【正文】 入式軟 PLC的設(shè)計總體 框圖 硬件平臺 實時操作系統(tǒng) 硬件驅(qū)動程序 I/O 端子 人機界面 軟PLC運行程序 實時數(shù)據(jù)庫內(nèi)核 I/O 驅(qū)動模塊 數(shù)據(jù)庫系統(tǒng) 人機界面數(shù)據(jù)庫 數(shù)據(jù)庫配置文件 梯形圖配置文件 開發(fā)系統(tǒng) 運行系統(tǒng) IEC61131— 3 編程語言 PLC 目標(biāo)代碼 軟 PLC 運行虛擬機 I/O 接口 外部設(shè)備 標(biāo)準(zhǔn)OPC 接口 人機界面 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 許多控制系統(tǒng)要求嵌入式系統(tǒng)能夠把實時動態(tài)的各種數(shù)據(jù)信息以圖形、表格 、文字、畫面的方式有機地結(jié)合在一起顯示在操作屏或者顯示器上，同時用戶可用鍵盤、鼠標(biāo)、觸摸屏 等 完成對應(yīng)用軟件的全部操作，包括菜單選擇、畫面切換、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)前 /后翻頁、報表生成及打印、故障查詢及復(fù)位、文件管理、參數(shù)設(shè)定等等。 OpenGUI 采用 LGPL 條款發(fā)布，比較適合于基于 x86 平臺的實時系統(tǒng)，可移植性稍差，目前的發(fā)展也基本停滯。MiniGUI共有兩個版本： MiniGUIThreads和 MiniGUILite。通過本章的論述，我們完全可以從總體 上 了解整個平臺的設(shè)計思想和框架體系結(jié)構(gòu)，從而為最終實現(xiàn)該 平 臺奠定堅實的基礎(chǔ) 。 （ 4） MiniGUI MiniGUI是由飛漫軟件工作室開發(fā)的一個自由軟件項目，其目標(biāo)是為基于 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 Linux的實時嵌入式系統(tǒng)提供一個輕量級的圖形用戶界面支持系統(tǒng)。最初的名字為 FastGL，只支持 256 色的線性顯存模式，但目前也支持其他顯示模式，并且支持多種操作系統(tǒng)平臺，例如 MSDOS、 QNX 和 Linux 等，但支持 x86 硬件平臺。嵌入式軟 PLC是當(dāng)前開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，克服了硬PLC的諸多缺點，憑借其執(zhí)行速度快、可跨平臺運行等優(yōu)點必將在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。運行系統(tǒng)的作用是執(zhí)行開發(fā)環(huán)境編譯后產(chǎn)生的目標(biāo)代碼，實現(xiàn)控制功能。 目前國際上比較流行的軟 PLC 產(chǎn)品有 KWsoftware 公司的 MULTIPROG wt3 CJ International 公司的 ISaGRAF、 Wonderware 公司的 InControl 等。目前，商業(yè)的實時操作系統(tǒng)已經(jīng)在許多嵌入式領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，如 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 VxWorks， QNX、 pSOS、 Nucleus 等。所以不管當(dāng)前 Linux 處于什么狀態(tài)，它都不能延長實時系統(tǒng)的中斷響應(yīng)時間。它所建立的是一個直接面對處理器的小內(nèi)核，此內(nèi)核獨立于原 Linux 的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核，并且擁有自己的調(diào)度程序。 （ 5）關(guān)中斷問題 在系統(tǒng)調(diào)用中，為了保護(hù)臨界區(qū)資源， Linux 會長時間關(guān)掉中斷，這樣會加大中斷延遲時間，阻塞高優(yōu)先級的中斷立即被處理。 大多數(shù)的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)都是從標(biāo)準(zhǔn) Linux 裁剪或修補而來，標(biāo)準(zhǔn) Linux 操作系統(tǒng)并非為實時系統(tǒng)而設(shè)計，因此一般的嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)也不是實時操作系統(tǒng)，這主要體現(xiàn)在以下幾個方面 ： （ 1） Linux 的內(nèi)核不可搶先 ： 實時內(nèi)核有兩種：不可搶占內(nèi)核與可搶占內(nèi)核。 （ 3）系統(tǒng)中一些數(shù)據(jù)的產(chǎn)生及保存也有很強的時間性，有一定的時效期，過時就變得沒有意義。 驅(qū)動程序可以根據(jù)實際的硬件特點選用不同的通信方式，并將此方式通知給實時數(shù)據(jù)管理平臺。實時數(shù)據(jù)管理平臺將通過這些接口實現(xiàn)對驅(qū)動程序的管理以及與驅(qū)動程序之間的通信。平臺將根據(jù)用戶的選擇 進(jìn)行編譯從而形成最終的系統(tǒng)。在上述設(shè)計中，軟 PLC 部分主要是提供一個用戶 PLC 程序運行的環(huán)境，其包括 I/O 數(shù)據(jù)的掃描、用戶程序的解析與執(zhí)行等等。 （ 4）圖形庫與運行環(huán)境圖形庫與運行環(huán)境是人機界面的基礎(chǔ)。但并行化掃描時也同時涉及到多任務(wù)的同步問題，對于同步問題的分析也是我們設(shè)計平臺時要重點考慮的。 （ 3） 以數(shù)據(jù)為核心 控制系統(tǒng)的一個重要特點主要是大量數(shù)據(jù)的采集和處理，而且典型的控制應(yīng)用過程一般都是周期性的，在周期開始時，采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行運算和處理，最后根據(jù)處理的結(jié)果更新數(shù)據(jù)，如 PLC 的工作原理。本文重點介紹系統(tǒng)的運行環(huán)境。