（电力电子与电力传动专业论文）基于软plc的嵌入式系统的研究与实现.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h co t i 咖a n db a c k g r o u n do fe m b e d d e ds y 砒锄b a s e do ns o 朋i ct e c h n o l o g ya r e i n t r o d u c e df i r s t l yi nt h i sd i s s e r t a t i o n , 也t h ek e yt e c h n o l o g i e sa n dt h em e r i to ft h e e m b e d d e d s y s t e mb a s e d o ns ) f t p l ca l es u m m a r i z e d , l a s t l yt h ed e s i g na n d i m p l e m e n t a t i o no ft h i ss y s t e ma r ee x p l a i n e dc a r e f u l l y r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do ns o f t p l cc o n s i s t so f d e v e l o p m e n ts y s t e ma n dr u n n i n gs y s t e m ( r e f e r r e dt o 勰v i r t u a lm a c h i n es y s t e m ) 皿c d e v e l o p m e n ts y s t e mi sc o n c l u d e do nt h i sp a p e r ，i tm n so nw i n d o w sp l a t f o r ma n di su s e d a sp o p u l a rp r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t 1 kd e v e l o p m e n ts y s t e mi sc o n s t i t u t e do ff i v e p a r t s - e d i t o r , c o m p i l e r , l j n k e ld e b u g g e ra n dc o m m u m c a t i o t 扭li n t e r f a c e t h ci n t e r f a c eo f e d i t o ri sf r i e n d l y , s op r o g r a m m e ri sa b l et od oh i sw o r ke a s i l yw i t hl d , s ta n d 肿 硼他c o m p i l e ra n du n k e rc a nc o m p i l ea n dl i n ks o u r c ec o d ep r o g r a m6 _ i c si n t oo b j e c t c o d em ct h a ti se x e c u t a b l et ot h ev i r t u a lm a c h i n es y s t e m t h ed e v e l o p m e n ts y s t e mi s i s s u e da n dt h et r a n s l a t i o nm o d u l ee s t a b l i s h m e n tp r o c e s si sd e s c r i b e dd e t a i l e d l yo nt h e d i s s e r t a t i o n , a n dt h ec o n v e r to ft h ei n s t r u c t i o nl i s tl a n g u a g ej s a l i z e dt ot h eo c + + i n s n u c t i o nf l u l c t i o f lw h i c hc o u l db ed i s t i n g u i s h e db yt h es y s t e m o nt h es i d e 。t h e a l g o r i t h ma n dc o n s t r u c t i o no fd a t at r a p e z o i d a lc h a f tt r a n s f o r m e di n t ot h ei n s t r u c t i o nl i s t l a n g u a g ea n dt h ei n t e r c o n v e r s i o n , w h i c hd e t a i l e d l ya ”r e s e a x c h e d t h ed e b u g g e rc a n d e b u gp r o g r a ma n dr e c t i f ye l t o r $ w i t ht h eh e l po fs e r v i c e sp r o v i d e db yt h ev i r t u a l m a c h