摘要：本文通過對經(jīng)典控制器的分析，提出了嵌入式PLC的概念，重點以EASYV1.00嵌入式PLC軟件內(nèi)核結(jié)構(gòu)作基本分析，以引導(dǎo)工控設(shè)計人員建立一種新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計理念。
1引言：嵌入式PLC概念
嵌入式PLC是指在特定的控制裝置中實現(xiàn)PLC（ProgramableLogicController）梯形圖編程語言的解釋、執(zhí)行，使特定裝置在自身專用功能基礎(chǔ)上具有PLC的基本功能。
梯形圖是一種面向工廠自動化工程師的圖形化PLC編程語言。梯形圖具有簡潔、直觀，面向工藝流程等許多優(yōu)點。PLC編程語言的出現(xiàn)使控制裝置中的硬件管和面向控制流程分離，PLC制造商專注于硬件及硬件管理，工廠自動化人員借助梯形圖語言作二次開發(fā)，使同一種PLC適用于不同的控制系統(tǒng)中，形成了可編程邏輯控制器（PLC）這種平臺級產(chǎn)品。
但控制產(chǎn)品的設(shè)計已發(fā)展到一個追求個性化、差異化設(shè)計的階段。常規(guī)PLC無法進(jìn)入的市場，通常面臨更多的是個性化、差異化的壓力。如成本控制、特殊功能等。出現(xiàn)了工控機(jī)（IPC）、單片機(jī)、嵌入板等更貼近個性化需求的控制產(chǎn)品。IPC在互連、表達(dá)、算法等方面優(yōu)勢明顯，單片機(jī)系統(tǒng)在成本控制上更加靈活。IPC由于加載了操作系統(tǒng)（如NT）其實時性、穩(wěn)定性難以滿足連續(xù)控制的苛刻要求，通常用于監(jiān)控。低層通常用PLC。單片機(jī)系統(tǒng)將硬件管理和用戶工藝流程控制混在一起，制約了它的標(biāo)準(zhǔn)化，并最終失去成本競爭優(yōu)勢。
嵌入式PLC正是面向IPC和單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的，它保留了PLC（借助梯形圖語言）硬件管理和工藝控制分離的優(yōu)勢，結(jié)合IPC和單片機(jī)提供的更個性化、差異化的設(shè)計方法，形成一種新的控制器設(shè)計理念。當(dāng)我們在IPC中嵌入PLC的功能時，我們稱之為基于PCBase的嵌入式PLC，當(dāng)我們在單片機(jī)中嵌入PLC功能時，我們稱它為基于AllONOne的嵌入式PLC（片級嵌入PLC）。未特別說明時，嵌入式PLC指片級嵌入式PLC，也就是本文提出的嵌入式PLC。以下描述以8位單片機(jī)C8051F040為硬件的以科威公司EASYV1.00版嵌入式PLC軟件架構(gòu)。
目前，關(guān)于專用PLC有軟PLC和客制式PLC兩種。軟PLC指高端嵌入的含通用實時操作系統(tǒng)的PLC軟件，客制式PLC是指根據(jù)用戶需求定向設(shè)計的PLC。相關(guān)技術(shù)在德國、臺灣、南韓均有突破，屬于嵌入式PLC的范疇。
2嵌入式PLC軟件架構(gòu)
2.1總體結(jié)構(gòu)
EASYV1.00嵌入式PLC是一種實時性很強(qiáng)的操作系統(tǒng)軟件，總體結(jié)構(gòu)包括三個層面，如圖1所示。
（1）嵌入式PLC內(nèi)核它完成實時任務(wù)調(diào)度，梯形圖語言解釋、執(zhí)行、通訊等基本功能，并提供二次開發(fā)驅(qū)動接口；
（2）二次開發(fā)程序通過內(nèi)核提供的外掛任務(wù)，使用內(nèi)核開發(fā)各種面向具體對象個性化差異化的驅(qū)動程序；
（3）終端應(yīng)用程序指面向工藝流程控制的梯形圖語言編程；
對于二次開發(fā)人員開發(fā)面向個性化對象的驅(qū)動程序，必須了解嵌入式PLC內(nèi)核結(jié)構(gòu)，尤其是驅(qū)動接口設(shè)計方法，下面分塊介紹內(nèi)核的各塊功能。
2.2實時OS
面向小型單片機(jī)，一般的實時操作系統(tǒng)無法加載，OS/Ⅱ占用了過多的資源，EASYV1.00內(nèi)核根據(jù)任務(wù)的類別、實時要求、定制了一款專用實時OS，它無文件系統(tǒng)和內(nèi)存管理兩部分。
（1）硬實時狀態(tài)下的搶占式并發(fā)任務(wù)管理