采用這些軟件開發(fā)出來的控制系統(tǒng)往往非常復(fù)雜，系統(tǒng)造價也極其昂貴，對許多控制系統(tǒng)應(yīng)用來說其實 并不實用。事實上，與通用計算機的開發(fā)人員主要是計算機科學(xué)或 工 程方面的專業(yè)人士不同，嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)人員往往是各個應(yīng)用領(lǐng)域的專家，顯然這些開發(fā)者對其應(yīng)用領(lǐng)域是非常熟悉的，但對嵌入式開發(fā)方向卻沒有許多經(jīng)驗。使用開發(fā)環(huán)境，用戶可以方便組態(tài)和二次開發(fā)，而將開發(fā)重點集中到具體的控制系統(tǒng)應(yīng)用上，而諸如系統(tǒng)的軟件架構(gòu)設(shè)計、實時性保證、通用的控制系統(tǒng)軟件如網(wǎng)絡(luò)通信、控制算法等復(fù)雜而繁瑣的軟件工作，則交由平臺完成。基于嵌入式實時操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)在控制領(lǐng)域中大有用武之地。 （ 5） 為了提高執(zhí)行速度和系 統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在存儲器芯片或單片機本身中，而不是存貯于磁盤等載體中。微電子技術(shù)發(fā)展迅速， SOC（ System On Chip，片上系統(tǒng)）使嵌入式系統(tǒng)越來越小、功能卻越來越強。這種系統(tǒng)大部分應(yīng)用于各類工業(yè)控制和飛機、導(dǎo)彈等武器裝備中，早期嵌入式系統(tǒng)一般沒有操作系統(tǒng)的支持，通過匯編語言編程對系統(tǒng)進(jìn)行直接控制，運行結(jié)束后清除內(nèi)存。 realtime OS。本文首先介紹了嵌入式系統(tǒng)的概念、發(fā)展和軟硬件組成，并對嵌入式控制系統(tǒng)及其相關(guān)軟件如嵌入式實時操作系統(tǒng)、軟 PLC 系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件等進(jìn)行了詳細(xì)的分析，同時闡述了嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺課題及研究意義。該平臺將嵌入式實時操作系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件、軟 PLC 等有機地結(jié)合起來，為嵌入式控制系統(tǒng)提供一個完整的運行環(huán)境。 關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) 實時操作系統(tǒng) 工業(yè)控制 RTAI MiniGUI 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 ABSTRACT With the rapid development of puter and microelectronics technology, embedded system which is one of important applications, has been applied in many fields. In recent years, the practice of embedded system in the industrial control bees more and more extensive. This thesis discussed the design and implementation of embedded system software in industrial control, aim at establishing uniform software platform of an entire embedded control system, which consists of embedded realtime OS, embedded configuration software, softPLC and etc. The thesis began with an overview of the concept, development, hardware and software of embedded system. It analyzed embedded control system and related software, including embedded realtime OS, softPLC and embedded SCADA. Then it briefly introduced the embedded control system software platform and its prospect future. After that, the thesis proposes software framework of the platform and analyzed the key part of the software based on the author’s research in embedded control system. According to the result of analysis, the thesis discussed the implementation of the main models of the platform in detail, including embedded realtime OS, realtime data base management and munication, human interface software and etc. Then the thesis provided a demo to test the performance of the platform. The test is based on the PC104embedded main board and embedded RTAI realtime OS. The test results manifest the platform has hard realtime capabilities, easy configuration and e