【文章內(nèi)容簡介】 ，該軟件系統(tǒng)究竟應(yīng)該如何進行設(shè)計和開發(fā)是一個全新的課題。 因此，本文對該軟件平臺的特性、架構(gòu)以及技術(shù)難點等問題進行了詳細(xì)的分析和研究，并給出了許多有價值的成果。 第二章 嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的設(shè)計 平臺設(shè)計需 求分析及設(shè)計目標(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，該平臺建構(gòu)于嵌入式硬件平臺之上，包括嵌入式實時操作系統(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的結(jié)合起來，并通過開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。 除了運行環(huán)境外，我們還將建立適用于該平臺的軟件開發(fā)環(huán)境，以方便用戶實現(xiàn)對該平臺的組態(tài)應(yīng)用以及二次開發(fā)。在該平臺的支持下，用戶可以將開發(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。本文重點介紹系統(tǒng)的運行環(huán)境。 平 臺的設(shè)計思想 整個嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺將是一個非常復(fù)雜的綜合系統(tǒng)平臺，因此 一 個好的設(shè)計思想對于軟件的最終實現(xiàn)將顯得至關(guān)重要。論文一方面考慮了該平臺的實現(xiàn)功能和關(guān)鍵 特性，另一方面也綜合了常見的軟件設(shè)計思想和技術(shù)。感覺應(yīng)該從下面幾 個方面把握整個軟件的設(shè)計 ： （ 1） 采用通用的嵌入式實時操作系統(tǒng) 通用的操作系統(tǒng)功能車富，成熟性和可靠性也更高，并有完善的開發(fā)工具支持，其開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，這也大大山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 降低了我們系統(tǒng)實現(xiàn) 的難度。不過采用通用操作系統(tǒng)也存在一些問題，如其所消耗的系統(tǒng)資源較大，對硬件平臺的要求較高，某些功能可能對控制系統(tǒng)軟件實用價值并不大等等，因此對于嵌入式實時操作系統(tǒng)的選擇是非常重要的。 （ 2） 區(qū)分實時與非實時任務(wù) 在控制系統(tǒng)的應(yīng)用 中 ，并非所有的任務(wù)都是實時的，有許多任務(wù)如人機界面等并不要求具有較強的實時性。因此，在整個系統(tǒng)中合理地區(qū)分實時與非實時軟件是非常重要的。需要注意的是，實時軟件與非實時軟件之間也存在通信問題和數(shù)據(jù)同步等問題，因此在實現(xiàn)雙方可靠通信的同時，又要確保實時軟件的實時性，這對于總體設(shè)計 來說 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。因此控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計必須考慮以數(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，我們認(rèn)為，為保證整個系統(tǒng)性能的高效，必須要有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理平臺，我們稱之為實時數(shù)據(jù)庫管理平臺，所有的應(yīng)用組件都工作在該平臺基礎(chǔ)上，通過該平臺與底層 I/O 數(shù)據(jù)進行交互。統(tǒng)一的實時數(shù)據(jù)庫管理平臺增強了 系統(tǒng)的可擴展性和靈活性，同時也減少了系統(tǒng)數(shù)據(jù)相互復(fù)制之間的開銷。 (4)掃描與同步 集散控制系 統(tǒng)和 PLC 系統(tǒng)一個很重要 的 工作就是，對模擬量和開關(guān)量等 I/O數(shù)據(jù)量進行循環(huán)掃描。隨著 I/O 量的不斷增大，掃描時間也越來越長，從而使得實時性難以保障。但現(xiàn)實的情況是，在整個控制系統(tǒng)中，不同的控制模塊其實時性要求并非完全相同，如果采用統(tǒng)一掃描的方式，那些實時性要求低的 I/O 量掃描影響了對實時性要求高的掃描，從而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的性能下降。因此，平臺采用并行化掃描的方式，即允許多任務(wù)同時對 I/O 量進行掃描，分別進行處理，從而提高系統(tǒng)效率。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。 平臺的總體框架 嵌入式控制系統(tǒng)平臺是以嵌入式實時操作系統(tǒng)為核心，包括硬件平臺、硬件驅(qū)動、圖形庫運行環(huán)境、實時數(shù)據(jù)庫管理與通信、人機界面、軟 PLC、網(wǎng)絡(luò)通信、用戶應(yīng)用程序等。 嵌入式控制系統(tǒng)平臺總體框架如圖 21 所示。 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 圖 21 嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺總體框架 由圖 21 可知，嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺主要包括以下部分 （ 1）嵌入式硬件 平臺 嵌入式硬件平臺包括嵌入式 CPU、存儲器，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）嵌入式實時操作系統(tǒng) 嵌入式實時操作系統(tǒng)是嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的核心部分，提供任務(wù)管理(多任務(wù)和基于優(yōu)先級的任務(wù)調(diào)度 )、任務(wù)間同步和通信 (信號量和郵箱等 )、存儲器優(yōu)化管理 (含 ROM 的管理 )、實時時鐘服務(wù)、中斷管理服務(wù)等功能。 （ 3）硬件驅(qū)動程序 我們這里談的硬件驅(qū)動程序與嵌入式實時操作系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動程序有所不同，設(shè)備驅(qū)動程序主要為應(yīng)用程序與硬件設(shè)備通信之間的數(shù)據(jù)交換 (如讀、寫 )提供服務(wù)。而這里的 硬件驅(qū)動程序主要用來采集硬件數(shù)據(jù)，并為系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)管理平臺服務(wù)，保證來自硬件的 I/O 數(shù)據(jù)值與系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)庫之間的同步。