EASYV1.00嵌入式PLC的基本原理（一）

一、嵌入式PLC概念 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。 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。 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。 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。 二、嵌入式PLC软件架构 　1、总体结构 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。 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； 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； ③终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言编程； EASY　V1.00总体结构 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。 　2、实时OS 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。 ①硬实时状态下的抢占式并发任务管理 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。 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。 在EASY　V1.00中，存在以下异步任务： ＊通信数据链络层的字节流 ＊梯形图语言中的定时器 ＊二次开发驱动程序中的实时异步任务 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: 　　 R T并＝∑Niti 　　　I=0 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。 EASY　V1.00并发任务实时数据 T并＝10ms+25ms+25ms+50Hs+40Hs+ΔT+∑Njtj 　　　 j=3 R ＝150ms+ΔT+∑Njtj j=3 其中ΔT为驱动异步任务管理时，在2.5ms时基中占用的时间 R ∑Njtj为驱动异步事件任务占用的时间。 j=3 　　　　　　　　 R 系统阻塞条件为ΔT+∑Njtj>1000Hs-150Hs=750ms 　　　　　　　　 j=3 ②软实时状态下的时间片级间任务调度 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。 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”。 EASY　V1.00一个时间片调度的任务如下： ＊执行一条梯形图语句 ＊查询通信报文状态及报文拆装 ＊查询梯形图函数调用及运行调用函数 ＊查询用户软实时任务及执行用户任务（用户软中断） 时间片轮间占用CPU机时峰值为 　　　4 T片＝∑MRTK 　　　k＝1 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。 T片＝3－45ms+t4 t4为用户软中断任务占用时间和。 “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。 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 R 并发任务占用比X＝T并/ 1ms ＝ （150ms+ΔT+∑Njtj）/1000ms ＝15%－100% j=3 设用户梯形图含X条指令 T扫＝（X.T片+ΔTend）/X ΔTend为扫描结束处理占用时间。（待续）