i n es y s t e m f i n a l l yt h eu c l i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma n dt h et r a n s l a t i o nd e b u g g i n g t e c h n o l o g ya t ed i s c u s s e d 1 1 地c o m m u n i c a t i o n a li n t e r f a c e , w h i c hu s 铸t h em o d b u s t c p i n d u s t r yc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l , i su s e db e t w e e nt h ed e v e l o p m e n ts y s t e ma n dt h e v i r t u a lm a c h i n es y s t e m o nt h eo t h e rh a n d , t h i sa r t i c l eh a sa n a l y z e dt h er u n n i n gs y s t e m , i tn m so na n a r m 7p l a t f o r me q u i p p e dw i t hu c u n e x , i tc o n s i s t so fn m n i n gk e r n e lm o d u l e ，s y s t e m m a n a g e m e n tm o d u l ea n dc o m m u n i c a t i o n a li n t e r f a c em o d u l e b e c a l l s cu c l i n u xd o e s n o th a v et h em m ua n di t s e l fd o e sn o th a v et h er e q u e s tt ot i m e l i n e s s b u ti no r d e rt o r e s e a r c ha n di m p l e m e n to fe m b e d d e ds y s t e mb a s e do rs o f 嵋i c t h i sa r t i c l ec a _ r r i e so n u c i a n u xm i n i a t u r i z a t i o nr e s e a r c h 。a tt h es a m et i m ep r o b i n gi n t ot h ed o u b l ek e r n e l t i m e l yp l a n , a n dh a ss o l v e dt h ep r o b l e mw h i c ht h eu c l i n u xt i m e l i n e s si si n s u f f i c i e n t t h cg u n n i n gk e r n e lm o d u l ei su s e dt os c h e d u l ea n de x e c u t ea p p l i c a t i o np r o g r a ma n d m a n a g ec l o c kw h i t et h es y s t e mm a n a g e m e n tm e d u l et om a n a g es y s t e ms t a t e sa n do t h e r t h i n g s t h cc o m m u n i c a t i o n a li n t e r f a c em o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o rc o m m u n i c a t i o nw i t h t h ed e v e l o p m e n ts y s t e ma n di 0d e v i c e s i nt h i sf o u n d a t i o n , d e s i g n e da n dr e a l i z e d e m b e d d e ds y s t e mb a s e do ns i m p l c , t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t , w et r a n s m i t t e dt r a n s l a t e d g o a lc o d et or u n n i n gs y s t e m , r c a l i z ct h ec o n t r o lf u n c t i o na n dp r o v et h ep r o d u c t i o ng o a l c o d ea c c u r a c ya n dt h ed e v e l o p m e n ts y s t e mf e a s m i l i t y a sar e s u l t , ae d i t i o nc o n t a c t $ u r f a c et ob ef r i e n d l y , t