基于嵌入式系統(tǒng)硬件平臺的軟件PLC方法實(shí)現(xiàn)

1嵌入式軟PLC的總體結(jié)構(gòu)

嵌入式軟PLC與嵌入式系統(tǒng)共享一個CPU，PLC和嵌入式系統(tǒng)之間沒有多余的導(dǎo)線連接，增加了系統(tǒng)的可靠性，易于實(shí)現(xiàn)許多高級功能。PLC中的信息也能通過嵌入式系統(tǒng)的顯示屏顯示，通過嵌入式系統(tǒng)的編輯鍵可方便地對PLC進(jìn)行編輯操作。

1．1嵌入式軟PLC的硬件結(jié)構(gòu)

外部輸入的開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后連接到FPGA的I／O口，通過FPGA地址譯碼，F(xiàn)PGA通過數(shù)據(jù)地址總線與CPU相連。這樣CPU就可以通過數(shù)據(jù)地址總線獲得和設(shè)置輸入量的工作狀態(tài)，硬件原理框圖如圖1所示。

1．2嵌入式軟PLC的軟件結(jié)構(gòu)

嵌入式軟PLC程序包括兩類：一類是編輯狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)PLC程序的輸入和編譯功能；另一類是面向生產(chǎn)過程的應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由4部分組成，分別是編輯模塊、編譯模塊、執(zhí)行模塊和監(jiān)控模塊。

軟件PlC系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

2系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2．1梯形圖編輯器

Qt／Embedded是著名的Qt庫開發(fā)商Trolltech推出的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qt/Embedded具有可移植性強(qiáng)和支持跨平臺開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Qt編寫界面，梯形圖編輯器的界面如圖3所示。

2．1．1梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計

梯形圖編輯具有方便、邏輯直觀的特點(diǎn)，梯形圖編輯器借助于梯形圖的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)顯示、插入、刪除、代碼轉(zhuǎn)化等功能。

PLC語言中，各種元素包括單個節(jié)點(diǎn)(如常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)等)和邏輯塊(如與邏輯塊、或邏輯塊)，它們都含有相同的操作，如插入、刪除、繪圖等。可以把組成梯級的各個邏輯塊看成組成梯級的各個部分，把組成邏輯塊的子邏輯塊和單個節(jié)點(diǎn)看成是組成邏輯塊的各個部分，符合“部分一整體”的層次結(jié)構(gòu)?？梢圆捎妹嫦?qū)ο蟮脑O(shè)計思想，使用composite模式遞歸地創(chuàng)建樹狀結(jié)構(gòu)。使用組合結(jié)構(gòu)，能夠把相同的操作應(yīng)用在組合和個別的對象上。大多數(shù)情況下，可以忽略對象組合和個別對象之間的差別，簡化程序代碼，增強(qiáng)了軟件的可維護(hù)性。采用composite模式的類圖[1]如圖4所示。

圖中：LadderElement是一個抽象類，為組合對象的接口。代表梯形圖語言的任何一個圖形元素，它既可以代表元件又可以代表邏輯塊，在適當(dāng)?shù)那闆r下可以實(shí)現(xiàn)所有類共同的缺省行為，如繪圖和代碼轉(zhuǎn)換等；LadderCell為所有元件類(如常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、輸出、置位、復(fù)位)的基類；LadderBlock為所有邏輯塊(如與邏輯塊類、或邏輯塊類等)的基類。

圖5為一個梯級和它對應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，OrBlock為或邏輯塊類的對象，AndBlock為與邏輯塊類的對象，Rung為梯級類的對象。

此外，為了能夠方便地進(jìn)行繪圖和編輯，引入了一個空元件類。它的作用是梯形圖中的水平連接線，實(shí)現(xiàn)方法是繼承LadderCell類，重新實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)Draw()來畫一條水平的線段。

2．1．2編輯功能的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

將屏幕分割成一定數(shù)目的小的區(qū)域，并創(chuàng)建含有相同數(shù)目的二維數(shù)組。當(dāng)繪制元件時，將元件、元件所在的邏輯塊和元件所在的梯級指針保存到數(shù)組中，通過光標(biāo)在屏幕上的坐標(biāo)可以獲得二維數(shù)組的下標(biāo)，從而可以獲得光標(biāo)所在的元件、邏輯塊和梯級在內(nèi)存中與之相對應(yīng)的對象。

