一種基于RT-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式PLC設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

引言

在數(shù)控機(jī)床中，通常用可編程控制器（PLC）對(duì)機(jī)床開關(guān)量信號(hào)進(jìn)行控制。PLC可靠性高，使用方便。但在大多數(shù)數(shù)控機(jī)床，特別是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，要求的輸入輸出點(diǎn)數(shù)并不多，通常在60點(diǎn)以下，因此，為了降低數(shù)控機(jī)床成本，在基于工業(yè)PC機(jī)的數(shù)控系統(tǒng)中，可以采用開關(guān)量I/O板加外接繼電器，配合主機(jī)的軟件對(duì)機(jī)床開關(guān)進(jìn)行控制。但如果PC機(jī)采用單任務(wù)操作系統(tǒng)（如DOS），數(shù)控系統(tǒng)的所有任務(wù)運(yùn)行都置于一個(gè)總體的消息循環(huán)中，軟件的模塊化和可維護(hù)性較差，系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)集中，而且不能充分利用PC機(jī)系統(tǒng)資源。而采用非實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（如Windows）時(shí)，Win32API的設(shè)計(jì)沒有考慮到實(shí)時(shí)環(huán)境的開發(fā)用途，其系統(tǒng)調(diào)用的效率不高，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)PLC控制的實(shí)時(shí)性要求。為此，本文提出一種基于RT-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式PLC，利用RT-Linux的開放性、模塊化和可擴(kuò)展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性和多線程/多任務(wù)的系統(tǒng)環(huán)，在保證實(shí)時(shí)性的同時(shí)，使故障風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)分散。

1 數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)硬件建立在通用工業(yè)PC的開放體系之上，數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC硬件包括：工控機(jī)及其外圍設(shè)備，基于ISA總線的開關(guān)量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工控機(jī)采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的人機(jī)界面、數(shù)控代碼處理、軌跡規(guī)劃、參數(shù)管理以及PLC控制都通過工控機(jī)由軟件來實(shí)現(xiàn)，不需要獨(dú)立的PLC控制器，減少了數(shù)控系統(tǒng)對(duì)硬件的依賴，有利于提高系統(tǒng)的開放性。I/O輸入輸出信息通過PC機(jī)I/O接口卡實(shí)現(xiàn)主機(jī)與伺服接口模塊和I/O接口模塊之間的信息交換，PC機(jī)I/O接口卡基于ISA或者PCI總線。

2 RT-Linux的體系結(jié)構(gòu)

RT-Linux是基于Linux系統(tǒng)并可運(yùn)行于多種硬件平臺(tái)的32位硬實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它基于基于Linux并可運(yùn)行于多種硬件平臺(tái)的多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。通過修改Linux內(nèi)核的硬件層，采用中斷仿真技術(shù)，在內(nèi)核和硬件之間實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小而高效的實(shí)時(shí)內(nèi)核，并在實(shí)時(shí)內(nèi)核的基礎(chǔ)上形成了小型的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，而Linux內(nèi)核僅作為實(shí)時(shí)系統(tǒng)最低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)運(yùn)行。對(duì)于普通X86的硬件結(jié)構(gòu)，RT-Linux擁有出色的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，其最大中斷延遲時(shí)間不超過15μs，最大任務(wù)切換誤差不超過35μs。這些實(shí)時(shí)參數(shù)與系統(tǒng)負(fù)載無關(guān)，而取決于計(jì)算機(jī)的硬件，如在PII350，64M內(nèi)存的普通PC機(jī)上，系統(tǒng)最大延遲時(shí)間不超過1μs。RT-Linux按實(shí)時(shí)性不同分為實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實(shí)時(shí)域在設(shè)計(jì)上遵循實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則，即系統(tǒng)具有透明性、模塊化和可擴(kuò)展性。RT-Linux的實(shí)時(shí)內(nèi)核由一個(gè)核心部分和多個(gè)可選部分組成，核心部分只負(fù)責(zé)高速中斷處理，支持SMP操作且不會(huì)被底層同步或中斷例程延遲或重入。其它功能則由可動(dòng)態(tài)加載的模塊擴(kuò)充。RT-Linux把不影響系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的操作（即非實(shí)時(shí)域的操作）都留給了非實(shí)時(shí)的Linux系統(tǒng)完成?；诙嗳蝿?wù)環(huán)境的Linux為軟件開發(fā)提供了豐富的系統(tǒng)資源，如多種進(jìn)程間通訊機(jī)制，靈活的內(nèi)存管理機(jī)制。