h eo p e ns y s t e ma n dn a t u r a lp r i c eq u i t eh i g he m b e d d e ds y s t e m b a s e do ns o f l p l c h a v eb e e nr e a l i z c do nt h ed i s s e r t a t i o n i th a da c h i e v e dt h ea n t i d p a t e d n 湖北工业大学硕士学位论文 g o a l , a n dt h et h e o r e t i c sh a st h eo e r t a i nt h e o r ya n dt h ea p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：s o f t p l c ，e m b e d d e ds y s t e m ，r u n n i n gs y s t e m ，d e v e l o p m e n ts y s t e m ， pc l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m m 诹1 j 【童工繁火法 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 靴舣储斟鹗磁嗍：岬 月荔日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅本人授 权湖北工业大学可以将本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和汇编本学位论文。 学位论文作者签名： 日期卿年j 月西日 f 了油泌力朋 一叩 擀 嗍 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 传统的p ie 经过几十年的发展，技术已日益成熟，它的高速度、高性能、高 可靠性在工业领域得到了广泛的应用然而，其产品互不兼容，缺少明确一致的 标准，所以难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技 术专有性较强，工作人员培训时间长；p l c 的性价比增长很缓慢i 1 1 上述问题都制约着传统p i e 的发展和更广泛的推进，研究人员一直在寻找解 决这些问题的途径上世纪年代，随着工控领域的第一个国际标准m c 6 1 1 3 1 的制定，以通用的p c 取代各制造商的专用的p i c ，可以利用p c 机强大的网络功 能将几个p l c 厂家的产品连接在一个网络里，从而使系统从封闭走向开放闭。 由于软p l c 具有通用性好、兼容性高、价格低廉、编程方便、易于与网络相 连等优点，欧美等西方国家都把软p i c 作为一个重点对象进行研究开发软p i c 以计算机技术为依托，利用通用p c 机丰富的软硬资源。这样就成功避开了制约我 国传统p l c 硬件可靠性差的“瓶颈”，使我国在技术条件上可与国外基本处于同一 起跑线上如果充分利用我国软件技术方面的资源，可以在较短的时间赶上西方 厂商，从而在国际软p l c 市场上占有一席之地。不难看出，大力发展软p l c 对我 国的工业控制领域将产生非常重要的影响本课题就是基于p ie 的发展前沿，利 用软p l c 和嵌入式系统，基于国际标准i e c 6 1 1 3 1 n ，研究的软p l c 的嵌入式产品 克服了基于p c 平台的p l c 产品的弊端，使p l c 技术更向前迈进，生产效率更高， 生产成本更低 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外发展回顾及产生背景 工业生产自动化系统在充分利用了计算机技术的基础上，取得了巨大进步， 以微处理器为核心的自动化系统由上世纪7 0 年代的简单p l c 发展到了今天的p l c 系统。但是芯片技术的发展更为迅速，自动化系统制造商和集成商难以跟上硬件 技术的发展，使得自动化系统设备的更新和发展滞后于计算机硬件技术的发展。 1 9 9 0 年美国国家制造科学中心( n c m c ) 提交了一份名为“n e x tg e n e r a t i o n 湖北工业大学硕士学位论文 w o r k s t a t i o n m a c h i n ec o n t r o l l e rr e q u i r e m e n td e f i n i t i o nd o c u r a e n t ”的报告，提出了 1 7 5 条未来制造业对p l c 技术的要求随后，欧共体提出了o s a c a ( o p e ns y s t e m a r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o lw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m ) 计划m ，对自动化生产领域的 p ie 提出了系统开放、公共协议标准化等新要求1 9 9 3 年，为了规范p l c 编程 语言，国际电工委员会( m c ) 发布了i e c l l 3 1 - 3 标准i e c l l 3 1 - 3 标准的推出和实 施，促进了各种p ie 闯的兼容和统一，有力地推动了软p l c 技术的发展婀 由于以p c 为基础的控制引擎的硬实时性能不足；软p i e 产品的供应商对标 准编程语言缺乏认识；p c 硬件对工业现场的适应性差等原因，2 0 世纪如年代后 期软p 【c 技术发展进入了暂时的低潮期1 7 1 随着计算机和微电子技术的进一步发 展及相关软件的逐渐成熟，本世纪初，嵌入式系统得到了飞速发展这给本陷入 困境的软p l c 技术带来了新的方向开始出现软p l c 技术和嵌入式系统结合起来， 产生了软p l c 技术的嵌入式系统。 