梯形圖的編輯通過改變其在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被改變后，重新繪圖。對梯形圖的編輯包括：插入元件、插入分支、插入梯級、刪除元件和刪除梯級等。篇幅所限只作簡要介紹。

刪除元件：刪除LadderBlock中的一個元件Ladder—Cell(A)后，如果LadderBlock中只剩下一個LadderCell(B)時，LadderCell(B)取代LadderBlock的位置，插入到LadderBlock的父LadderBlock中；如果LadderBlock中只剩下一個LadderBlock(B)，則將LadderBlock(B)的所有LadderElement插入到LadderBlock的父LadderBlock中。圖5中的梯級刪除元件X004后梯形圖和其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變?yōu)閳D6所示的情況。

插入分支：通過光標(biāo)在屏幕上兩次選擇分支的起始和結(jié)束位置，這兩個位置必須屬于同一個AndBlock(A)。起始和結(jié)束位置選擇后，將兩個位置問的LadderElement作為分支構(gòu)成一個AndBlock(B)并計算出AndBlock(B)所占的列數(shù)n，然后新建一個表示插入分支的AndBlock(C)，AndBlock(C)中插入n個空元件。建一個OrBlock并將AndBlock(B)和AndBlock(C)插入到OrBlock中。OrBlock即表示插入分支后的或邏輯塊。OrBlock取代兩次選中之間的元素在它們的父邏輯塊中的位置，然后根據(jù)修改后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)畫圖得到插入分支后的梯形圖。圖7為在M001和X006插入分支前后梯形圖的變化。

2．2指令表編譯器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

實(shí)現(xiàn)對PLC編程語言的高效、可靠的編譯，是研制開發(fā)嵌入式PLC系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵性任務(wù)。傳統(tǒng)的開發(fā)方法是用高級語言自行開發(fā)專用的PLC指令編譯器，需要對每個程序字和程序規(guī)則編寫識別和相應(yīng)的處理程序，工作量大、開發(fā)周期長，容易產(chǎn)生疏漏，可維護(hù)性很差。為了提高軟件的開發(fā)效率，保證軟件質(zhì)量，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性，采用通用編譯工具Lex&Yacc：開發(fā)PLC指令編譯器。

2．2．1Lex&Yacc簡介

Lex&Yacc是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室用C語言研制的詞法分析程序和語法分析程序的自動生成工具，是目前使用最廣泛的編譯軟件之一。Lex是詞法分析程序生成器，Yacc’是語法分析程序生成器。它們可以根據(jù)用戶提供的詞法、語法規(guī)范文件，自動轉(zhuǎn)化為多種高級語言源代碼，如C或C++等。[2]

2．2．2編譯器總體結(jié)構(gòu)

所謂“遍”，是對源程序或其等價的中間語言程序從頭到尾掃描并完成規(guī)定任務(wù)的過程[2]。本系統(tǒng)的編譯過程包含三遍，分別進(jìn)行詞法分析、語法分析和代碼轉(zhuǎn)換。

2．2．3詞法分析器設(shè)計

指令表源程序可以簡單地被看成一個多行的字符串。詞法分析器從上到下、從左到右逐個字符地對源程序進(jìn)行掃描，產(chǎn)生一個個單詞符號，把字符串的源程序改造成為單詞符號串的中間程序，用于隨后的語法分析。

本系統(tǒng)的詞法分析器有兩種工作狀態(tài)：一是從頭到尾對源程序進(jìn)行掃描，檢查出所有的詞法錯誤；二是當(dāng)沒有詞法錯誤時，從頭到尾對源程序進(jìn)行掃描，將識別出的單詞符號輸入給語法器。

2．2．4語法分析器設(shè)計

(1)PLC指令表語言的語法描述

分析PLC指令程序結(jié)構(gòu)，提取隱藏在指令代碼中的結(jié)構(gòu)信息，這種信息中往往會有操作指令被隱含地表達(dá)出來。例如：指令OR／ORB與梯形圖中的并聯(lián)結(jié)構(gòu)對應(yīng)，而AND／ANB則與梯形圖中的串聯(lián)結(jié)構(gòu)對應(yīng)。

部分PLC指令語句的文法用巴科斯范式描述如下

按照yacc的語法規(guī)則，對應(yīng)于巴科斯范式描述寫出yacc源程序后，用“yacc-dv plcil．y”指令轉(zhuǎn)換成語法分析器的C語言源程序yyparse。

