基于RT-Linux的嵌入式PLC设计及实现doc

引言在数控机床中通常用可编程控制器 对机床开关量信号进行控制。 可靠性高使用方便。但在大多数数控机床,特别是经济型数控机床中,要求的输入输出点数并不多,通常在点以下因此为了降低数控机床成本在基于工业机的数控系统中可以采用开关量 板加外接继电器配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果机采用单任务操作系统如 数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中软件的模块化和可维护性较差系统故障的风险相对集中而且不能充分利用机系统资源。而采用非实时多

任务操作系统如 时 的设计没有考虑到实时环境的开发用途其系统调用的效率不高不能满足数控系统 控制的实时性要求。为此本文提出一种基于 操作系统的嵌入式 利用 的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环境,在保证实时性的同时,使故障

风险相对分散。数控系统嵌入式 的硬件结构数控系统硬件建立在通用工业的开放体系之上数控系统嵌入式硬件包括工控机及其外围设备基于总线的开关量输入输出接口卡光电隔离模块继电器输出模块。其结构如图1所示。窕电阻星+夔访光电隔离图1数控系统嵌入式且窕电阻星+夔访光电隔离图1数控系统嵌入式且＜•硬件结构图IPC崇邦系统外设工控机采用 操作系统数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及 控制都通过工控机由软件来实现不需要独立的控制器,减少了数控系统对硬件的依赖,有利于提高系统的开放性。输入输出信息通过 机 接口卡实现主机与伺服接口模块和 接口模块之间它继承了 系统的设计思想即以通用操作系统为基础在同一操作系统中既提供严格意义上的实时服务又提供所有的标准P 服务。L源代码公开易于修改使系统成本降低,源代码的公开使数控系统的开发摆脱了对国外软件公司的依赖,有利于提高数

控软件国产化程度。是基于L 并可运行于多种硬件平台的多任务实时操作系统。通过修改L内核的硬件层采用中断仿真技术在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核并在实时内核的基础上形成了小型的实时系统而L 内核仅作为实时系统最低优先级的任务运行。对于普通 的硬件结构L拥有出色的实时性和稳定性其最大中断延迟时间不超过5 最大任务切换误差不超过 5s这些实时参数与系统负载无关而取决于计算机的硬件如在P 内存的普通PC机上系统最大延迟时间不超过5sL按实时性不同分为实时域和非实时域其结构如图所示。支时任势1础L藏量支时任势1础L藏量受雨］口皿图2RT-Lniux的构造结构图疑件足用产以内携肩四T-LnuG实时域在设计上遵循实时操作系统的设计原则最即系统具有透明性、模块化和可扩展性。L的实时内核由一个核心部分和多个可选部分组成核心部分只负责高速中断处理支持 操作且不会被底层同步或中断例程延迟或重入。其它功能则由可动态加载的模块扩充。 L把不影响系统实时性的操作即非实时域的操作）都留给了非实时的L 系统完成。基于多任务环境的L 为软件开发提供了丰富的系统资源如多种进程间通讯机制最灵活的内存管理机制。嵌入式PLC的设计及实现嵌入式PLC的模块组成数控系统的PLC控制模块实时性要求较高因而必须在系统的实时域内运行。根据通用数控系统的PLC控制以及数控系统软件模块化设计的要求将数控系统的PLC控制模块作为L系统的实时任务之一其优先级和调用周期取决于数控系统各任务的实时性要求以及控制要求的响应时间。PLC控制模块主要完成数控系统的逻辑控制而被控制的输入输出也就是 的输入输出由PC机 接口卡输入输出模块来完成即完成数控系统的PLC控制需要两个 L实时任务如图所示这两个任务分别为 以下称“适配卡输入输出”）、 以下称“PLC控制”）。图是基于 系统的嵌入式实时任务关系图其中适配卡输入输出主要是完成数控系统的输入输出即各轴位置控制命令的输出、 的输出、 输入以及位置反馈输入,它实际上是数控系统控制卡的设备驱动模块,其优先级在数控系统的各实时任务中为最高级。根据其硬件特征以及运动控制要求其响应周期为M响应时钟周期由机接口卡上的硬件定时器产生。根据 系统对硬件中断的响应机制输入输出控制任务的实时性是可以保证的,这一点在我们的数控系统已经得到验证。图3基于RT-LimiK的嵌入式瓦匚实时任务关系图图中控制主要是完成数控系统的控制功能其任务优先级低于适配卡输入输出同时也低于数控系统的精插补实时任务和位置伺服实时任务。根据通用数控系统的控制要求确定其响应周期为 响应周期由 的软件定时器产生根据系统的实时多任务调度机制 控制任务的实时性是可以保证的。在实际应用中也得到验证。嵌入式 的实时任务模块数据通讯完成数控系统 控制的两个实时任务之间由于需要输入输出的数据量一般情况下为64输入应6输4出应但输入输出根据需要还可以扩展）不太大应因而采用共享内存的通讯方式应在适配卡输入输出和 控制两个实时任务之间开两块共享内存一块用于适配卡向 控制传输 口状态信息另一块用于 控制向适配卡输入输出任务传输经 逻辑处理后的控制信息。在这里两个实时任务间不采用 进行通讯的原因在于这两个实时任务间通讯的数据量不是很大而这两个实时任务运行周期差别较大采用 传输数据为了避免的阻塞相应地要增加两个任务间的协调机制这样的通讯效果未必比采用共享内存好而且共享内存的读写速度比 相对较快。嵌入式 的实时任务的实现适配卡输入输出为动态可加载模块适配卡输入输出模块任务以M为周期的硬件定时中断完成各轴位置控制指令和 的输出、各轴位置反馈值和 的输入适配卡输出值来自于位置伺服任务和控制任务输入值来自于适配卡的输入接口。控制模块任务同样也是一个动态可加载模块它以的软定时周期性地从它与总控模块通讯的读取控制信息如指令指令及指令同时