近年来，软p l c 的嵌入式系统的提出和研究已成为热门对象软p l c 的嵌入 式技术是由软p l c 和嵌入式系统结合而产生的新技术，它继承了嵌入式系统的体 积小、反应快的优点，同时又克服了传统p l c 的通用性差等弊端它把自动化专 业知识，以高附加值的方式，在嵌入式行业规模经济的基础上加以发展提升与 传统p l c 结构相比，系统更开放，更利于系统的横向和纵向通信 此外，各种p l c 开发工具软件都是和制造商的硬件系统设备捆绑在一起的， 即某一制造商的p l c 开发工具软件，只能在该制造商提供的硬件上使用。这样， 使用多种p l c 的用户就要熟悉和掌握多种p l c 硬件和软件，对开发人员多次培训， 造成人力资源的浪费。同时也使p l c 开发工具软件的销售收到硬件设备销售的制 约 软p l c 的技术标准是开放的，其硬件平台一般是工控机( 口c ) 、通用计算机 ( p c ) 或嵌入式控制器，软件平台是商业操作系统虽然p l c 系统和软p l c 系统 的硬件平台不同，但实现p l c 功能的软件结构相同，都可以分为开发系统和运行 系统两个部分开发系统用于开发各种工业控制p l c 应用程序。运行系统通过运 行p l c 程序，与f o 板卡或现场总线等配合完成逻辑控制软p l c 控制方案根据 p l c 硬件的不同，可以分为三类嘲： ( 1 ) 基于i p c 或p c 的控制方案 该方案的硬件平台是i p c 或普通p c ，软件平台一般是w m d o w sn t 操作系统。 在这种控制方案中，开发系统和运行系统都是在一台计算机上运行的。其控制方 案和控制过程如图1 1 所示。 2 湖北工业大学硕士学位论文 图1 1 基于p c 或者i p c 的控制方案和控制过程 ( 2 ) 基于嵌入式控制器的控制方案 该方案的硬件平台是嵌入式控制器，软件平台是嵌入式操作系统，如p s o s 、 v x w o r k s 等在该控制方案中，开发系统独立于嵌入式控制器，而运行系统被固化 在嵌入式控制器中，其控制方案和控制过程如图1 2 所示 逼信 嵌入式控制器 i 靴蚜躲统卜 i 软p l c 运行系统i 图1 2 基于嵌入式控制器的控制方案和控制过程 ( 3 ) 基于传统的p i e 控制方案 该方案中，p ie 的开发系统一般运行在普通的p c 上，运行系统则运行于普通 的p l c 硬件上，其控制方案和控制过程如图1 3 所示 鼍信传统p l c 硬件- ii o 模块 l i 软p l c 开发系统 jl i 软p l c 运行系统l 置信 _ - f 现场加信号1 图1 3 基于传统p i c 的控制方案和控制过程 基于传统硬件的软p l c 系统成本高基于 c 或者p c 的软p l c 系统虽然看 起来合理，而且开发相应的应用程序也比较方便，但缺点是：w m d o w sn t 不是一 个硬实时操作系统，它不能保证控制的确定性，因而难以确保控制的有效执行， 另外，基于p c 的控制系统的体积较大，很多工控领域使用不灵活、方便。 基于嵌入式控制器的方案被称为基于软p l c 的嵌入式技术。它的开发系统运 行于p c 平台，运行系统则位于安装了嵌入式实时操作系统的嵌入式硬件平台上 3 湖北工业大学硕士学位论文 因此可以有效地克服基于p c 的软p l c 辞退的弊端，同时嵌入式控制器的成本低， 而处理数据的能力却不比硬件p l c 平台的效果差，所以特别适合于分布式控制 所以，基于软p i c 的嵌入式技术得到了很多的关注 1 2 2 国内外软p l c 研究现状 欧美发达国家对软p l c 投资早，重点进行研发，市场上已经有很多产品目 前国内能见到的软p l c 产品有s o f l v l c 公司的s o f t p l c ，德国k w - s o f t w a r e 公司 的m u l t i p r o gw t 3 2 、德国i n f o t e a u n 公司的o p e n p c s 、西门子公司的s i m a t i c w 铀c c 、法国c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 、以及w o n d e r w a r e 公司的 i n c o n l r o l 7 0 等 9 m 1 下面分别简要介绍一下几种软p l c 产品： ( 1 ) s o f l 限l c 公司的s o f t p l c s o f t p l c 是基于p c 的开放式控制软件，具有开放的控制平台，用户能够根据 自己的需求来选择硬件支持用户用梯形图和c 、c + + 、j a v a 等高级语言来编写自 己的程序。此外，s o f t p l c 内嵌w e b 和f r p 服务器，用户可进行远程维护和监控。 s o f t p l c 独立于w m d o w s 操作系统，从d o s 将s o f t p l c 装入内存后，即可控制 c p u 。 ( 2 ) k w - s o f t w a r e 公司的m u l t i p r o gw t 3 2 完全符合i e c 6 1 1 3 1 国际标准，类似v c + + 6 0 的开发界面，开发环境集成化， 支持五种编程语言( 两种文本语言s t 、i l 和三种图形语言i d 、f b d 、s f c ) ，其 中l d 、f b d 、s f c 三种图形编程非常方便直观，方针程序比较完善，但不支持五 种编程语言之间的相互转换 ( 3 ) i n f o t e a m 公司的o p e n p c s o p e n p c s 可以用来实现i e c 6 1 1 3 1 - 3 编程语言的开发工具。它由o p e n e c s 编 程工具和运行系统两部分组成。编程工具是基于w i n d o w s 环境下的i e c 6 1 1 3 1 - 3 编 程软件；运行系统需要通过移植嵌入式到用户的自动化设备中，实现自动化编程 的内核部分。o p e n p c s 源代码公开，允许用户灵活的修改软件，以适应自己产品 或系统需要。 ( 4 ) c ji n t e r n a t i o n a l 公司的i s a g r a f 通过变量交叉表可查询变量的使用情况，可以方便加入用任何标准p l c 语言 编写的功能块，也可以嵌入用c 语言编写的功能块，可以编译生成适用于不通c p u 的代码，仿真程序比较完善，在仿真运行时源程序可以进行监控，可以运行在任 何一种工控机、微处理器或配有加模块的p l c 中，但不完全复合i e c 6 1 1 3 1 国际 标准，开发环境为非集成化的多串口界面 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 5 ) w o n d e r w a r e 公司的i n c o n t r o i 7 0 和人机界面软件h m i 具有良好的接口，支持l d 、f b d 、s f c 三种编程语言， 开发环境集成化，编程简单，每个程序以文件的方式进行管理。 除了上述典型产品外，还有许多自动化公司也推出了自己的产品，如 w e l l s p r i n gs o l u t i o n s 公司的o a 2 c o n h o l g e 公司的c i m p l i c i t y ：i n t e l l u t i o n 公司 的p a r a d y m - 3 1 ；r o c k w e l la u t o m a t i o n 公司的s o f t l o g i x t m 5 c o n t r o l l e r 等等，它们 在技术和应用上都有各自的特点 软p l c 概念于1 9 9 6 年后才被介绍到国内来。由于当时这种技术尚不成熟，所 以只有学术界少数人对此关注。 尽管i n t e r l l m t i o n 和w o n d e r w a r e 的h l v l i 和s c a - d a 软件在我国推广都很成功， 但他们的软逻辑、软p l c 产品p - 3 1 和l n c o n t r o l 却很少人关注 t h i n k & d o 和s t e e p e r c h a s e 的p l c 都是1 9 9 8 、1 9 9 9 年进入中国市场的，特别 是t h i n k & d o 花了很大的努力，至今仍存在很多缺陷但如邮件分拣系统等也有成 功应用这多少与他们不采用i e c 6 1 1 3 1 - 3 ，而是用流程图编程语言有一定关系。 德国k w 公司在1 9 9 8 年以后就在北京设立办事处，着力推广其符合 i e c 6 1 1 3 1 - 3 的编程系统m u i = i i 隙o g 和控制程序p r o c o n o s s i e m e n s 从2 0 0 1 年开始在国内推介其软p l c 系列产品w m c c ，已经有了这方 面的应用。德国i d o n e a m 公司的o p e n p c s 在国内也开始了市场开拓活动，2 0 0 6 年 6 月曾在上海的自动化展览上举办过技术交流， 目前国内一些著名的自动化软件公司( 如北京华富惠通有限公司、北京亚控 自动化软件科技有限公司等) 正在研究开发具有自主产权的软p l c 产品，另外也 有一些自动化工程公司开始代理销售和推广应用这些商用化的软p l c 产品f l l j 1 3 开放的i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的产生及其意义 1 3 1 c 6 1 1 3 1 - 3 标准的产生 1 9 9 3 年国际电工委员会( i e c ) 正式颁布了可编程控制器的国际标准嗍， i e c l l 3 1 ( 以后改称i e c 6 1 1 3 1 ) ，其中的第三部分关于编程语言的标准，规范了可 编程控制器的编程语言及其基本元素这一标准为可编程控制器软件技术的发展， 乃至整个工业控制软件技术的发展都起着重要作用 5 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 2i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准的意义 i e c 6 1 1 3 1 - 3 的优势在于它成功地将现代软件的概念和现代软件工程的机制结 合起来了。