嵌入式系統(tǒng)及嵌入式PLC

1、嵌入式系統(tǒng)與嵌入式PLCPLC嵌 入 式 系 統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的定義及特點 嵌入式處理器 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)的定義IEE定義：嵌入式系統(tǒng)是用來控制、監(jiān)視或輔助設(shè)備、機器或工廠運行的裝置?！扒度胧健币辉~表明嵌入式系統(tǒng)是以上大規(guī)模系統(tǒng)中不可或缺的一部分。一般定義：嵌入式系統(tǒng)是計算機軟件與硬件的綜合體，它是以應(yīng)用為中心，以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁減，從而能夠適應(yīng)實際應(yīng)用中對功能、可靠性、成本、體積、功耗等嚴格要求的專業(yè)計算機系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)的特點（1）嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)以及 電子技術(shù)與各個行業(yè)的具體應(yīng)用結(jié)合的產(chǎn)物。（2）嵌入式系

2、統(tǒng)是面向產(chǎn)品、面向特定應(yīng)用的（3）嵌入式系統(tǒng)的升級換代和具體的產(chǎn)品同步進行的。有較長生命周期（4）嵌入式系統(tǒng)軟件一般固化在存儲器或單片機上（5）嵌入式系統(tǒng)本身并不具備在其上進行進一步開發(fā)的能力，在設(shè)計完成后，用戶如果修改其中的程序，須借助于一套開發(fā)工具和環(huán)境。（6）嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員是各個應(yīng)用領(lǐng)域的專家。（7）對成本、可靠性和實時性有特殊的要求。嵌入式處理器 嵌入式系統(tǒng)的核心是各種類型的嵌入式處理，根據(jù)不完全統(tǒng)計，全世界微處理器的品種總量已達1000多種，流行的體系結(jié)構(gòu)有30多個系列，根據(jù)其現(xiàn)狀，嵌入式處理器可以分為： (1)嵌入式微處理器 (2)嵌入式微控制器 (3)嵌入式DSP處理器 (4

3、)嵌入式片上系統(tǒng)（1）嵌入式微處理器 概念：是通用計算機中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門設(shè)計的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，大幅度減小了系統(tǒng)體積和功耗。特點：在工作溫度、抗電磁干擾、可靠性等方面一般都做了各種增強。和工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高的優(yōu)點，但是在電路板上必須包括ROM、RAM、總線接口、各種外設(shè)等器件，從而降低了系統(tǒng)的可靠性，技術(shù)保密性也較差。主要類型：Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、68000、MIPS、ARM系列等。（2）嵌入式微控制器 定義：嵌入式微控制器又稱單片機，是將整個計算機

4、系統(tǒng)集成到一塊芯片中。一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、定時/計數(shù)器、I/O、串行口、A/D、D/A等各種必要功能和外設(shè)。特點：與嵌入式微處理器相比，微控制器的最大特點是單片化，體積大大減小，從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統(tǒng)工業(yè)的主流。主要類型：比較有代表性的通用系列包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、68300等。另外還有許多半通用系列如：支持USB接口的MCU 8XC930/931、C540；支持I2C、CAN-Bus、LCD及眾多專用MCU和兼容系列。目前MCU占嵌入式系統(tǒng)約70的市場份額。（3

5、）嵌入式DSP處理器 特點：DSP處理器對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進行了特殊設(shè)計，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。應(yīng)用領(lǐng)域：在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等運算量較大方面，DSP算法正在大量進入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機中以普通指令實現(xiàn)DSP功能，過渡到采用嵌入式DSP處理器。主流產(chǎn)品：Texas Instruments的 TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000目前已經(jīng)發(fā)展成為DSP56000，DSP56100，D

