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嵌入式PLC的基本原理
日期:2008-7-8 11:55:00 来源:本站整理  
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一、嵌入式PLC概念
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嵌入式PLC是指在特定的控制装置中实现PLC(Programable 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。
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PLC编程语言(又称梯形图语言)是一种面向工厂自动化工人师傅的语言,具有简洁、直观,面向工艺流程等许多优点。PLC编程语言的出现使控制装置中的硬件管和面向控制流程分离,PLC制造商专注于硬件及硬件管理,工厂自动化人员借助梯形图语言作二次开发,使同一种PLC适用于不同的控制系统中,形成了可编程逻辑控制器(PLC)这种概念级产品。
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但控制产品的设计已发展到一个追求个性化、差异化设计的阶段。常规PLC无法进入的市场,面临更多的是个性化、差异化的压力,如成本控制、特殊功能等。出现了工控机(IPC)、单片机嵌入板与更贴近个性化需求的控制产品。IPC在互连、表达、算法等方面优势明显,单片机系统在成本控制上更加灵活。IPC由于加载了操作系统(如NT)其实时性、稳定性难以满足连续控制的苛刻要求。更适合于监控,低层通常用PLC;单片机系统将硬件管理和用户工艺流程控制混在一起,制约了它的标准化,并最终失去成本竞争优势。
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嵌入式PLC正是面向IPC和单片机系统开发的,它保留了PLC(借助梯形图语言)硬件管理和工艺控制分离的优势,结合IPC和单片机提供的更个性化、差异化的设计方法,形成一种新的控制器设计理念。当我们在IPC中嵌入PLC的功能时,我们称之为基于PC Base的嵌入式PLC,当我们在单片机中嵌入PLC功能时,我们称它为基于All  ON  One的嵌入式PLC(片级嵌入PLC)。来特别说明时,嵌入式PLC指片级嵌入式PLC,以下描述以科威公司EASY V1.00嵌入式PLC为例。
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二、嵌入式PLC软件架构
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 1、总体结构
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EASY V1.00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。
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①嵌入式PLC内核 它完成实时任务调度,梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能,并提供二次开发驱动接口;
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②二次开发程序 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;
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③终端应用程序 指面向工艺流程控制的梯形图语言编程
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          EASY V1.00总体结构
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对于二次开发人员开发面向个性化对象的驱动程序,必须了解嵌入式PLC内核结构,尤其是驱动接口设计方法,下面分块介绍内核的各块功能。
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 2、实时OS
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面向小型单片机,一般的实时操作系统无法加载,OS/Ⅱ 占用了过多的资源,EASY V1.00内核根据任务的类别、实时要求、定制了一款专用实时OS,它无文件系统和内存管理两部分。
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①硬实时状态下的抢占式并发任务管理
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EASY V1.00内核提供2.5ms基准时基,它作为一种不可剥夺的任务循环执行用于各类任务的监控管理。
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对于工控应用中的异步事件采用并发式任务管理,通过各类中断抢占任务的挂起、执行,每类异步任务执行前,在2.5ms任务中注册,执行后注销,通过2.5ms时基监控并发任务的流量及阻塞状况并报字到上一级任务调度。
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在EASY V1.00中,存在以下异步任务:
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*通信数据链络层的字节流
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*梯形图语言中的定时器
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*二次开发驱动程序中的实时异步任务
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并发任务管理是EASY V1.00中最低层的任务管理,达到ms级实时效果,单位时间内(1ms)占用CPU机时峰值为
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    R
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T并=∑Niti
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   I=0
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Ni-1ms内任务的最大执行次数,ti-i任务的一次执行最大时间。
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任务类别
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不可剥夺任务
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通信节流任务
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梯形图定时器
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驱动并发任务
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2.5ms时基
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串口0
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串口1
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CAN
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执行次数(N1)
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1
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1
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1
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1
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1
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ND
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执行时间(T)
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10us+ΔT
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25ms
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25ms
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50ms
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40ms
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tD
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EASY V1.00并发任务实时数据
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                                   R

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T并=10ms+25ms+25ms+50Hs+40Hs+ΔT+∑Njtj
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                               j=3
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                R
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   =150ms+ΔT+∑Njtj
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               j=3
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其中ΔT为驱动异步任务管理时,在2.5ms时基中占用的时间            
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R
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∑Njtj为驱动异步事件任务占用的时间。
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 j=3
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        R
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系统阻塞条件为ΔT+∑Njtj>1000Hs-150Hs=750ms
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          j=3
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②软实时状态下的时间片级间任务调度
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PLC梯形图语言以“扫描周期”方式逐条指令解释执行的,2.5ms时基监控最大扫描时间,在规定扫描时间内完成各项任务。
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将执行一条梯形图指令及相关任务定义为一个时间片,所有时间片总和为“扫描周期”。
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EASY V1.00一个时间片调度的任务如下:
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*执行一条梯形图语句
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*查询通信报文状态及报文拆装
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*查询梯形图函数调用及运行调用函数
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*查询用户软实时任务及执行用户任务(用户软中断)
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时间片轮间占用CPU机时峰值为
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   4
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T片=∑MRTK
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   k=1
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k为4个软实时任务,mk为每个软实时任务的子任务数,Tr为每个软实时任务的执行时间。
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任务类别
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梯形图
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通讯
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函数调用
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用户软中断
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任务个数
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1
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3
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1
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m4
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任务时间
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1-20ms
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1-10ms
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1-5ms
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t4
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T片=3-45ms+t4
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t4为用户软中断任务占用时间和。
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“扫描周期”指解释、执行所有梯形图指令并执行扫描结束处理所占用的时间,由于这期间有并发任务产生,“扫描周期”应包括并发任务占用时间。
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           T并     150ms+ΔT+∑Njtj

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