【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，該軟件系統(tǒng)究竟應(yīng)該如何進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)是一個(gè)全新的課題。 因此，本文對(duì)該軟件平臺(tái)的特性、架構(gòu)以及技術(shù)難點(diǎn)等問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)的分析和研究，并給出了許多有價(jià)值的成果。 第二章 嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)的設(shè)計(jì) 平臺(tái)設(shè)計(jì)需 求分析及設(shè)計(jì)目標(biāo) 本課題的主要目標(biāo)是建立一套完整的嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)，該平臺(tái)建構(gòu)于嵌入式硬件平臺(tái)之上，包括嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、軟 PLC 系統(tǒng)、嵌入式組態(tài)軟件等等，希望將這些軟件有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，并通過(guò)開(kāi)放的軟件接口最終形成一套完整的應(yīng)用系統(tǒng)軟件平臺(tái)。 除了運(yùn)行環(huán)境外，我們還將建立適用于該平臺(tái)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，以方便用戶(hù)實(shí)現(xiàn)對(duì)該平臺(tái)的組態(tài)應(yīng)用以及二次開(kāi)發(fā)。在該平臺(tái)的支持下，用戶(hù)可以將開(kāi)發(fā)重點(diǎn)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(jì)、實(shí)時(shí)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(tái)完成。本文重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境。 平 臺(tái)的設(shè)計(jì)思想 整個(gè)嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)將是一個(gè)非常復(fù)雜的綜合系統(tǒng)平臺(tái)，因此 一 個(gè)好的設(shè)計(jì)思想對(duì)于軟件的最終實(shí)現(xiàn)將顯得至關(guān)重要。論文一方面考慮了該平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)功能和關(guān)鍵 特性，另一方面也綜合了常見(jiàn)的軟件設(shè)計(jì)思想和技術(shù)。感覺(jué)應(yīng)該從下面幾 個(gè)方面把握整個(gè)軟件的設(shè)計(jì) ： （ 1） 采用通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 通用的操作系統(tǒng)功能車(chē)富，成熟性和可靠性也更高，并有完善的開(kāi)發(fā)工具支持，其開(kāi)放性和靈活性也是不言而喻的，采用通用操作系統(tǒng)更具優(yōu)勢(shì)，這也大大山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 降低了我們系統(tǒng)實(shí)現(xiàn) 的難度。不過(guò)采用通用操作系統(tǒng)也存在一些問(wèn)題，如其所消耗的系統(tǒng)資源較大，對(duì)硬件平臺(tái)的要求較高，某些功能可能對(duì)控制系統(tǒng)軟件實(shí)用價(jià)值并不大等等，因此對(duì)于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的選擇是非常重要的。 （ 2） 區(qū)分實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)任務(wù) 在控制系統(tǒng)的應(yīng)用 中 ，并非所有的任務(wù)都是實(shí)時(shí)的，有許多任務(wù)如人機(jī)界面等并不要求具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。因此，在整個(gè)系統(tǒng)中合理地區(qū)分實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)軟件是非常重要的。需要注意的是，實(shí)時(shí)軟件與非實(shí)時(shí)軟件之間也存在通信問(wèn)題和數(shù)據(jù)同步等問(wèn)題，因此在實(shí)現(xiàn)雙方可靠通信的同時(shí)，又要確保實(shí)時(shí)軟件的實(shí)時(shí)性，這對(duì)于總體設(shè)計(jì) 來(lái)說(shuō) 將 十分重要，難度也很大。 （ 3） 以數(shù)據(jù)為核心 控制系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)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(guò)程一般都是周期性的，在周期開(kāi)始時(shí)，采集數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行運(yùn)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。因此控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)必須考慮以數(shù)據(jù)為核心，完成數(shù)據(jù)的獲取、更新、 配置、 通信等功能。同時(shí)，我們認(rèn)為，為保證整個(gè)系統(tǒng)性能的高效，必須要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，我們稱(chēng)之為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)，所有的應(yīng)用組件都工作在該平臺(tái)基礎(chǔ)上，通過(guò)該平臺(tái)與底層 I/O 數(shù)據(jù)進(jìn)行交互。統(tǒng)一的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理平臺(tái)增強(qiáng)了 系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和靈活性，同時(shí)也減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互復(fù)制之間的開(kāi)銷(xiāo)。 (4)掃描與同步 集散控制系 統(tǒng)和 PLC 系統(tǒng)一個(gè)很重要 的 工作就是，對(duì)模擬量和開(kāi)關(guān)量等 I/O數(shù)據(jù)量進(jìn)行循環(huán)掃描。隨著 I/O 量的不斷增大，掃描時(shí)間也越來(lái)越長(zhǎng)，從而使得實(shí)時(shí)性難以保障。