6、SP56200和DSP56300等幾個不同系列的處理器。（4）嵌入式片上系統(tǒng)（SOC） 定義：依托當前快速發(fā)展的半導(dǎo)體工藝在一個硅片上實現(xiàn)一個更為復(fù)雜的系統(tǒng)，System On Chip（SOC）。特點：各通用處理器內(nèi)核將作為SOC設(shè)計公司的標準庫，用戶只需定義出整個應(yīng)用系統(tǒng)，除個別無法集成的器件以外，大部分均可集成到一塊或幾塊芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板將變得很簡潔，有體積小、功耗低、可靠性強等特點。SOC類型：分為通用和專用兩類。通用系列包括Siemens的TriCore，Motorola的M-Core，某些ARM系列器件等。專用SOC一般專用于某個或某類系統(tǒng)中，不為一般用戶所知。代表性的產(chǎn)品

7、是Philips的Smart XA，它將XA單片機內(nèi)核和支持超過2048位復(fù)雜RSA算法的CCU單元制作在一塊硅片上，形成一個可加載JAVA或C語言的專用的SOC，可用于公眾互聯(lián)網(wǎng)如Internet安全方面。 嵌入式操作系統(tǒng) 嵌入式處理器是一個復(fù)雜的高技術(shù)系統(tǒng)，要在短時間內(nèi)掌握并開發(fā)出所有功能是很不容易的，而市場競爭則要求產(chǎn)品能夠快速上市，這一矛盾要求嵌入式處理器能夠有容易掌握和使用的軟件開發(fā)平臺，嵌入式操作系統(tǒng)為嵌入式應(yīng)用軟件的開發(fā)提供了良好的基礎(chǔ)和開發(fā)平臺。目前主流的嵌入式操作系統(tǒng)有： (1)VxWorks (2)Windows Embedded (3)Uc/OS- (4)Linux （1

8、）VxWorks VxWorks操作系統(tǒng)是美國WindRiver公司于1983年設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式實時操作系統(tǒng)(RTOS)，是Tornado嵌入式開發(fā)環(huán)境的關(guān)鍵組成部分。良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸占據(jù)一席之地。VxWorks具有可裁剪微內(nèi)核結(jié)構(gòu)；高效的任務(wù)管理；靈活的任務(wù)間通訊；微秒級的中斷處理；支持POSIX 1003.1b實時擴展標準；支持多種物理介質(zhì)及標準的、完整的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等。但價格昂貴開發(fā)和維護成本較高。(2)Windows Embedded Microsoft Windows CE是一個高效率的多平臺操作系統(tǒng)，它

9、不是削減的Windows 95版本，而是從整體上為有限資源的平臺設(shè)計的多線程、完整優(yōu)先權(quán)、多任務(wù)的操作系統(tǒng)。特點：模塊化設(shè)計允許它對于從掌上電腦到專用的工業(yè)控制器的用戶設(shè)備進行定制。但操作系統(tǒng)的基本內(nèi)核對內(nèi)存要求較高需要至少200KB的ROM。而嵌入式操作系統(tǒng)就運行在有限的內(nèi)存中，因此就對操作系統(tǒng)的規(guī)模、效率等提出了較高的要求。同時沒有開放的源代碼，使應(yīng)用開發(fā)人員很難實現(xiàn)產(chǎn)品的定制，另外版權(quán)許可費也是廠商不得不考慮的因素。應(yīng)用：從SEGA的DreamCast游戲機到現(xiàn)在許多高價掌上電腦，都采用了Windows CE。(3)C/OS c/OS是著名的源代碼公開的實時內(nèi)核，是專為嵌入式應(yīng)用設(shè)計的，

10、可用于8位，16位和32位單片機或數(shù)字信號處理器(DSP)。它是在原版本c/OS的基礎(chǔ)上做了重大改進與升級，并有了近十年的使用實踐，有許多成功應(yīng)用該實時內(nèi)核的實例。主要特點：公開源代碼，容易就能把操作系統(tǒng)移植到各個不同的硬件平臺上;可移植性，絕大部分源代碼是用C語言寫的以便于移植到其他微處理器上；可固化，可裁剪性，有選擇的使用需要的系統(tǒng)服務(wù)，以減少所需的存儲空間；占先式,多任務(wù)的實時內(nèi)核，函數(shù)調(diào)用與服務(wù)的執(zhí)行時間具有其可確定性，不依賴于任務(wù)的多少。(4)Linux 其最大的特點是源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，在近些年成為研究熱點，據(jù)IDG預(yù)測嵌入式Linux將占未來兩年的嵌入式操作系統(tǒng)份額的5

