基于ARM—Linux的可編程自動化控制器研究

李雪霞　楊靜

摘 要：當今時期計算機技術(shù)取得了高速發(fā)展，對社會進步做出巨大貢獻。計算機技術(shù)同繼電器控制技術(shù)合理結(jié)合，直接促進可編程邏輯控制器（PLC）的出現(xiàn)，PLC在現(xiàn)代工業(yè)中扮演重要角色，具有非常廣泛的應(yīng)用前景。但是由于PLC的運行系統(tǒng)、以及開發(fā)系統(tǒng)自身存在一些弊端，導致部分高端應(yīng)用的需求無法得到滿足。文章通過對基于ARM-Linux的可編程自動化控制器的研究分析，希望能夠有效解決上述問題。

關(guān)鍵詞：ARM-Linux；編程；自動化控制器

中圖分類號：TM571.61 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0067-01

與PLC相比較，可編程自動控制器（PAC）更加具有優(yōu)勢，能夠滿足高端應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)通訊、開放性、以及控制算法等方面的需求，同時PAC性能更加可靠穩(wěn)定，對工業(yè)控制自動化的未來發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。本文通過對PAC運行系統(tǒng)的工作原理、以及各項特征的了解，同時同軟件結(jié)構(gòu)、硬件結(jié)構(gòu)相結(jié)合，最終在ARM一Linux軟硬件的架構(gòu)下，設(shè)計一種具有開放性能的可編程自動化控制器通用開發(fā)平臺。

1 PAC系統(tǒng)以及技術(shù)支持

可編程自動化控制器的出現(xiàn)和發(fā)展，對傳統(tǒng)工業(yè)自動化控制系統(tǒng)具有至關(guān)重要的作用。作為一種全新型控制器，具有取代、擴充可編程控制器的性能。在現(xiàn)代計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，可編程自動化控制器的數(shù)據(jù)形式、控制功能、通信模式以及硬件結(jié)構(gòu)更加完整先進。

1.1 PAC開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)

通過將開發(fā)系統(tǒng)與運行系統(tǒng)相分離，有利于為以后軟件的開發(fā)、升級、維護等工作服務(wù)，而且能夠方便移植運行系統(tǒng)到各異的硬件平臺中。作為PAC的核心組成，運行系統(tǒng)通過完成通訊工作、程序的輸入處理、執(zhí)行處理、輸出處理、以及數(shù)據(jù)庫等內(nèi)容，以此幫助系統(tǒng)完成控制管理；開發(fā)系統(tǒng)主要處在電腦系統(tǒng)中，在編好程序的基礎(chǔ)上，生成可執(zhí)行代碼。開發(fā)系統(tǒng)能夠在PC機廣闊寬泛的開發(fā)環(huán)境下，充分提高其開發(fā)效率[1]。開發(fā)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫模塊、界面組成模塊、以及PLC模擬器。從運行系統(tǒng)的執(zhí)行角度分析，又可以將PAC分成解釋型和編譯型兩個方面。編譯型的用戶程序，提前將指令編譯成代碼，同時保持代碼具有可執(zhí)行性，有利于避免出現(xiàn)散轉(zhuǎn)、查找指令的過程；而解釋型PAC主要是PLC虛擬機接受指令、解釋、以及執(zhí)行等命令，然后進行逐步執(zhí)行，具有執(zhí)行效率低、移植性弱等特點。

1.2 PAC的硬件結(jié)構(gòu)

通常情況下，PAC硬件結(jié)構(gòu)主要由繼電器輸出電路、外圍電路、ARM開發(fā)板、AD轉(zhuǎn)換電路、PWM電路、以及光耦輸入等設(shè)備組成。在光電隔離的影響下，外部輸入的開關(guān)量同ARM的輸入口進行相連接，然后經(jīng)CPU處理，最后由晶體管電路、或者繼電器進行輸出。

1.3 PAC的軟件結(jié)構(gòu)

PAC運行系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，一般來說由應(yīng)用程序和系統(tǒng)程序所組成。而系統(tǒng)程序又由PAC系統(tǒng)程序、Linux操作系統(tǒng)。PAC系統(tǒng)程序能夠?qū)δ茏雍瘮?shù)、以及運行環(huán)境起到支撐作用；Linux操作系統(tǒng)能夠?qū)⑾到y(tǒng)的各項任務(wù)合理完成，比如說時鐘管理、存儲分配、中斷管理、任務(wù)調(diào)度、以及為用戶提供數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)、界面互換、驅(qū)動等功能。用戶程序指令在運行環(huán)境的基礎(chǔ)下，將指令傳遞到操作系統(tǒng)，然后操作系統(tǒng)在驅(qū)動程序的幫助下實現(xiàn)操作。

