段对w d t 复位( 清零) ，如果程序运行进入死循环，择w d t 得不到按时清零而 造成超时溢出，从而给报警信号或停止p l c 工作。 ( 2 ) 输入采样扫描阶段 这是第一个集中批处理过程。在这个阶段中，p l c 按顺序逐个采集所有输入 端子上的信号，不论输入端子上是否接线，c p u 顺序读取全部输入端，将所有采 集到的一批输入信号写到输入映像寄存器中。在当前的扫描周期内，用户程序所 依据的输入信号的状态( o n o f f ) 均从输入映像寄存器中去读取，而不管此时外 部输入信号状态是否变化。即使此时外部输入信号的状态发生了变化，也只能在 下一个扫描周期读取。这种批处理扫描方式严格说来每个信号的采集时间有先有 后，但由于p l c 的扫描周期很短，这个差异对一般工程应用可忽略。可以认为采 集到的输入信息是同时刻的。 ( 3 ) 执行用户程序阶段 这是第二个集中批处理过程。在执行用户程序扫描阶段，c p u 对用户程序按 顺序进行扫描。如果程序用梯形图表示，则总是按先上后下，从左至右的顺序进 行扫描。每扫描到一条指令，所需要的输入信息的状态均从输入映像寄存器中读 取，而不是直接使用现场的立即输入信号。对其它信息，则是从p l c 的元件映像 寄存器中读取。在执行用户程序中，每一次运算的中间结果都立即写入元件映像 寄存器中，这样该元素的状态马上就可以被后面将要扫描到的指令利用。对输出 继电器的扫描结构，也不是马上就去驱动外部负载，而是将其结果写入元件映像 寄存器中的输出映像寄存器中，待输出刷新阶段集中进行批处理。也就是说，在 执行用户程序阶段，除了输入映像寄存器之外，各个元件映像寄存器的内容是随 着程序的执行而不断的变化。 ( 4