11、0%。其源代碼公開，有大量的應(yīng)用軟件可用。其中大部分都遵從GPL是開放源代碼和免費的?？梢陨约有薷暮髴?yīng)用于用戶自己的系統(tǒng)。內(nèi)核精悍，運行所需資源少，十分適合嵌入式應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)在應(yīng)用數(shù)量上遠遠超過了各種通用計算機，一臺通用計算機的外部設(shè)備中就包含了5-10個嵌入式微處理器，鍵盤、鼠標、軟驅(qū)、硬盤、顯示卡、顯示器、網(wǎng) 卡、Modem、聲卡、打印機、掃描儀、數(shù)字相機、USB集線器等均是由嵌入式處理器控制的。在制造工業(yè)、過程控制、通訊、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品等方面均是嵌入式計算機的應(yīng)用領(lǐng)域。 嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各

12、個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物，這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、應(yīng)用高度分散、不斷 創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)。 今天嵌入式系統(tǒng)帶來的工業(yè)年產(chǎn)值已超過了1萬億美元。嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 1、產(chǎn)品發(fā)展趨勢(1)、處理器發(fā)展趨向低成本、高集成度與低功耗(2)、低端的8位微控制器和高端的32位、64位微處理器將成為嵌入式處理器的主流 2、技術(shù)發(fā)展趨勢(1)、軟硬件協(xié)同設(shè)計將成為未來改變嵌入式系統(tǒng)競爭格局的技術(shù)動力(2)、跨平臺技術(shù)應(yīng)用日益廣泛 3、產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(1)芯片設(shè)計廠商與應(yīng)用企業(yè)開展更廣范圍的合作將成為推動自身業(yè)務(wù)的方式(2)、嵌入式CPU將成為重要投資領(lǐng)域(3)、芯片設(shè)計將吸引更多風(fēng)

13、險投資者的眼光(4)、嵌入式軟件將成為未來競爭的重點 嵌 入 式 PLC 一種面向工業(yè)控制的嵌入式系統(tǒng)微內(nèi)核 嵌入式PLC的概念 嵌入式PLC的功能規(guī)劃 嵌入式PLC軟件平臺的硬件環(huán)境設(shè)計 嵌入式PLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計 嵌入式PLC中的CAN網(wǎng)絡(luò)通信嵌入式PLC的概念嵌入式PLC是指在特定的控制裝置中實現(xiàn)PLC（Programmable Logic Controller）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。嵌入式PLC軟件平臺的設(shè)計思路是：將嵌入式PLC軟件平臺規(guī)劃在一個芯片組（嵌入式PLC的硬件環(huán)境）中，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)基于軟件平臺的微內(nèi)核。該平臺提供

14、除了給用戶梯形圖直接嵌入和網(wǎng)絡(luò)互連外，用戶在該軟件平臺上，根據(jù)自己的開發(fā)對象，可以方便快捷地進行硬件和軟件的擴充和設(shè)計，提高開發(fā)效率。嵌入式PLC的功能規(guī)劃開發(fā)的基于CAN總線的嵌入式PLC的軟件平臺功能體現(xiàn)在以下三個方面：(1)梯形圖語言功能(2)通信功能(3)用戶驅(qū)動接口功能（1 1）梯形圖語言功能）梯形圖語言功能 用梯形圖編寫PLC邏輯控制程序,運算處理程序,滿足數(shù)字量控制,模擬量控制的需要. 用梯形圖設(shè)置CAN網(wǎng)絡(luò)主從站設(shè)置及地址設(shè)置,引用 CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)編程. 用梯形圖實施RS485網(wǎng)絡(luò)通信的數(shù)據(jù)組織和任務(wù)調(diào)度,如,RS485主從站設(shè)置,地址設(shè)置,任務(wù)級,報文數(shù),報文長度等參

