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基于DSP／BIOS的PLC执行系统

　　现在工控领域中广泛运用的可编程逻辑操控器(ProgrammableLogicController)大约可以分为两类：传统PLC与软PLC。传统PLC因为自身存在一些不足，例如封闭的硬件体系结构，主要由几家厂商所垄断，而软PLC在开放性及低本钱方面潜力巨大，现在欧美等许多西方国家已经把软件PLC作为一个重点目标进行研究开发。
 

　　传统PLC具有硬实时性，正因为如此它才干供给快速、确定而可重复的呼应。另一方面，因为软PLC是依据PC而树立在必定的操作体系上，例如WindowsNT，而这并不是一个硬实时的操作体系，这使得以PC为基础的操控引擎实时性问题成为制约软PLC发展的主要因素之一。
 

　　针对软PLC在实时性方面的不足，本项目选用依据嵌入式处理器的操控计划，软PLC履行体系作为一个使命在操控器固件内。美国TI公司推出的C6000系列数字信号处理器(DigitalSignalProcessor)具有很高的处理能力，特别是为其TMS320C6000TM、TMS320C5000TM和TMS320C28xTM系列DSP渠道所规划开发的一个尺寸可裁剪的实时多使命操作体系内核DSP/BIOS，供给抢占式多线程、硬件抽象、实时剖析和装备东西，可完成实时线程调度与同步、主机与目标DSP间通信或实时监测。DSP是串行操控的，运算速度快。依据DSP/BIOS实时内核的PLC履行体系，具有相当好的实时性及安稳性。下面侧重介绍其规划及完成方法。
 

　　1软PLC的规划规划
 

　　1．1软PLC的架构剖析
 

　　由PLC履行体系操控的PLC程序划分为一级程序和二级程序，它们的履行周期不*。一级程序每8ms履行一次，处理呼应快的短脉冲信号，例如外部的操作面板信号和报警信号，在程序末尾主动给出完毕符号END1。二级程序为一般的PLC指令，每8nms履行一次，n为第二级程序的切割数。在开端履行二级程序时，PLC履行体系模块会依据履行程序所需求的时间主动把二级程序切割成n块，每个8ms只履行其中一块，并在二级程序完毕时主动给出完毕符号END2。
 

　　1.2PLC履行体系的作业原理
 

　　PLC选用循环扫描方式作业，首*行体系初始化，然后进入循环作业进程包含输入采样、PLC指令履行及输出改写几个阶段。
 

　　1)体系初始化：在循环履行PLC程序前，首先要进行履行体系的初始化，包含参数的输入及变量初值的设置；2)输入的采样：每次履行PLC程序时，要读取外部输入状况至缓冲区中，以备后边程序查询；3)履行用户PLC程序：履行用户程序，就是CPU从PLC程序的首地址开端按次序逐一履行编译后的PLC指令，进程成果暂存在相应的寄存器内；4)输出的改写：履行完用户程序后，需求把处理后需求输出的成果进行外部输出。因为PLC操控的目标大都是改变缓慢的信号，而PLC每次扫描输入和逻辑运算的时间很短，本PLC履行体系设定为每履行一个循环，就进行一遍输出的改写。
 

　　1．3DSP／BIOS的线程调度
 

　　文中的PLC履行体系的开发均在TI公司供给的集成开发环境CCS(CodeComposerStudio)中进行，CCS不仅集成了惯例的开发东西，如源程序编辑器、代码生成东西及调试环境，还供给DSP/BIOS开发东西。DSP/BIOS是一个精简的实时操作体系内核，具有实时操作体系功能。它供给抢占式多线程，支撑多种不同优先级，每种线程都有不同的履行和抢占特性，分别是硬件中止(HWI)包含时钟函数(CLK)、软件中止(SWI)包含周期函数(PRD)、使命线程(TSK)、后台线程(IDL)。线程类型的选取原则：HW1只用来处理对时间要求苛刻的要害使命；SWI用来处理相对独立的函数，假如算法要求比较杂乱则运用TSK。TSK供给了许多使命通信和同步的手法，而且拥有自己独立的堆栈，因此比SWI更灵活。IDL用于履行与时间无关的非要害使命。
 

　　在DSP/BIOS线程调度中，硬件中止与软件中止的高优先级线程可以暂停运转中的低优先级使命，而高优先级的使命线程必须用特定的API才干抢占当时运转的低优先级使命线程，且只有使命线程才干暂停状况。依据PLC履行是一个循环履行进程，且与其它运动线程有杂乱的通讯交互，本履行体系将其树立为一使命线程，由DSP/BIOS实时操作体系进行调度。2PLC履行体系的具体完成
 