m c 6 1 1 3 1 - 3 的优势有： ( 1 ) 采用现代化的模块化原则，将常用的程序功能划分为单元，加以封装构成编 程的基础，还将信息隐藏于模块内，对使用者来火只需了解模块的外部特性，无 须了解内部的算法的实现； ( 2 ) i e c 6 1 1 3 1 - 3 采用自顶向下的设计模式，其所创建的开发环境会对用户的编程 过程给予有力的支持； ( 3 ) i e c 6 1 1 3 1 3 所规范的编程系统独立于任何一个具体的目标系统，可以最大限 度地在不同的系统中运行； ( 4 ) 将现代软件概念浓缩并加以运用； ( 5 ) 完备的数据类型定义和运算限制； ( 6 ) 对程序的执行具有强的控制能力 m c 6 1 1 3 1 3 妥善继承了p l c 发展过程中形成的编程语言多样化的现实，为 p l c 技术的进一步发展提供了广阔的空间；为开放式的可编程控制器编程软件包 的开发提供了指导和规范性的依据，使面向用户的编程语言不再具体依赖于特定 的硬件产品，为p l c 程序在不同机型之间的移植提供了可能；这种开放式、标准 化的软件开发思想及其实现极大地推动了可编程控制器软件技术，乃至整个工控 软件技术的发展。 1 3 3i e c 6 1 1 3 1 3 标准介绍 如图1 4 所示，i e c 6 1 1 3 1 - 3 将标准分为两个部分：公共元素和编程语言 公共元素部分规范了数据类型的定义、变量，给出软件模型，并引入配置 ( c o n f i g u r a t i o n ) 、资源( r e s o u r c e s ) 、任务( t a s k s ) 和程序( p r o g r a m ) 的概念、程 序组织单元( 程序、功能块、函数) 和顺序功能图。 公共元素部分： 1 数据类型定义 用于定义所用的任意变量的类型，在此基础上还可以定义用户特定的数据类 型，即导出数据类型。数据类型定义的目的在于防止早期出错，避免一些不必要 的低级错误，如日期被整数整除等 2 变量 6 湖北工业大学硕士学位论文 仅赋予在配置、资源或程序中的显性硬件地址，以此来建立高级的与硬件无 关的特性，支持软件的重复使用 3 配置、资源、任务和程序 ( 1 ) 配置( 曲g i i m 曲n ) ：软件模型中最上层用于概括某个集体的控制问题的 完整解决方案。 ( 2 ) 资源( r e s o e r c e ) ：系统应用程序正常运行所必须的软件支持，包括信号处 理的软支持、人机接口软支持及传感器、驱动器的软支持 ( 3 ) 任务( t a s k ) ：用于控制程序运行的软件模型中的元素，由周期出发运行 或由事件驱动触发运行。触发运行后可控制程序组织单元如程序体及功能块实例 的启动和运行 ( 4 ) 程序( p r o g r a m ) ：在对机械或过程的控制中，可编程控制器系统对所要求 的信号及数据进行处理时使用的程序语言元素和结构的逻辑组合 4 软件模型 i e c 6 1 1 3 1 - 3 的软件模型m 是一种分层结构，每一层均隐含了其下层的许多特 征，它为将一个复杂的程序分解为若干个可以进行的管理和控制的小单元奠定了 基础。i e c 6 1 1 3 1 - 3 的软件模型是一种面向未来的开发系统它不但可以满足由多 个处理器构成的p l c 系统的软件设计，也可以方便的处理由时间驱动的程序执行。 7 湖北工业大学硕士学位论文 5 程序组织单元 在m c 6 1 1 3 l - 3 标准中，程序、函数和功能块都被称为程序组织单元( p o u ) 6 顺序功能图 顺序功能图是用图形化的方法描述一个控制程序的顺序行为，它在基本遵循 e c 4 8 4 标准的基础上，将表达形式由文档标准转换为执行控制元素行为的组合 顺序功能图将一个程序的内部组织加以结构化，在保持其总貌的前提下将控制问 题分解为若干个可管理的部分顺序功能图有4 个基本元素组成；步( 甜印) ，动 作( a c t i o n ) ，转换( t r a n s i t i o n ) ，转换条件( t r a n s i t i o nm n d i 6 0 n ) 编程语言方面： m c 6 1 1 3 1 3 标准共规定了5 种编程语言，其中3 种是图形化语言，2 种是文体 化语言。图形化语言有梯形图( l a d d e rd i a g r a m ) ，顺序功能图( s e q u 钮t i a lf u n c t i o n c h a r ) ，功能块图( f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) ，文本化语言有指令表( i n s t r u c t i l i s t ) 和结构文本( s t r u c t u r e dt e x t ) 1 4 基于软p l c 的嵌入式系统研究的热点问题 基于软p l c 的嵌入式技术是软p l c 技术和嵌入式系统结合而产生的，继承了 嵌入式系统的体积小、反应快等优点，同时克服了p l c 不通用兼容性的缺点以 高附加值的方式，把自动化专业知识，在嵌入式行业规模经济基础上加以发展提 升结构更加开放，更利于自动化系统的横向和纵向通信基于软p l c 的嵌入式 系统的研究与实现研究的热点如下； ( 1 ) 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现中的嵌入式操作系统 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现分两部分：开发系统和运行系统开 发系统运行在p c 平台上，而运行系统则运行在嵌入式硬件平台上一般而言，嵌 入式硬件平台上都要运行某种嵌入式操作系统，比如u c s h 、u c l i n n x 等等 嵌入式系统的一个重要特点就是资源的有限性，所以如何在一个资源受限的 嵌入式硬件平台上面安装并运行一个嵌入式操作系统成为嵌入式p l c 系统必须要 解决的问题。