15、數(shù)設(shè)置. 用梯形圖進行網(wǎng)絡(luò)通信(CAN通信和RS485通信)監(jiān)控,如監(jiān)控設(shè)備是否脫線,工作時正確報文流量及錯誤報文地址等.（2 2）通信功能）通信功能 考慮到當前控制系統(tǒng)的發(fā)展特點和嵌入式PLC的各方面的需求，平臺規(guī)劃管理兩個串口（RS232和RS485）及一個CAN接口的通信。每個接口都有相關(guān)的協(xié)議棧，實現(xiàn)在不同的狀態(tài)下的通信功能。 UART0:下載及監(jiān)控接口在用戶嵌入編程狀態(tài)下（PRO），下載用戶驅(qū)動程序在設(shè)置狀態(tài)下（SET），下載梯形圖在運行狀態(tài)下（RUN），連接HMI/IPC監(jiān)控控制對象 UART1:RS485網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置狀態(tài)下（SET），傳輸CANBUS網(wǎng)絡(luò)配置參數(shù)運行狀態(tài)下（RUN

16、），構(gòu)建主從式RS485網(wǎng)絡(luò) CANBUS:EASYV1.00主體網(wǎng)絡(luò)接口加載CANEV1.00協(xié)議，構(gòu)建主從式結(jié)構(gòu)的CANBUS網(wǎng)絡(luò)（3 3）用戶驅(qū)動接口功能）用戶驅(qū)動接口功能為滿足用戶DI/DO、AI/AO處理及用戶專用功能（如高速對象）設(shè)計而準備的用戶程序嵌入接口，包括七個基本嵌入接口及多個中斷入口。七個基本嵌入接口如下：USER_CONFIG: 用戶I/O配置程序入口USER_START:用戶上電初始化程序入口USER_SET_INIT:用戶設(shè)置初始化程序入口USER_RUN_INIT:用戶運行初始化程序入口USER_STEP:用戶軟中斷程序入口（響應(yīng)時間100us） USER_SCA

17、N:用戶演算周期掃描程序入口USER_TMS:用戶2.5ms定時運行程序入口 中斷入口：中斷包括系統(tǒng)中斷及用戶中斷。其中系統(tǒng)中斷是用戶不可干預(yù)的，用戶中斷則是用戶通過中斷完成與系統(tǒng)實時上異步的各類事件處理。系統(tǒng)占用中斷資源：T0、T1、T2、T3及UART0、UART1、CAN用戶能用的中斷：除系統(tǒng)占用的中斷源以外的CPU提供的中斷，用戶均可以使用。嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的硬件環(huán)境設(shè)計軟件平臺的硬件環(huán)境設(shè)計（1）原理框圖原理框圖 圖1 嵌入PLC軟件平臺的芯片組的原理框圖其中：供電，5V 200mA，RAM掉電保護5年；CPU，C8051F040；I/O擴展能力，32 I/O可復(fù)用成

18、SPI、I2C接口及外中斷、外計數(shù)、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總線網(wǎng)絡(luò)通信。嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的硬件環(huán)境設(shè)計軟件平臺的硬件環(huán)境設(shè)計（2 2）外觀尺寸及外形圖）外觀尺寸及外形圖 圖2嵌入PLC軟件平臺的芯片組的外形圖及尺寸嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計（1 1）嵌入式）嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核結(jié)構(gòu)軟件平臺的內(nèi)核結(jié)構(gòu)嵌入式PLC是一種實時性很強的操作系統(tǒng)軟件，總體結(jié)構(gòu)包括三個層面,如圖3所示。 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)

19、行、通訊等基本功能，并提供二次開發(fā)驅(qū)動接口； 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； 終端應(yīng)用程序指面向工藝流程控制的梯形圖語言編程； 圖3嵌入式PLC內(nèi)核總體結(jié)構(gòu)嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計（2 2）嵌入式嵌入式PLC PLC 的任務(wù)管理的任務(wù)管理 EASYV1.00系統(tǒng)的中斷任務(wù)管理定時器T0，產(chǎn)生2.5ms時基。中斷占用時間小于50usUART0:串口0字節(jié)處理中斷程序。中斷占用時間小于25us UART1:串口1字節(jié)處理中斷程。中斷占用時間小于25us CANBUS：CANBUS總線中斷程序。中斷占用時間

