嵌入式系统及嵌入式PLC

1、嵌入式系统与嵌入式PLCPLC嵌 入 式 系 统 嵌入式系统的定义及特点 嵌入式处理器 嵌入式操作系统 嵌入式系统的应用 嵌入式系统的发展趋势嵌入式系统的定义IEE定义：嵌入式系统是用来控制、监视或辅助设备、机器或工厂运行的装置。“嵌入式”一词表明嵌入式系统是以上大规模系统中不可或缺的一部分。一般定义：嵌入式系统是计算机软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专业计算机系统。嵌入式系统的特点（1）嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术以及 电子技术与各个行业的具体应用结合的产物。（2）嵌入式系

2、统是面向产品、面向特定应用的（3）嵌入式系统的升级换代和具体的产品同步进行的。有较长生命周期（4）嵌入式系统软件一般固化在存储器或单片机上（5）嵌入式系统本身并不具备在其上进行进一步开发的能力，在设计完成后，用户如果修改其中的程序，须借助于一套开发工具和环境。（6）嵌入式系统开发人员是各个应用领域的专家。（7）对成本、可靠性和实时性有特殊的要求。嵌入式处理器 嵌入式系统的核心是各种类型的嵌入式处理，根据不完全统计，全世界微处理器的品种总量已达1000多种，流行的体系结构有30多个系列，根据其现状，嵌入式处理器可以分为： (1)嵌入式微处理器 (2)嵌入式微控制器 (3)嵌入式DSP处理器 (4

3、)嵌入式片上系统（1）嵌入式微处理器 概念：是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，大幅度减小了系统体积和功耗。特点：在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点，但是在电路板上必须包括ROM、RAM、总线接口、各种外设等器件，从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。主要类型：Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。（2）嵌入式微控制器 定义：嵌入式微控制器又称单片机，是将整个计算机

4、系统集成到一块芯片中。一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、定时/计数器、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要功能和外设。特点：与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。主要类型：比较有代表性的通用系列包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、68300等。另外还有许多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540；支持I2C、CAN-Bus、LCD及众多专用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系统约70的市场份额。（3

5、）嵌入式DSP处理器 特点：DSP处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。应用领域：在数字滤波、FFT、谱分析等运算量较大方面，DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。主流产品：Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已经发展成为DSP56000，DSP56100，D

6、SP56200和DSP56300等几个不同系列的处理器。（4）嵌入式片上系统（SOC） 定义：依托当前快速发展的半导体工艺在一个硅片上实现一个更为复杂的系统，System On Chip（SOC）。特点：各通用处理器内核将作为SOC设计公司的标准库，用户只需定义出整个应用系统，除个别无法集成的器件以外，大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，有体积小、功耗低、可靠性强等特点。SOC类型：分为通用和专用两类。通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，不为一般用户所知。代表性的产品

7、是Philips的Smart XA，它将XA单片机内核和支持超过2048位复杂RSA算法的CCU单元制作在一块硅片上，形成一个可加载JAVA或C语言的专用的SOC，可用于公众互联网如Internet安全方面。 嵌入式操作系统 嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统，要在短时间内掌握并开发出所有功能是很不容易的，而市场竞争则要求产品能够快速上市，这一矛盾要求嵌入式处理器能够有容易掌握和使用的软件开发平台，嵌入式操作系统为嵌入式应用软件的开发提供了良好的基础和开发平台。目前主流的嵌入式操作系统有： (1)VxWorks (2)Windows Embedded (3)Uc/OS- (4)Linux （1

8、）VxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于1983年设计开发的一种嵌入式实时操作系统(RTOS)，是Tornado嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之地。VxWorks具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级的中断处理；支持POSIX 1003.1b实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的TCP/IP网络协议等。但价格昂贵开发和维护成本较高。(2)Windows Embedded Microsoft Windows CE是一个高效率的多平台操作系统，它

9、不是削减的Windows 95版本，而是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。特点：模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工业控制器的用户设备进行定制。但操作系统的基本内核对内存要求较高需要至少200KB的ROM。而嵌入式操作系统就运行在有限的内存中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高的要求。同时没有开放的源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制，另外版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。应用：从SEGA的DreamCast游戏机到现在许多高价掌上电脑，都采用了Windows CE。(3)C/OS c/OS是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，

10、可用于8位，16位和32位单片机或数字信号处理器(DSP)。它是在原版本c/OS的基础上做了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。主要特点：公开源代码，容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上;可移植性，绝大部分源代码是用C语言写的以便于移植到其他微处理器上；可固化，可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少所需的存储空间；占先式,多任务的实时内核，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少。(4)Linux 其最大的特点是源代码公开并且遵循GPL协议，在近些年成为研究热点，据IDG预测嵌入式Linux将占未来两年的嵌入式操作系统份额的5