而且，虽然现在有很多种嵌入式操作系统，但大多数都不是仅针对 控制领域开发设计的，所以不可避免的存在冗余，所以，嵌入式操作系统的匹配 问题也是基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现开发和设计中的一个难题 ( 2 ) 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现中开发系统的设计和实现 开发系统的设计和实现是基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现开发中的一 个重点。基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现是基于正c 6 1 1 3 1 国际标准，所以 8 湖北工业大学硕士学位论文 必然要支持其中的几种语言，如何在一个集成开发环境中支持多种语言，并可以 相互调用成为一个难题与此同时，如果开发系统要支持多种语言，如何定义一 种合理的中间语言以减少开发系统的编译工作量也是必须要考虑的问题。另外， 好的调试功能也是现在开发袭用的一个重要组成部分，同时也是评价开发系统的 一个重要指标，所以如何设计调试功能也是开发系统设计过程中需要考虑的问题 ( 3 ) 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现中运行系统的设计和实现 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现中另一个重要部分就是运行系统运 行系统运行在嵌入式硬件平台上，负责解释执行由开发系统编译连接后产生的目 标文件。运行系统一般由运行内核、通信接口和系统管理三大部分组成其设计 和实现精度很高，它的执行效率将直接影响到系统在现场控制中的反映速度另 外，由于运行系统运行在特定的嵌入式硬件平台上面，因此不容易移植，这与当 前的芯片发展趋势不相符，所以要提高运行系统的可移植性也是一个难点 1 5 研究的目标、重点与特色 1 5 1 课题研究的目的和意义 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现能很好地解决频繁变化的需求与封闭 控制之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强工控系统的柔性， 降低制造成本，使系统具有可互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性、可扩展 性等。它满足了目前技术、市场、生产组织结构等多方面快速变化对工控系统的 柔性和通用性提出的要求尤其随着p c 进入数控领域，极大的丰富了工控系统 的软硬件资源，有利于实现模块化，开放性；同时，保证了工控系统生产企业开 发的一次性投资，并从根本意义上满足了用户的专项需求，极大的提高了作为我 国国民经济基础产业制造业的世界市场竞争力。 研究基于软p l c 的嵌入式系统可以打破以往各p l c 生产厂家产品互不兼容 的局限性，缩短产品开发周期，使p l c 性能价格比提高，带来巨大的经济效益。 p l c 的发展在m c l l 3 1 标准推出以后，尤其是其中关于p i e 编程方面的 m c l l 3 1 3 标准推出后，变得十分迅速目前，s o f t p l c 已经在国外形成了规模性 的研发机制，而国内软p l c 形成产品化生产的企业还不多，我国在控制领域依然 落于人后，且这些研究还没用得到广泛的推广，国内对1 e c l l 3 1 标准的介绍也通 常是一个综述性的表述，没有一个探讨性的说明 目前，国际对软p i e 研究的技术也没有完全成熟。我国应该抓住这个契机， 在国际设备激烈竞争的环境中，开发出具有自主产权的国际一流的高性能工控软 9 湖北工业大学硕士学位论文 件，推动我国工控技术的发展，缩短我国此行业与发达国家的差距，发展我国制 造业 总的说来，软p l c 技术在中国才起步不久。因此对基于软p l c 的嵌入式系统 的研究具有重要意义，也是在。实现硬件系统软件化”道路上进行一定的探讨。 1 5 2 课题来源和主要研究目标 本课题是欧姆龙( 中国) 有限公司深圳分公司的“开放式p l c 系统”的一部 分，本人有幸参与了其中一些起步阶段的部分工作，本文基于实验室开发的开放 式p l c 系统，以系统中的软p l c 为研究目标，分析了基于软p l c 的嵌入式系统 相关技术的实现；由于嵌入式系统具有硬软件可裁减，可移植性好。