20、小于50us 系統(tǒng)的四個中斷在1ms內(nèi)綜合占用時間小于200us，即占用CPU機時20以內(nèi)嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計（2 2）嵌入式嵌入式PLC PLC 的任務(wù)管理的任務(wù)管理 CANBUS任務(wù)調(diào)度A A、任務(wù)級、任務(wù)級EASYV1.00規(guī)劃CAN網(wǎng)絡(luò)為主從式結(jié)構(gòu)，為提高主從節(jié)點間數(shù)據(jù)交換的實時性，將數(shù)據(jù)交換速度分為四個任務(wù)級：0級任務(wù)：100ms,1級任務(wù)：200ms,2級任務(wù)：400ms,3級任務(wù)：800ms。0級任務(wù)每100ms執(zhí)行一次，信道富余量留給下一級任務(wù),1級任務(wù)每200ms執(zhí)行一次，在0級信道富余量下執(zhí)行2、3級任務(wù)依此類推。B B、任務(wù)阻塞處理

21、、任務(wù)阻塞處理由于用戶CANBUS報文數(shù)量在分配任務(wù)時不確定及現(xiàn)場干擾等因素造成某級任務(wù)在規(guī)定時間內(nèi)無法完成，系統(tǒng)自動追加一個任務(wù)周期時間。如0級任務(wù)100ms到時沒有完成，則下一個100ms繼續(xù)處理0級任務(wù)，再將信道富余量留給下一級任務(wù)。C C、報文流量估計、報文流量估計EASYV1.00中CAN報文速度約1ms，每一個收發(fā)為2ms，理論收發(fā)報文流量產(chǎn)每秒500個，建議用戶每級報文數(shù)小于25個。嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計(3) UART1(3) UART1任務(wù)調(diào)度任務(wù)調(diào)度A A、任務(wù)級、任務(wù)級UART1串口1支持主從式結(jié)構(gòu)的RS485網(wǎng)絡(luò)，報文交換速度分為兩

22、個任務(wù)級。0級占用2/3時間，1級占用1/3時間，即0級每交換兩個報文，1級交換1個報文。B B、流量估計、流量估計 串口0讀報文時間 =(38+X*2)*1ms . 串口0寫報文時間 =(30X*2)*1ms.X為傳輸字節(jié)數(shù). 不帶任務(wù)級的理論報文流量：其中，m為讀報文數(shù)，n為寫報文數(shù)。建議:1級任務(wù)報文盡可能短，0級任務(wù)報文盡可能少，則實時性較好。嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計(4) (4) 用戶嵌入任務(wù)調(diào)度用戶嵌入任務(wù)調(diào)度USER-CONFIG、USER-START、USER-SET-INIT、USER-RUN-INIT為四個非實時部分嵌入的程序，而USER

23、-STEP、USER-SCAN、USER-TMS則直接影響系統(tǒng)的實時性，用戶另行嵌入的中斷在異步狀態(tài)下占用CPU時間，其調(diào)度上建議如下：USER_STEP:處理100us級軟實時任務(wù)USER_SCAN:處理I/O、AI/AOUSER_TMS:處理硬實時任務(wù)，程序占用時間 應(yīng)小于40us用戶中斷：每1ms小于100us。當大于500us 時，有可能產(chǎn)生系統(tǒng)崩潰嵌入式嵌入式PLCPLC軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計軟件平臺的內(nèi)核設(shè)計（5 5）嵌入式）嵌入式PLC PLC 的存儲管理的存儲管理 數(shù)據(jù)存儲空間EASYV1.00數(shù)據(jù)存儲空間包括C8051F040 CPU內(nèi)存及外擴64K帶掉電保護的RAM。這些存儲單元分為系統(tǒng)占用區(qū)、用戶嵌入?yún)^(qū)及PLC資源區(qū)三部分。用戶獨立數(shù)據(jù)區(qū)PLC資源區(qū)系統(tǒng)占用區(qū) 程序存儲空間EASYV1.00程序存儲空間為CPU的64K FLASH，嵌入式PLC的程序存儲空間的分配為：系統(tǒng)程序區(qū)