11、0%。其源代码公开，有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从GPL是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用于用户自己的系统。内核精悍，运行所需资源少，十分适合嵌入式应用。嵌入式系统的应用嵌入式系统在应用数量上远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设备中就包含了5-10个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、网 卡、Modem、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通讯、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术和各

12、个行业的具体应用相结合后的产物，这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、应用高度分散、不断 创新的知识集成系统。 今天嵌入式系统带来的工业年产值已超过了1万亿美元。嵌入式系统的发展趋势 1、产品发展趋势(1)、处理器发展趋向低成本、高集成度与低功耗(2)、低端的8位微控制器和高端的32位、64位微处理器将成为嵌入式处理器的主流 2、技术发展趋势(1)、软硬件协同设计将成为未来改变嵌入式系统竞争格局的技术动力(2)、跨平台技术应用日益广泛 3、产业发展趋势(1)芯片设计厂商与应用企业开展更广范围的合作将成为推动自身业务的方式(2)、嵌入式CPU将成为重要投资领域(3)、芯片设计将吸引更多风

13、险投资者的眼光(4)、嵌入式软件将成为未来竞争的重点 嵌 入 式 PLC 一种面向工业控制的嵌入式系统微内核 嵌入式PLC的概念 嵌入式PLC的功能规划 嵌入式PLC软件平台的硬件环境设计 嵌入式PLC软件平台的内核设计 嵌入式PLC中的CAN网络通信嵌入式PLC的概念嵌入式PLC是指在特定的控制装置中实现PLC（Programmable Logic Controller）编程语言的解释、执行，使特定装置在自身专用功能基础上具有PLC的基本功能。嵌入式PLC软件平台的设计思路是：将嵌入式PLC软件平台规划在一个芯片组（嵌入式PLC的硬件环境）中，在此基础上，开发基于软件平台的微内核。该平台提供

14、除了给用户梯形图直接嵌入和网络互连外，用户在该软件平台上，根据自己的开发对象，可以方便快捷地进行硬件和软件的扩充和设计，提高开发效率。嵌入式PLC的功能规划开发的基于CAN总线的嵌入式PLC的软件平台功能体现在以下三个方面：(1)梯形图语言功能(2)通信功能(3)用户驱动接口功能（1 1）梯形图语言功能）梯形图语言功能 用梯形图编写PLC逻辑控制程序,运算处理程序,满足数字量控制,模拟量控制的需要. 用梯形图设置CAN网络主从站设置及地址设置,引用 CAN网络数据进行系统编程. 用梯形图实施RS485网络通信的数据组织和任务调度,如,RS485主从站设置,地址设置,任务级,报文数,报文长度等参

15、数设置. 用梯形图进行网络通信(CAN通信和RS485通信)监控,如监控设备是否脱线,工作时正确报文流量及错误报文地址等.（2 2）通信功能）通信功能 考虑到当前控制系统的发展特点和嵌入式PLC的各方面的需求，平台规划管理两个串口（RS232和RS485）及一个CAN接口的通信。每个接口都有相关的协议栈，实现在不同的状态下的通信功能。 UART0:下载及监控接口在用户嵌入编程状态下（PRO），下载用户驱动程序在设置状态下（SET），下载梯形图在运行状态下（RUN），连接HMI/IPC监控控制对象 UART1:RS485网络接口设置状态下（SET），传输CANBUS网络配置参数运行状态下（RUN

16、），构建主从式RS485网络 CANBUS:EASYV1.00主体网络接口加载CANEV1.00协议，构建主从式结构的CANBUS网络（3 3）用户驱动接口功能）用户驱动接口功能为满足用户DI/DO、AI/AO处理及用户专用功能（如高速对象）设计而准备的用户程序嵌入接口，包括七个基本嵌入接口及多个中断入口。七个基本嵌入接口如下：USER_CONFIG: 用户I/O配置程序入口USER_START:用户上电初始化程序入口USER_SET_INIT:用户设置初始化程序入口USER_RUN_INIT:用户运行初始化程序入口USER_STEP:用户软中断程序入口（响应时间100us） USER_SCA

17、N:用户演算周期扫描程序入口USER_TMS:用户2.5ms定时运行程序入口 中断入口：中断包括系统中断及用户中断。其中系统中断是用户不可干预的，用户中断则是用户通过中断完成与系统实时上异步的各类事件处理。系统占用中断资源：T0、T1、T2、T3及UART0、UART1、CAN用户能用的中断：除系统占用的中断源以外的CPU提供的中断，用户均可以使用。嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的硬件环境设计软件平台的硬件环境设计（1）原理框图原理框图 图1 嵌入PLC软件平台的芯片组的原理框图其中：供电，5V 200mA，RAM掉电保护5年；CPU，C8051F040；I/O扩展能力，32 I/O可复用成