实时性强， 易于维护，因此采用c i j l l t l x 操作系统，在编译技术和c h 语言的环境下开发， 主要研究内容如下： 根据国内外目前软p l c 和嵌入式结合的发展趋势，基于工控i e c 6 1 1 3 1 国际标 准协议探讨基于软p 【c 的嵌入式系统，并就其关键技术和优点进行说明，研究设 计方案，进行可行性分析探讨，并在某些部分进行实现基于i e c 6 1 1 3 1 国际标准 解决通用性不强的问题，用嵌入式系统解决实时性不强的问题，用编译技术分析 其逻辑关系并予以相互转化，同时使硬p l c 技术解决了抗干扰的问题，是本文要 达到的目的。因此，本课题的目标为： ( 1 ) 在众多l ic i j n 憾，w i n c e ，u d 0 s 等嵌入式操作系统中，选择l ic i j n n x 系 统将其改造成适用于基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现的实时操作系统 ( 2 ) 研究嵌入式软件的开发方法 ( 3 ) 进一步理解基于软p l c 的嵌入式技术的实质 ( 4 ) 设计和实现一个可用的基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现 1 5 3 研究的重点与特色 ( 1 ) 梯形图逻辑关系和嵌入式操作系统的研究 重点在梯形图的逻辑关系上进行虚拟开发，用中间代码进行编译，开放标准 程序支持多任务、事件中断、通道输入，输出、与其他系统的通讯等复杂功能，起 管理调度作用的控制器运行程序用嵌入式操作系统运行程序来解决 ( 2 ) 嵌入式软件开发方法的研究 嵌入式软件开发方法有别于普通软件普通软件的开发不用考虑硬件平台的 设计和开发过程，而嵌入式软件的开发过程要时刻注意硬件部分可能的变动所 以在开发基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现的时候要依据现有的嵌入式软件 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 开发方法来规范操作 ( 3 ) 基于软i l c 的嵌入式系统的研究的设计和实现 基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现的设计和实现也与基于p c 平台的软 i l c 系统不同，它包括开发系统和运行系统开发系统运行与p c 平台，运行系统 运行在嵌入式硬件平台上面，这样一来，面临改革系统的通信接口显得非常重要 另外，开发系统使用了交叉编译器，调试器则采用交叉调试技术，所以这两部分 的实现难度都相应增加运行系统就是软件化了的p l c 系统，它是整个基于软p ie 的嵌入式的核心 以上所述的三个方面的研究和实现既是难点也是重点，设计和实现难度很大。 1 6 论文的组织结构 本论文主要从五个部分阐述了基于软p l c 的嵌入式的设计与开发过程各章 节的内容说明如下： 第一章：引言介绍了软i l c 的嵌入式系统的现状及其发展趋势，以及开放 m c 6 1 1 3 1 - 3 标准，确定本文的重难点，以及研究的目的、意义和目标；并由此确 定了论文的研究方向和开展的主要工作。 第二章：详细的介绍了开放标准和软p i c 的嵌入式系统的关键技术和优点， 并从中总结得出了i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准下软p ie 的嵌入式系统的研究及其各项要求 第三章；对嵌入式操作系统pc i 血呱，编译调试技术以及通信方式进行了分 析和研究 第四章；介绍了一种基于软p i , c 的嵌入式系统的研究与实现的设计和实现， 并试验分析了其达到的效果和性能 第五章；对基于软p l c 的嵌入式系统的研究与实现进行了总结展望分析 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章基于软p l c 的嵌入式系统 2 1 基于软p l c 的嵌入式系统的优点 2 1 1 软p l c 优点 软p i e 是相对传统硬p l c 而言的软p i g 克服了硬p l c 的一些缺点，具体 表现在如下几个方面： ( 1 ) 编译而非解释：硬p l c 一般采用循环扫描工作方式，对用户程序逐条读取， 经过命令解释后，按指令规定的任务，产生相应的控制信号，去启闭有关的控制， 分时分渠道地去处理数据这种边翻译边执行的纯粹解释方式工作效率低 ( 2 ) 高级语言：硬p l c 多采用各厂家独立的专用语言，并且互不兼容，而且对于 复杂的控制系统，编写程序的工作量大，容易出错同时，软件的发展也要与硬 件同步。高级语言不论在对解题算法的描述能力上，还是在编写和调试程序的效 率上，都有无比的优越。并且软p l c 不断向上发展并与计算机系统兼容 ( 3 ) 合理结构：实际的控制需要造成结构形式上的不同。硬p i , c 其实是按一定算 法进行输入输出变换( 信息处理) ，并将这个变换予以物理实现软p i c 只考虑信 息本身，别的不多考虑。软p l c 不对硬件i o 做直接操作，它只对i o 位做标志， 其主要任务是处理i o 的逻辑关系。 ( 4 ) 数据安全：硬p l c 属于存储程序控制，其控制功能是通过存放在存储器内的 程序来实现的系统程序( 如生产厂家提供的监控程序或操作系统) 固化到只读 存储器r o m ，用户程序和数据则存入随机存储器r a m 软p ie 可利用计算机硬 盘容量大和内存大等优势，将系统程序、用户程序和数据都可以直接永久地存于 硬盘中，即使掉电也不会使数据丢失 ( 5 ) 响应速度：硬p l c 的输入输出响应速度慢( m s 级) ，有较大滞后现