EASYV1.00內(nèi)核提供2.5ms基準(zhǔn)時基，它作為一種不可剝奪的任務(wù)循環(huán)執(zhí)行用于各類任務(wù)的監(jiān)控管理。
對于工控應(yīng)用中的異步事件采用并發(fā)式任務(wù)管理，通過各類中斷搶占任務(wù)的掛起、執(zhí)行，每類異步任務(wù)執(zhí)行前，在2.5ms任務(wù)中注冊，執(zhí)行后注銷，通過2.5ms時基監(jiān)控并發(fā)任務(wù)的流量及阻塞狀況并報字到上一級任務(wù)調(diào)度。
（2）EASYV1.00中異步任務(wù)
·通信數(shù)據(jù)鏈絡(luò)層的字節(jié)流
·梯形圖語言中的定時器
·二次開發(fā)驅(qū)動程序中的實時異步任務(wù)
并發(fā)任務(wù)管理是EASYV1.00中最低層的任務(wù)管理，達(dá)到ms級實時效果，單位時間內(nèi)（1ms）占用CPU機(jī)時峰值為:
T并＝
Ni——1ms內(nèi)任務(wù)的最大執(zhí)行次數(shù)，ti——任務(wù)的一次執(zhí)行最大時間。
EASYV1.00并發(fā)任務(wù)實時數(shù)據(jù)見表1、表2。
表1EASYV1.00并發(fā)任務(wù)實時數(shù)據(jù)
任務(wù)類別不可剝奪任務(wù)通信字節(jié)流任務(wù)梯形圖定時器驅(qū)動并發(fā)任務(wù)
2.5ms時基串口0串口1CAN
執(zhí)行次數(shù)（N1）11111ND
執(zhí)行時間（T）10μs+ΔT25μs25μs50μs40μstD
表2EASYV1.00并發(fā)任務(wù)實時數(shù)據(jù)
任務(wù)類別梯形圖通訊函數(shù)調(diào)用用戶軟中斷
任務(wù)個數(shù)131m4
任務(wù)時間1-20μs1-10μs1-5μst4
T片＝3－45μs+t4
t4為用戶軟中斷任務(wù)占用時間和。
“掃描周期”指解釋、執(zhí)行所有梯形圖指令并執(zhí)行掃描結(jié)束處理所占用的時間，由于這期間有并發(fā)任務(wù)產(chǎn)生，“掃描周期”應(yīng)包括并發(fā)任務(wù)占用時間。
并發(fā)任務(wù)占用比：
X＝T并/1ms＝（150μs+ΔT+）/1000μs＝15%－100%
設(shè)用戶梯形圖含M條指令
T掃＝（M?T片+ΔTend）/X
ΔTend為掃描結(jié)束處理占用時間。
2.3內(nèi)存管理
ESAYV1.00的運行數(shù)據(jù)空間包括64K外部RAM+256字節(jié)CPURAM，將其分解為系統(tǒng)占用區(qū)、PLC資源區(qū)、用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)三部分。
（1）系統(tǒng)占用區(qū)
系統(tǒng)占用區(qū)是EASYV1.00運行時，進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存、狀態(tài)保持、系
統(tǒng)堆棧等不對PLC及用戶開設(shè)的域區(qū)。這部分?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的初始化運行中的監(jiān)視都由實時OS管理，PLC及用戶嵌入程序不得非法侵入。
（2）PLC資源區(qū)
梯形圖語言管理的數(shù)據(jù)區(qū)包括位區(qū)、字區(qū)兩部分。通常以元件形式體現(xiàn)。
·輸入繼電器X：X0-X177128點位型
·輸出繼電器Y：Y0-Y177128點位型
·中間繼電器M：M0-M15351536點位型
·專用中間繼電器M8000-M8255256點位型
·狀態(tài)繼電器S：S0-S9991000點位型
·時間繼電器T：T0-T255256點位型+字型
·計數(shù)器C：C0-C255256點位型+字型
·通用數(shù)據(jù)寄存器D：D0-D79998000個字型
·專用數(shù)據(jù)寄存器D：D8000-D8255256個字節(jié)