2 PAC系統(tǒng)設(shè)計及工作模式

2.1 PAC運行系統(tǒng)運行環(huán)境設(shè)計

編譯型PAC的運行系統(tǒng)主要由系統(tǒng)初始化、加載用戶程序、通訊程序、掃描輸入、掃描輸出、下載程序、以及系統(tǒng)自檢程序所組成。系統(tǒng)運行過程主要流程如下：首先，Linux和Uboot程序的初始化；然后是類似C區(qū)、M區(qū)、T區(qū)、X區(qū)、Y區(qū)等數(shù)據(jù)區(qū)，或者程序區(qū)的申請；其次，運行環(huán)境的建立，包括時鐘線程、管理線程、界面線程、任務(wù)執(zhí)行線程等內(nèi)容。最后，根據(jù)PAC工作模式依次進行調(diào)試階段、運行階段、以及停止階段。

2.2 軟PLC的寄存器及指令系統(tǒng)設(shè)計

軟PLC主要包括C計數(shù)器寄存器、M輔助寄存器、X輸入端口寄存器、Y輸出端口寄存器、T定時器寄存器等等。本次系統(tǒng)的指令主要由以下幾部分組成：基本指令、數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)比較指令、數(shù)據(jù)移位指令、數(shù)據(jù)選擇指令、數(shù)學運算，以及字符串的處理、通訊、計數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換等算法模塊。

2.3 PAC系統(tǒng)運行模式

PAC中的編譯型運行系統(tǒng)存在系統(tǒng)初始化、信號通訊、輸入、程序下載、加載程序、輸出及系統(tǒng)自檢功能等。系統(tǒng)運行的流程圖，如圖1所示。

PAC系統(tǒng)運行中需要進行初始化程序，首先需要進行的是Linux的初始化和Uboot的初始化。完成初始化之后，系統(tǒng)申請數(shù)據(jù)區(qū)間與程序區(qū)間，比如系統(tǒng)中的輸出寄存器、輸入寄存器、時間寄存器、計數(shù)寄存器和輔助寄存器等。完成程序與數(shù)據(jù)空間申請，系統(tǒng)將進行線程創(chuàng)建，主要創(chuàng)建的線程包括時鐘線程、任務(wù)線程和界面線程等，建立線程后完成軟PLC運行環(huán)境的建立。與傳統(tǒng)PLC一樣，PAC同樣存在三種運行模式，即調(diào)試模式、運行模式和停止模式。對于PAC來講，調(diào)試模式中，系統(tǒng)通過初始化后，進行掃描輸入，并對網(wǎng)口和串口進行掃描，將上位機通訊模塊下載的程序BIN存儲到某個用戶序區(qū)，留待加載命令，執(zhí)行命令。在運行模式中，系統(tǒng)初始化后，掃描輸入，但不在對網(wǎng)口和串口進行掃描，而是直接將用戶序區(qū)中的程序加載使用。

與PLC一樣，系統(tǒng)工作運行過程可分成三個部分，分別是輸入部分，執(zhí)行處理部分和輸出部分，這三個部分合在一起，便是一個掃描周期。當系統(tǒng)運行結(jié)束之后，將執(zhí)行結(jié)束進程命令，并發(fā)送關(guān)閉信息，程序接收到結(jié)束指令后，立即停止運行，并將建立的線程全部注銷，釋放出更多的資源，保證PAC系統(tǒng)運行順暢。PAC是在PLC的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，兼具PLC程序執(zhí)行的特征，需要一步一步的執(zhí)行加載的程序，因此，程序邏輯性十分重要，而通常都是由前至后逐步執(zhí)行，從而得到最終結(jié)果，屬于串行工作模式。

通過該模式導致的滯后時間，一般不會超過兩個掃描周期，在無特殊要求的控制系統(tǒng)中，滯后時間帶來的影響無關(guān)緊要，而少數(shù)控制系統(tǒng)要求高精度，控制過程需要做到“令行靜止”的效果，所以需要采取提升PAC系統(tǒng)的靈敏度，降低滯后時間，更好的實現(xiàn)精密控制。

3 結(jié) 語

總的來講，可編程自動控制器（PAC）充分借鑒了PLC以及PC的各項優(yōu)勢，技術(shù)性能得到進一步優(yōu)化，隨著技術(shù)的日漸發(fā)展和完善，將會對工業(yè)自動化的發(fā)展起到直接影響，必將會成為控制系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。PAC不僅僅對自動化技術(shù)起到推進作用，同時對控制器在設(shè)計方面，以及集成等方面都具有跨時代的意義。因此，相關(guān)研究人員必須做好對PAC的進一步研究，以此推動我國自動化技術(shù)跨步發(fā)展。

參考文獻：

[1] 鄭誠.基于Linux+Qt的超高絕緣電阻測量系統(tǒng)控制模塊設(shè)計與實現(xiàn)[J].工業(yè)控制計算機，2015，（5）.