基于DSP／BIOS的PLC執行系統開發

摘要：分析了目前軟PLC在實時性方面存在的不足；提出采用基于DSP／BIOS實時內核的嵌入式處理器的軟PLC執行系統架構。首先，通過分析軟PLC執行系統的架構及工作原理，給出了基于DSP／BIOS的任務調度方案；其次，建立PLC指令的執行函數庫，確定PLC執行系統的運行流程：最后，對該PLC執行系統性能進行的測試表明，基于嵌入式處理器的軟PLC執行系統能有效地彌補軟PLC在實時性及穩定性方面的不足，在自動控制方面具有相當大的發展潛力。
關鍵詞：DSP／BIOS；軟PLC；執行系統；嵌入式處理器

目前工控領域中廣泛使用的可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller)大概可以分為兩類：傳統PLC與軟PLC。傳統PLC由于自身存在一些不足，例如封閉的硬件體系結構，主要由幾家廠商所壟斷，而軟PLC在開放性及低成本方面潛力巨大，目前歐美等很多西方國家已經把軟件PLC作為一個重點對象進行研究開發。
傳統PLC具有硬實時性，正因為如此它才能提供快速、確定而可重復的響應。另一方面，由于軟PLC是基于PC而建立在一定的操作系統上，例如Windows NT，而這并不是一個硬實時的操作系統，這使得以PC為基礎的控制引擎實時性問題成為制約軟PLC發展的主要因素之一。
針對軟PLC在實時性方面的不足，本項目采用基于嵌入式處理器的控制方案，軟PLC執行系統作為一個任務在控制器固件內。美國TI公司推出的C6000系列數字信號處理器(Digital Signal Processor)具有很高的處理能力，特別是為其TMS320C6000TM、TMS320C5000TM和TMS320 C28xTM系列DSP平臺所設計開發的一個尺寸可裁剪的實時多任務操作系統內核DSP／BIOS，提供搶占式多線程、硬件抽象、實時分析和配置工具，可實現實時線程調度與同步、主機與目標DSP間通信或實時監測。DSP是串行控制的，運算速度快。基于DSP／BIOS實時內核的PLC執行系統，具有相當好的實時性及穩定性。下面著重介紹其設計及實現方法。

1 軟PLC的設計規劃
1．1 軟PLC的架構分析
由PLC執行系統控制的PLC程序劃分為一級程序和二級程序，它們的執行周期不一致。一級程序每8 ms執行一次，處理響應快的短脈沖信號，例如外部的操作面板信號和報警信號，在程序末尾自動給出結束標記END1。二級程序為一般的PLC指令，每8n ms執行一次，n為第二級程序的分割數。在開始執行二級程序時，PLC執行系統模塊會根據執行程序所需要的時間自動把二級程序分割成n塊，每個8 ms只執行其中一塊，并在二級程序結束時自動給出結束標記END2。
1．2 PLC執行系統的工作原理
PLC采用循環掃描方式工作，首先進行系統初始化，然后進入循環工作過程包括輸入采樣、PLC指令執行及輸出刷新幾個階段，其基本流程如圖1所示。

1)系統初始化：在循環執行PLC程序前，首先要進行執行系統的初始化，包括參數的輸入及變量初值的設置；2)輸入的采樣：每次執行PLC程序時，要讀取外部輸入狀態至緩沖區中，以備后面程序查詢；3)執行用戶PLC程序：執行用戶程序，就是CPU從PLC程序的首地址開始按順序逐個執行編譯后的PLC指令，過程結果暫存在相應的寄存器內；4)輸出的刷新：執行完用戶程序后，需要把處理后需要輸出的結果進行外部輸出。由于PLC控制的對象大都是變化緩慢的信號，而PLC每次掃描輸入和邏輯運算的時間很短，本PLC執行系統設定為每執行一個循環，就進行一遍輸出的刷新。
1．3 DSP／BIOS的線程調度
文中的PLC執行系統的開發均在TI公司提供的集成開發環境CCS(Code Composer Studio)中進行，CCS不僅集成了常規的開發工具，如源程序編輯器、代碼生成工具及調試環境，還提供DSP／BIOS開發工具。DSP／BIOS是一個精簡的實時操作系統內核，具有實時操作系統功能。它提供搶占式多線程，支持多種不同優先級，每種線程都有不同的執行和搶占特性，分別是硬件中斷(HWI)包括時鐘函數(CLK)、軟件中斷(SWI)包括周期函數(PRD)、任務線程(TSK)、后臺線程(IDL)。線程類型的選取原則：HW1只用來處理對時間要求苛刻的關鍵任務；SWI用來處理相對獨立的函數，如果算法要求比較復雜則使用TSK。TSK提供了很多任務通信和同步的手段，并且擁有自己獨立的堆棧，因此比SWI更靈活。IDL用于執行與時間無關的非關鍵任務。
在DSP／BIOS線程調度中，硬件中斷與軟件中斷的高優先級線程可以暫停運行中的低優先級任務，而高優先級的任務線程必須用特定的API才能搶占當前運行的低優先級任務線程，且只有任務線程才能暫停狀態。基于PLC執行是一個循環執行過程，且與其它運動線程有復雜的通訊交互，本執行系統將其建立為一任務線程，由DSP／BIOS實時操作系統進行調度。