但現(xiàn)實(shí)的情況是，在整個(gè)控制系統(tǒng)中，不同的控制模塊其實(shí)時(shí)性要求并非完全相同，如果采用統(tǒng)一掃描的方式，那些實(shí)時(shí)性要求低的 I/O 量掃描影響了對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的掃描，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的性能下降。因此，平臺(tái)采用并行化掃描的方式，即允許多任務(wù)同時(shí)對(duì) I/O 量進(jìn)行掃描，分別進(jìn)行處理，從而提高系統(tǒng)效率。但并行化掃描時(shí)也同時(shí)涉及到多任務(wù)的同步問(wèn)題，對(duì)于同步問(wèn)題的分析也是我們?cè)O(shè)計(jì)平臺(tái)時(shí)要重點(diǎn)考慮的。 平臺(tái)的總體框架 嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)是以嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為核心，包括硬件平臺(tái)、硬件驅(qū)動(dòng)、圖形庫(kù)運(yùn)行環(huán)境、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信、人機(jī)界面、軟 PLC、網(wǎng)絡(luò)通信、用戶(hù)應(yīng)用程序等。 嵌入式控制系統(tǒng)平臺(tái)總體框架如圖 21 所示。 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 圖 21 嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)總體框架 由圖 21 可知，嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)主要包括以下部分 （ 1）嵌入式硬件 平臺(tái) 嵌入式硬件平臺(tái)包括嵌入式 CPU、存儲(chǔ)器，以及用于數(shù)據(jù)采集的硬件 I/O板卡，用于通信的網(wǎng)絡(luò)適配器等。 （ 2）嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)的核心部分，提供任務(wù)管理(多任務(wù)和基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度 )、任務(wù)間同步和通信 (信號(hào)量和郵箱等 )、存儲(chǔ)器優(yōu)化管理 (含 ROM 的管理 )、實(shí)時(shí)時(shí)鐘服務(wù)、中斷管理服務(wù)等功能。 （ 3）硬件驅(qū)動(dòng)程序 我們這里談的硬件驅(qū)動(dòng)程序與嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序有所不同，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要為應(yīng)用程序與硬件設(shè)備通信之間的數(shù)據(jù)交換 (如讀、寫(xiě) )提供服務(wù)。而這里的 硬件驅(qū)動(dòng)程序主要用來(lái)采集硬件數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)服務(wù)，保證來(lái)自硬件的 I/O 數(shù)據(jù)值與系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)之間的同步。另外，硬件驅(qū)動(dòng)程序還包括對(duì)設(shè)備的初始化，寄存器的讀寫(xiě)等操作，這些與標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動(dòng)是相同的。 （ 4）圖形庫(kù)與運(yùn)行環(huán)境圖形庫(kù)與運(yùn)行環(huán)境是人機(jī)界面的基礎(chǔ)。圖形庫(kù)是為人機(jī)界面提供大量圖形元素，除包括基本圖形如矩形、圓等，還包括組合圖元如油罐、閥門(mén)等。運(yùn)行庫(kù)環(huán)境一般指標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言如 C 語(yǔ)言的運(yùn)行庫(kù)，其中包括基本的運(yùn)行庫(kù)函數(shù)以及針對(duì)操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 （ 5）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與 通信是平臺(tái)中很重要的模塊，管理著全局 I/O 數(shù)據(jù)，上層用戶(hù)應(yīng)用程序 圖形庫(kù)與運(yùn)行環(huán)境 人機(jī)界面組態(tài) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)管理與通信 軟 PLC 網(wǎng)絡(luò)通信 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) 硬件驅(qū)動(dòng)程序 嵌入式硬件平臺(tái) 控制算法 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 控制系統(tǒng)軟件如人機(jī)界面軟 PLC、控制算法等，將從該模塊中獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并通過(guò)該模塊更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，該模塊還負(fù)責(zé)與操作系統(tǒng)以及硬件驅(qū)動(dòng)程序的通信，將上層控制軟件的請(qǐng)求最終發(fā)送到實(shí)際的硬件驅(qū)動(dòng)程序。 （ 6）人機(jī)界面 一個(gè)優(yōu)秀的系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)該要提供強(qiáng)大的人機(jī)界面環(huán)境，人機(jī)界面類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件的運(yùn)行環(huán)境，用戶(hù)將組態(tài)好的程序編譯后即可在該環(huán)境下運(yùn)行。與標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件不同的是，該組態(tài)環(huán)境運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)下，內(nèi)含對(duì)用戶(hù)組態(tài)的解析和執(zhí)行功能，并與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理程序進(jìn)行通信以獲 取硬件數(shù)據(jù)。 （ 7）軟 PLC 類(lèi)似于標(biāo)準(zhǔn) PLC 的功能，支持對(duì) I/O 數(shù)據(jù)的循環(huán)掃描和用戶(hù)程序控制，同時(shí)提供類(lèi)似標(biāo)準(zhǔn) PLC 的可編程方式。