　　2．1数据结构定义
 

　　1)PLC指令代码数据结构的界说。PLC用户程序在体系内部以必定的二进制格式存放，选用如下指令开辟一个a字节的内存区存放编译后的PLC指令代码，内存区大小a依据实际状况设定。
 

　　long*plc_pt；
 

　　plc_pt=(long*)malloc(a)；
 

　　2)PLC履行指令结构体的界说。PLC指令代码主要包含内容为指令类型及变量地址，界说如下PLC履行指令结构体：
 

　　structplc_code_type//PLC履行指令结构体
 

　　{
 

　　unsignedcharcode_type；//指令类型
 

　　unsignedshortptaddr；//变量地址
 

　　:28px;background-color:rgb(255,255,255);">}；
 

　　由此，在初始化时界说一个pk_code_type类型的指针直接指向PLC指令代码区.在进行PLC指令解析时，可直接移动该指针进行指令解析并输出。
 

　　2.2PLC指令解析
 

　　PLC履行体系的一个要害问题在于PLC指令的解析，运用DSP的C言语，树立相应的PLC指令的履行函数库。PLC用户程序可看成由多段履行块组成，每个履行块包含条件指令及履行指令。下面分为条件指令解析及履行指令解析来进行描绘。
 

　　2.2.1条件指令解析
 

　　首先界说一个变量来保存条件指令解析成果，以便在解析履行指令时依据此条件指令解析成果进行履行指令处理。
 

　　例如常开触点(LD)可以用如下函数完成：
 

　　voidplcLD(plc_code_type&pc)
 

　　//pc表明当时指令在用户程序中的指针方位
 

　　{if(1==pc->pt_addr)//指令获取的地址为1
 

　　{
 

　　plc_result&=0x01；//闭合状况置位
 

　　}
 

　　}
 

　　2.2.2履行指令解析
 

　　履行指令则依据当时履行块条件指令成果来判别对元件地址进行相应处理。例如置位指令(SET)可以用如下函数完成：
 

　　voidplcSET(plc_code_type&pc)
 

　　{if(plc_result&1)
 

　　//判别条件指令，闭合，有输出
 

　　{
 

　　pc->pt_addr|=0xff；//对应地址置位
 

　　}
 

　　}
 

　　这样，逐一对PLC履行块进行解析，输入和输出单元的改写相同运用函数来完成，后经过输出口送出操控量，完成对用户PLC程序的履行操控。
 

　　ground-color:rgb(255,255,255);">2.3PLC履行体系运转流程
 

　　首先在DSP/BIOS装备东西下的Scheduling项目中树立一个使命线程，比方为PLC_Deal_Task，并对该使命函数的优先级及其它相关内容进行设置，则可直接在PLC_Deal_Task线程中进行PLC指令解析处理，并完成PLC的循环扫描功能。
 

　　总体规划思想如下：设定一级程序的履行周期为m个指令计数履行一次，m与扫描周期有关。在进入二级循环后，首先判别指令计数是否大于m，未到m，则进入履行二级程序。假如条件满意，跳出循环，1周期完成。
 

　　3测验剖析及运用
 

　　3．1软PLC履行体系的测验剖析
 

　　依据上述规划方法构建出PLC履行体系，规划实际运用的PLC程序并在实验机上进行测验，观察设备的逻辑动作及履行体系功能状况。CCS供给了一系列可视化东西对运转体系的功能进行测验，“CPU负荷图”用于剖析CPU的运用率，“使命履行图”可以检测出体系是否契合实时性要求。现依据微钻刃面检测机的工艺进程规划了其PLC程序，下载到本软PLC履行体系中运转，经过CCS监测东西监测其运转功能。图3是CPU负荷图，负荷峰值在25%左右，改变平稳；图4是使命履行图，图中左边栏下面的Assertions项目用于指示某个实时性要求没有到达，或是侦测到某个无效状况，假如Assertions项目没有出现小方块则表明对应线程的调度满意实时性要求。另外，经上机调试，设备全体运转逻辑也*按照程序要求运转。此实验表明，依据DSP/BIOS的软PLC履行体系可以满意实时操控的要求且作业安稳。
 

　　3．2软PLC履行体系的运用
 

　　传统PLC的一个缺陷是硬件体系结构相对封闭，而且本钱高，例如日本三菱PLCFX2N系列操控器自身未集成运动轴操控功能，每添加一个运动轴的操控均需额定扩展脉冲发生器单元(PulseGeneratintUnit，PGU)，假如在多轴设备上运用可能会形成本钱过高而且灵活不行。本课题组开发的运动操控器IPMC8188可独立操控8轴，软PLC履行体系作为一个使命运转在该操控器的固件中。比照传统PLC，有安稳强壮的PLC功能的运动操控器可下降操控体系构建的杂乱程度，提高操控效率及开发效率。图5所示为内嵌软PLC履行体系的IMPC8188运动操控器，现在，该型运动操控器已在全主动刃面检测机、主动贴片机及全主动微钻磨尖机等主动化设备上运用并安稳运转。
 

　　4完毕语
 

　　依据嵌入式处理器的软PLC履行体系能有效的弥补软PLC在实时性及安稳性方面的不足，而且因为自带操作体系，有可靠地数据存储和自恢复功能。文中论说的依据DSP/BIOS的PLC履行体系的规划，与运动操控相结合，在小中型主动化设备方面运用广泛，另外在完成大规模体系的综合性主动操控方面也有很大的发展潜力。

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