所有PLC資源是梯形圖運行時進(jìn)行數(shù)據(jù)存取的區(qū)域，是終端應(yīng)用層可視化區(qū)域，用戶嵌入的驅(qū)動程序，可使用對應(yīng)元件的絕對地址進(jìn)行存取，實現(xiàn)了嵌入程序與PLC梯形圖之間的數(shù)據(jù)交換。
（3）用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)
當(dāng)用戶以EASYV1.00內(nèi)核設(shè)計各種嵌入系統(tǒng)時，需針對具體硬件做必要的驅(qū)動程序，該部分程序的私有數(shù)據(jù)存放于用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)，公有數(shù)據(jù)存放于PLC的資源區(qū)，用戶嵌入數(shù)據(jù)區(qū)分配如下：
CPU內(nèi)部：位區(qū)（bitRAM）:20H-23H4bytes
字節(jié)區(qū)（DRAM）:58H-67H16bytes
外部數(shù)據(jù)存取器：字節(jié)區(qū)（XRAM）:3600H-3FFFH2560bytes
2.4梯形圖語言
EASYV1.00梯形圖語言是一種解釋性語言，每一條梯形圖語句對應(yīng)一個固定的函數(shù)調(diào)用，逐句掃描直至END為一個掃描周期，EASYV1.00支持86條梯形圖指令。
（1）基本指令(27條)
助記符名稱助記符名稱
LD讀取常開點LDF讀取下降沿
LDI讀取常閉點ANDP串接上升沿
AND串入常開點ANDF串接下降沿
ANDI串入常閉點ORP并接上升沿
OR并入常開點ORF并接下降沿
ORI并入常閉點INV運算觸點取反
ANB電路塊串聯(lián)MPS運算觸點壓棧
ORB電路塊并聯(lián)MRD讀出壓棧觸點
OUT線圈輸出MPP彈出壓棧觸點
SET線圈輸出保持MC主控
RST清除線圈輸出MCR主控結(jié)束
PLS上升沿輸出脈沖NOP空操作
PLF下降沿輸出脈沖END程序結(jié)束
LDP讀取上升沿
（2）步進(jìn)順控指令(2條)
助記符名稱助記符名稱
STL步進(jìn)梯形圖開始RET步進(jìn)梯形圖結(jié)束
注：步序狀態(tài)轉(zhuǎn)移只能用SET,當(dāng)用OUT時視作普通繼電器。
（3）功能指令(56條)
助記符名稱助記符名稱
程序流程CJ條件跳轉(zhuǎn)浮點數(shù)運算ECMP2進(jìn)制浮點數(shù)比較
CALL子程序調(diào)用EZCP2進(jìn)制浮點數(shù)區(qū)域比較
SRET子程序返回EBCD2進(jìn)制浮點數(shù)轉(zhuǎn)10進(jìn)制浮點數(shù)
FEND主程序結(jié)束EBIN10進(jìn)制浮點數(shù)轉(zhuǎn)2進(jìn)制浮點數(shù)
FOR循環(huán)范圍開始EADD2進(jìn)制浮點數(shù)加法
NEXT循環(huán)范圍結(jié)束ESUB2進(jìn)制浮點數(shù)減法
傳送與比較CMP比較EMUL2進(jìn)制浮點數(shù)乘法
ZCP區(qū)域比較EDIV2進(jìn)制浮點數(shù)除法
MOV傳送ESQR2進(jìn)制浮點數(shù)開方
CML取反傳送INT2進(jìn)制浮點數(shù)轉(zhuǎn)BIN整數(shù)
BCDBCD轉(zhuǎn)換FLTBIN整數(shù)轉(zhuǎn)2進(jìn)制浮點數(shù)
BINBIN轉(zhuǎn)換接點運算LD=讀取“等于比較節(jié)點”
四則邏輯運算ADDBIN加法LD>讀取“大于比較節(jié)點”
SUBBIN減法LD<讀取“小于比較節(jié)點”
MULBIN乘法LD<>讀取“不等于比較節(jié)點”
DIVBIN除法LD≦讀取“小于等于比較節(jié)點”
INCBIN加1LD≧讀取“大于等于比較節(jié)點”
DECBIN減1AND=串聯(lián)“等于比較節(jié)點”
WAND邏輯字與AND>串聯(lián)“大于比較節(jié)點”
WOR邏輯字或AND<串聯(lián)“小于比較節(jié)點”
WXOR邏輯字異或AND<>串聯(lián)“不等于比較節(jié)點”
NEG求補碼AND≦串聯(lián)“小于等于比較節(jié)點”
SQRBIN開方AND≧串聯(lián)“大于等于比較節(jié)點”
循環(huán)與移位ROR循環(huán)右移OR=并聯(lián)“等于比較節(jié)點”