在上述設(shè)計(jì)中，軟 PLC 部分主要是提供一個(gè)用戶(hù) PLC 程序運(yùn)行的環(huán)境，其包括 I/O 數(shù)據(jù)的掃描、用戶(hù)程序的解析與執(zhí)行等等。一般來(lái)說(shuō)，該應(yīng)用是實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)應(yīng)用。 （ 8）網(wǎng)絡(luò)通信 主要負(fù)責(zé)獲取從網(wǎng)絡(luò)上傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并更新實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)也負(fù)責(zé)將本地的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)上去。因此，網(wǎng)絡(luò)通信模塊主要功能是，一方面與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理模塊進(jìn)行通信，另一方面通過(guò)網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動(dòng)程序與網(wǎng) 絡(luò)適配器進(jìn)行通信。任何一個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)有可能是本地的，也可能是遠(yuǎn)程的，根據(jù)需要可以自行確定。 （ 9）用戶(hù)應(yīng)用程序 用戶(hù)可以調(diào)用平臺(tái)提供的編程接口，包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及控制軟件等提供的接口，編寫(xiě)人機(jī)界面應(yīng)用程序、 PLC 應(yīng)用程序等，完成某個(gè)特定的控制任務(wù)。 開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件 開(kāi)發(fā)環(huán)境軟件工作在宿 主 機(jī)上為用戶(hù)形成最終系統(tǒng)提供完善的開(kāi)發(fā)手段。完整的開(kāi)發(fā)環(huán)境包括如下軟件 ： （ 1）平臺(tái)定制軟件 該軟件用于配置嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)軟件平臺(tái) 組件 ，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際的需求選擇必要的軟件進(jìn)行組合。平臺(tái)將根據(jù)用戶(hù)的選擇 進(jìn)行編譯從而形成最終的系統(tǒng)。 （ 2）人機(jī)界面組態(tài)軟件 該軟件用以形成目標(biāo)機(jī)的人機(jī)界面， 由 于口標(biāo)機(jī)上帶有人機(jī)界 面 組態(tài)的執(zhí)行環(huán)境，因此由該組態(tài)軟件 生 成的組態(tài)程序?qū)⑼ㄟ^(guò)編譯后最終在目標(biāo)機(jī) 下 運(yùn)行。 平臺(tái)的關(guān)鍵軟件分析 從前面的軟件架構(gòu)可以看出，整個(gè)軟件平臺(tái)是非常龐大的，而且每個(gè)組成部山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 分其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)也非常復(fù)雜。在這一節(jié)里將就 整 個(gè)平臺(tái)中的一些關(guān)鍵性的軟件進(jìn)行分析，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案和軟件架構(gòu)。另外，在整個(gè)系統(tǒng)中，由于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)總線及實(shí)時(shí)以太網(wǎng)等軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較高，而且其牽涉的問(wèn)題也很多 ，因此將在后續(xù)的章節(jié)中加以詳細(xì)分析，這里就不再贅述了。 硬件驅(qū)動(dòng)程序分析 前面提到，平臺(tái)中的硬件驅(qū)動(dòng)程序主要是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與硬件實(shí)際 I/O 量的同步， 可 以說(shuō)硬件驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)與真實(shí)硬件設(shè)備之間的橋梁。硬件驅(qū)動(dòng) 程序主 要包括基本的 I/O 通信模塊驅(qū)動(dòng)程序，其支持標(biāo)準(zhǔn)的模擬和數(shù)字量采集 ；網(wǎng) 絡(luò)通信模塊驅(qū)動(dòng)程序，支持從網(wǎng)絡(luò) 上 采集數(shù)據(jù) ： 特定硬件的數(shù)據(jù)采集程序，如基于計(jì)算機(jī)并 口 或串口的數(shù)據(jù)采集等等。 典型的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)主要包括如 下 部分 : （ 1）初始化 : 在初始化程序中，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⑼瓿刹檎矣布?、初始化?件等功能，并向系統(tǒng)注冊(cè)相應(yīng)的接口。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)將通過(guò)這些接口實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)程序的管理以及與驅(qū)動(dòng)程序之間的通信。 （ 2） 配置接口 : 馭動(dòng)程序參數(shù)可以由用戶(hù)進(jìn)行配置，因此驅(qū)動(dòng)程序必須提供通用的配置接口。典型的配置接口包括變量名、變量描述、變量類(lèi)型以及相應(yīng)的變量值。 （ 3） 通信接口 : 根據(jù)控制系統(tǒng)的通信要求，驅(qū)動(dòng)程序可以有如下通信方式 ： 1）直接讀取數(shù)據(jù) 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)直接向驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送請(qǐng)求以獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。 2）中斷通知讀取數(shù)據(jù) 驅(qū)動(dòng)程序當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)主動(dòng)向?qū)崟r(shí)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)提交變化的數(shù)據(jù)。 3）定 時(shí)讀取數(shù)據(jù) 對(duì)于某些隨時(shí)發(fā)生變化的