3 嵌入式PLC的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 嵌入式PLC的模塊組成

數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制模塊實(shí)時(shí)性要求較高，因而必須在系統(tǒng)的實(shí)時(shí)域內(nèi)運(yùn)行。根據(jù)通用數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制以及數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設(shè)計(jì)的要求，將數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制模塊作為RT-Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)任務(wù)之一，其優(yōu)先級(jí)和調(diào)用周期取決于數(shù)控系統(tǒng)各任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求以及控制要求的響應(yīng)時(shí)間。PLC控制模塊主要完成數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制，而被控制的輸入輸出也就是I/O的輸入輸出由PC機(jī)I/O接口卡輸入輸出模塊來完成，即完成數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制需要兩個(gè)RT-Linux實(shí)時(shí)任務(wù)，如圖3所示，這兩個(gè)任務(wù)分別為RT-Task1（以下稱“適配卡輸入輸出”）、RT-Task2（以下稱“PLC控制”）。

圖3是基于RT-Linux系統(tǒng)的嵌入式PLC實(shí)時(shí)任務(wù)關(guān)系圖，其中適配卡輸入輸出主要是完成數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出，即各軸位置控制命令的輸出、I/O的輸出、I/O輸入以及位置反饋輸入。它實(shí)際上是數(shù)控系統(tǒng)控制卡的設(shè)備驅(qū)動(dòng)模塊，其優(yōu)先級(jí)在數(shù)控系統(tǒng)的各實(shí)時(shí)任務(wù)中為最高級(jí)。根據(jù)其硬件特征以及運(yùn)動(dòng)控制要求，其響應(yīng)周期為100μs，響應(yīng)時(shí)鐘周期由PC機(jī)I/O接口卡上的硬件定時(shí)器產(chǎn)生。根據(jù)RT-Linux系統(tǒng)對(duì)硬件中斷的響應(yīng)機(jī)制，輸入輸出控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性是可以保證的，這一點(diǎn)在我們的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)得到驗(yàn)證。圖中PLC控制主要是完成數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制功能，其任務(wù)優(yōu)先級(jí)低于適配卡輸入輸出，同時(shí)也低于數(shù)控系統(tǒng)的精插補(bǔ)實(shí)時(shí)任務(wù)和位置伺服實(shí)時(shí)任務(wù)。根據(jù)通用數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制要求，確定其響應(yīng)周期為5ms，響應(yīng)周期由RT-Linux的軟件定時(shí)器產(chǎn)生，根據(jù)RT-Linux系統(tǒng)的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度機(jī)制，PLC控制任務(wù)的實(shí)時(shí)性是可以保證的。在實(shí)際應(yīng)用中也得到驗(yàn)證。

3.2 嵌入式PLC的實(shí)時(shí)任務(wù)模塊數(shù)據(jù)通訊

完成數(shù)控系統(tǒng)PLC控制的兩個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)之間由于需要輸入輸出的數(shù)據(jù)量（一般情況下為64輸入，64輸出，但輸入輸出根據(jù)需要還可以擴(kuò)展）不太大，因而采用共享內(nèi)存的通訊方式，在適配卡輸入輸出和PLC控制。兩個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)之間開兩塊共享內(nèi)存，一塊用于適配卡向PLC控制傳輸I/O口狀態(tài)信息，另一塊用于PLC控制向適配卡輸入輸出任務(wù)傳輸經(jīng)PLC邏輯處理后的控制信息。

在這里，兩個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)間不采用RT-FIFO進(jìn)行通訊的原因在于這兩個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)間通訊的數(shù)據(jù)量不是很大，而這兩個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)運(yùn)行周期差別較大，采用RT-FIFO傳輸數(shù)據(jù)，為了避免FIFO的阻塞，相應(yīng)地要增加兩個(gè)任務(wù)間的協(xié)調(diào)機(jī)制，這樣的通訊效果未必比采用共享內(nèi)存好，而且共享內(nèi)存的讀寫速度比FIFO相對(duì)較快。

3.3 嵌入式PLC的實(shí)時(shí)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)

適配卡輸入輸出為動(dòng)態(tài)可加載模塊，適配卡輸入輸出模塊（任務(wù)）以100μs為周期的硬件定時(shí)中斷，完成各軸位置控制指令和I/O的輸出、各軸位置反饋值和I/O的輸入，適配卡輸出值來自于位置伺服任務(wù)和PLC控制任務(wù)，輸入值來自于適配卡的輸入接口。PLC控制模塊（任務(wù)）同樣也是一個(gè)動(dòng)態(tài)可加載模塊，它以5ms的軟定時(shí)，周期性地從它與總控模塊通訊的RT-FIFO讀取控制信息（如M指令，S指令及T指令），同時(shí)從它與適配卡輸入輸出模塊通訊的共享內(nèi)存中讀取I/O信息，然后進(jìn)行邏輯處理，最后將結(jié)果寫入共享內(nèi)存供適配卡輸入輸出模塊讀取并輸出。

4 結(jié)論

目前該嵌入式PLC模塊已成功應(yīng)用，可以滿足對(duì)普通數(shù)控系統(tǒng)和加工中心PLC控制要求。