(2)將PLC指令表轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼

PLC指令表源程序的二進(jìn)制文件格式為：每條指令的二進(jìn)制編碼占32位，操作符的編碼與元件編碼相加作為目標(biāo)代碼的高16位，低16位為元件的編號。例如，操作符LD的編碼為0xFF00，元件X的編碼為Ox01，指令LD X1的編碼為OxFF010001。

指令表編譯器的代碼轉(zhuǎn)換功能由yacc源程序規(guī)則的動作部分來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)語法分析器識別出一條完整的指令時，就將其對應(yīng)的二進(jìn)制代碼保存到文件中。

(3)將PLC指令表轉(zhuǎn)換為樹形結(jié)構(gòu)

Yacc語法分析程序通過尋找可以匹配目前為止所看到的標(biāo)記的規(guī)則來工作。Yacc處理語法分析程序時創(chuàng)建了一組狀態(tài)，每個狀態(tài)都反映一個或多個部分地被分析的規(guī)則中的一個可能的位置。當(dāng)語法分析程序讀取標(biāo)記時，每次它讀取一個沒完成規(guī)則的標(biāo)記，就把它壓入內(nèi)部堆棧中并切換到一種反映它剛剛讀取的標(biāo)記的新狀態(tài)。這個動作稱為移進(jìn)(shift)。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)組成某條規(guī)則右側(cè)的全部符號時，它就把右側(cè)符號彈出堆棧，而將左側(cè)符號壓入堆棧中，并且切換到反映堆棧上新符號的新狀態(tài)。這個動作成為規(guī)約(reduction)。當(dāng)yacc規(guī)約規(guī)則時，它都執(zhí)行與這條規(guī)則有關(guān)的用戶代碼。[4]

利用堆棧的思想實(shí)現(xiàn)指令表語言向梯形圖樹形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。自定義一個棧Stack，可以壓入和彈出指向Lad—derElement類型的對象的指針。在進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換時，棧Stack動作與語法分析棧的動作不同。當(dāng)yacc解析到如LD／IDI、AND／ANI等含有元件的指令語句時，將這些指令中的元件入棧(如上述代碼中的B、C行)，邏輯塊的構(gòu)造在其對應(yīng)的語法規(guī)則的動作部分實(shí)現(xiàn)。

2．3執(zhí)行模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2．3．1邏輯運(yùn)算算法推導(dǎo)

下面列一段簡單的PIC程序來介紹邏輯運(yùn)算算法的推導(dǎo)過程：

①LDX1

②ORX6

③ORIM1

④OUT Y5

⑤LDIY5

⑥AND X7

⑦ORM2

(ANIX10

⑨ORIM3

⑩OUT M4

⑩END

定義OR、ORI、ORB的或操作為加法“+”，AND、ANI、ANB的與操作為乘法“*”，取反操作為“[]”。則上述程序清單中的輸出Y5和M103分別等于：

Y5=X4+X6+[M1]

M4=([Y5]*x7+M2)*[X10]+[M3]

上式的所有運(yùn)算符只會連接兩個變量或者一個變量和一個表達(dá)式。由于掃描過程是順序執(zhí)行的，因此可以為上述計算過程建立計算堆棧。建立遞增的堆棧，則計算過程和堆棧中的數(shù)據(jù)變化如表1所列。

2．3．2執(zhí)行模塊的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊是由RTLinux的實(shí)時線程模塊來實(shí)現(xiàn)的，它運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)。系統(tǒng)開機(jī)立即加載執(zhí)行模塊，并將PLC的二進(jìn)制代碼從文件中復(fù)制到共享內(nèi)存中，執(zhí)行模塊解釋共享內(nèi)存中的PLC指令表的二進(jìn)制代碼，按照用戶輸入的邏輯，完成開關(guān)量的控制，工作流程如圖8所示。

3小結(jié)

嵌入式軟PLC最突出的特點(diǎn)是，借助于嵌人式系統(tǒng)的硬件平臺用軟件的方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PLC的功能，代替專用控制器，結(jié)構(gòu)開放，開發(fā)周期短、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。雖然文中PLC指令采用的是日本三菱公司Fx2N可編程控制器系列指令，但是只需稍作修改即可用于其他廠商的產(chǎn)品。目前該嵌入式軟PLC已成功應(yīng)用于數(shù)控銑床中，完全滿足控制要求。

[1].PLCdatasheethttp:///datasheet/PLC_1248813.html.
[2].X006datasheethttp:///datasheet/X006_1546334.html.
[3].Fx2Ndatasheethttp:///datasheet/Fx2N_337839.html.