18、SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等；4路12位精度AD，100 KPS；2路12位精度DA，100 KPS；通信接口：支持RS232，RS485，CAN总线网络通信。嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的硬件环境设计软件平台的硬件环境设计（2 2）外观尺寸及外形图）外观尺寸及外形图 图2嵌入PLC软件平台的芯片组的外形图及尺寸嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的内核设计软件平台的内核设计（1 1）嵌入式）嵌入式PLCPLC软件平台的内核结构软件平台的内核结构嵌入式PLC是一种实时性很强的操作系统软件，总体结构包括三个层面,如图3所示。 嵌入式PLC内核它完成实时任务调度，梯形图语言解 释、执

19、行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口； 二次开发程序通过内核提供的外挂任务，使用内核开发各种面向具体对象个性化差异化的驱动程序； 终端应用程序指面向工艺流程控制的梯形图语言编程； 图3嵌入式PLC内核总体结构嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的内核设计软件平台的内核设计（2 2）嵌入式嵌入式PLC PLC 的任务管理的任务管理 EASYV1.00系统的中断任务管理定时器T0，产生2.5ms时基。中断占用时间小于50usUART0:串口0字节处理中断程序。中断占用时间小于25us UART1:串口1字节处理中断程。中断占用时间小于25us CANBUS：CANBUS总线中断程序。中断占用时间

20、小于50us 系统的四个中断在1ms内综合占用时间小于200us，即占用CPU机时20以内嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的内核设计软件平台的内核设计（2 2）嵌入式嵌入式PLC PLC 的任务管理的任务管理 CANBUS任务调度A A、任务级、任务级EASYV1.00规划CAN网络为主从式结构，为提高主从节点间数据交换的实时性，将数据交换速度分为四个任务级：0级任务：100ms,1级任务：200ms,2级任务：400ms,3级任务：800ms。0级任务每100ms执行一次，信道富余量留给下一级任务,1级任务每200ms执行一次，在0级信道富余量下执行2、3级任务依此类推。B B、任务阻塞处理

21、、任务阻塞处理由于用户CANBUS报文数量在分配任务时不确定及现场干扰等因素造成某级任务在规定时间内无法完成，系统自动追加一个任务周期时间。如0级任务100ms到时没有完成，则下一个100ms继续处理0级任务，再将信道富余量留给下一级任务。C C、报文流量估计、报文流量估计EASYV1.00中CAN报文速度约1ms，每一个收发为2ms，理论收发报文流量产每秒500个，建议用户每级报文数小于25个。嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的内核设计软件平台的内核设计(3) UART1(3) UART1任务调度任务调度A A、任务级、任务级UART1串口1支持主从式结构的RS485网络，报文交换速度分为两

22、个任务级。0级占用2/3时间，1级占用1/3时间，即0级每交换两个报文，1级交换1个报文。B B、流量估计、流量估计 串口0读报文时间 =(38+X*2)*1ms . 串口0写报文时间 =(30X*2)*1ms.X为传输字节数. 不带任务级的理论报文流量：其中，m为读报文数，n为写报文数。建议:1级任务报文尽可能短，0级任务报文尽可能少，则实时性较好。嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的内核设计软件平台的内核设计(4) (4) 用户嵌入任务调度用户嵌入任务调度USER-CONFIG、USER-START、USER-SET-INIT、USER-RUN-INIT为四个非实时部分嵌入的程序，而USER

23、-STEP、USER-SCAN、USER-TMS则直接影响系统的实时性，用户另行嵌入的中断在异步状态下占用CPU时间，其调度上建议如下：USER_STEP:处理100us级软实时任务USER_SCAN:处理I/O、AI/AOUSER_TMS:处理硬实时任务，程序占用时间 应小于40us用户中断：每1ms小于100us。当大于500us 时，有可能产生系统崩溃嵌入式嵌入式PLCPLC软件平台的内核设计软件平台的内核设计（5 5）嵌入式）嵌入式PLC PLC 的存储管理的存储管理 数据存储空间EASYV1.00数据存储空间包括C8051F040 CPU内存及外扩64K带掉电保护的RAM。这些存储单元分为系统占用区、用户嵌入区及PLC资源区三部分。用户独立数据区PLC资源区系统占用区 程序存储空间EASYV1.00程序存储空间为CPU的64K FLASH，嵌入式PLC的程序存储空间的分配为：系统程序区