ROL循環(huán)左移OR>并聯(lián)“大于比較節(jié)點”
RCR帶進(jìn)位循環(huán)右移OR<并聯(lián)“小于比較節(jié)點”
RCL帶進(jìn)位循環(huán)左移OR<>并聯(lián)“不等于比較節(jié)點”
OR≦并聯(lián)“小于等于比較節(jié)點”
OR≧并聯(lián)“大于等于比較節(jié)點”
（4）專家指令(1條)
助記符名稱
PID專家算法
2.5EASYV1.00通信
EASYV1.00內(nèi)核包括串口0、串口1、CANbus三個通信接口，每個接口均定制了相應(yīng)的通信協(xié)議，適用于不同的應(yīng)用場合。
（1）串口0
l用戶嵌入程序下載
在編程狀態(tài)下,通過串口0下載用戶嵌入程序.
嵌入程序下載軟件為科威公司軟件Downhex.
l梯形圖下載
在設(shè)置狀態(tài)下,通過串口0下載梯形圖程序.
下載工具軟件為科威公司軟件EasyWin或三菱公司軟件FXGP_WIN-C.
l梯形圖程序監(jiān)控
在運行狀態(tài)下,通過串口0連接人機(jī)界面(如HITECH,EVIEW,DELTA,三菱等)和計算機(jī),對梯形圖程序和控制參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控.
（2）串口1
l下載CAN網(wǎng)絡(luò)配置內(nèi)容
在設(shè)置(SET)狀態(tài)下,下載CAN網(wǎng)絡(luò)配置內(nèi)容.
編輯下載CAN網(wǎng)絡(luò)配置軟件為科威公司軟件CANSET.
lRS485網(wǎng)絡(luò)連接端口
在運行(RUN)狀態(tài)下,作為RS485主從式網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換接口.
該接口網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議由內(nèi)核自動加載,遵循該協(xié)議的子節(jié)點可自動連入該網(wǎng)絡(luò).如運動控制器的擴(kuò)展鍵盤連接.
（3）CANbus通信
EASYV1.00內(nèi)核含CANbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議，在CAN2.0B基礎(chǔ)上，加載了專用的主從式結(jié)構(gòu)的高層協(xié)議，借助梯形圖語言，對CANbus占用的PLC資源進(jìn)行管理（CANbus文件寄存器）即可實現(xiàn)CANbus互連。
2.6函數(shù)調(diào)用
EASYV1.00系統(tǒng)提供嵌入驅(qū)動程序函數(shù)調(diào)用，為嵌入程序設(shè)計系統(tǒng)提供了EASYCORE.LIB函數(shù)庫，用戶在嵌入時，只要包含該文件（includeEASYCORE.LIB）即可調(diào)用系統(tǒng)提供的各類應(yīng)用函數(shù)，如整數(shù)、浮點數(shù)運算，數(shù)據(jù)變換等函數(shù)。
2.7用戶中斷系統(tǒng)
EASYV1.00運行在C8051F040CPU上時，給用戶提供了13種中斷，如事件中斷、SPI、IIC、A/D、D/A、比較、捕獲等。
系統(tǒng)中斷入口地址重定向為E000H開始的區(qū)域
ADR=ADR0+E000H
ADR0---F040中斷入口地址
3結(jié)束語
嵌入式PLC提出了一種以過程控制語言（梯形圖語言）核心的新型嵌入系統(tǒng)設(shè)計理念。既可以作為PLC產(chǎn)品的開發(fā)平臺，也可以作為常規(guī)單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計。以嵌入式PLC方式進(jìn)行控制器設(shè)計提高了開發(fā)速度，更適應(yīng)貼近客戶需求的個性化、差異化設(shè)計要求。面對工控市場日益細(xì)分的完備體系，嵌入式PLC在DCS、IPC、PLC、單片機(jī)的交叉市場中具有廣闊的應(yīng)用前景。
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