另外，硬件驅(qū)動程序還包括對設(shè)備的初始化，寄存器的讀寫等操作，這些與標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)設(shè)備驅(qū)動是相同的。 （ 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)。圖形庫是為人機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、閥門等。運行庫環(huán)境一般指標(biāo)準(zhǔn)語言如 C 語言的運行庫，其中包括基本的運行庫函數(shù)以及針對操作系統(tǒng)的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)。 （ 5）實時數(shù)據(jù)庫管理與通信 實時數(shù)據(jù)庫管理與 通信是平臺中很重要的模塊，管理著全局 I/O 數(shù)據(jù)，上層用戶應(yīng)用程序 圖形庫與運行環(huán)境 人機界面組態(tài) 實時數(shù)據(jù)庫管理與通信 軟 PLC 網(wǎng)絡(luò)通信 嵌入式實時操作系統(tǒng) 硬件驅(qū)動程序 嵌入式硬件平臺 控制算法 山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 控制系統(tǒng)軟件如人機界面軟 PLC、控制算法等，將從該模塊中獲取實時數(shù)據(jù)，并通過該模塊更新實時數(shù)據(jù)。同時，該模塊還負(fù)責(zé)與操作系統(tǒng)以及硬件驅(qū)動程序的通信，將上層控制軟件的請求最終發(fā)送到實際的硬件驅(qū)動程序。 （ 6）人機界面 一個優(yōu)秀的系統(tǒng)平臺應(yīng)該要提供強大的人機界面環(huán)境，人機界面類似于標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件的運行環(huán)境，用戶將組態(tài)好的程序編譯后即可在該環(huán)境下運行。與標(biāo)準(zhǔn)組態(tài)軟件不同的是，該組態(tài)環(huán)境運行在目標(biāo)機下，內(nèi)含對用戶組態(tài)的解析和執(zhí)行功能，并與實時數(shù)據(jù)管理程序進行通信以獲 取硬件數(shù)據(jù)。 （ 7）軟 PLC 類似于標(biāo)準(zhǔn) PLC 的功能，支持對 I/O 數(shù)據(jù)的循環(huán)掃描和用戶程序控制，同時提供類似標(biāo)準(zhǔn) PLC 的可編程方式。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。一般來說，該應(yīng)用是實時的控制系統(tǒng)應(yīng)用。 （ 8）網(wǎng)絡(luò)通信 主要負(fù)責(zé)獲取從網(wǎng)絡(luò)上傳來的實時數(shù)據(jù)，并更新實時數(shù)據(jù)庫，同時也負(fù)責(zé)將本地的實時數(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，一方面與實時數(shù)據(jù)管理模塊進行通信，另一方面通過網(wǎng)絡(luò)硬件驅(qū)動程序與網(wǎng) 絡(luò)適配器進行通信。任何一個實時數(shù)據(jù)庫有可能是本地的，也可能是遠程的，根據(jù)需要可以自行確定。 （ 9）用戶應(yīng)用程序 用戶可以調(diào)用平臺提供的編程接口，包括實時操作系統(tǒng)以及控制軟件等提供的接口，編寫人機界面應(yīng)用程序、 PLC 應(yīng)用程序等，完成某個特定的控制任務(wù)。 開發(fā)環(huán)境軟件 開發(fā)環(huán)境軟件工作在宿 主 機上為用戶形成最終系統(tǒng)提供完善的開發(fā)手段。完整的開發(fā)環(huán)境包括如下軟件 ： （ 1）平臺定制軟件 該軟件用于配置嵌入式實時操作系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)軟件平臺 組件 ，用戶可以根據(jù)實際的需求選擇必要的軟件進行組合。平臺將根據(jù)用戶的選擇 進行編譯從而形成最終的系統(tǒng)。 （ 2）人機界面組態(tài)軟件 該軟件用以形成目標(biāo)機的人機界面， 由 于口標(biāo)機上帶有人機界 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^編譯后最終在目標(biāo)機 下 運行。 平臺的關(guān)鍵軟件分析 從前面的軟件架構(gòu)可以看出，整個軟件平臺是非常龐大的，而且每個組成部山東輕工業(yè)學(xué)院 2020 屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 分其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)也非常復(fù)雜。在這一節(jié)里將就 整 個平臺中的一些關(guān)鍵性的軟件進行分析，并給出相應(yīng)的設(shè)計方案和軟件架構(gòu)。另外，在整個系統(tǒng)中，由于嵌入式實時操作系統(tǒng)、現(xiàn)場總線及實時以太網(wǎng)等軟件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實現(xiàn)難度較高，而且其牽涉的問題也很多 ，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)動程序分析 前面提到，平臺中的硬件驅(qū)動程序主要是實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)庫與硬件實際 I/O 量的同步， 可 以說硬件驅(qū)動程序是實時數(shù)據(jù)管理平臺與真實硬件設(shè)備之間的橋梁。硬件驅(qū)動 程序主 要包括基本的 I/O 通信模塊驅(qū)動程序，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，如基于計算機并 口 或串口的數(shù)據(jù)采集等等。 典型的驅(qū)動程序設(shè)計主要包括如 下 部分 : （ 1）初始化 : 在初始化程序中，驅(qū)動程序?qū)⑼瓿刹檎矣布?、初始化?件等功能，并向系統(tǒng)注冊相應(yīng)的接口。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。 （ 2） 配置接口 : 馭動程序參數(shù)可以由用戶進行配置，因此驅(qū)動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)動程序可以有如下通信方式 ： 1）直接讀取數(shù)據(jù) 實時數(shù)據(jù)管理平臺直接向驅(qū)動程序發(fā)送請求以獲取實時數(shù)據(jù)。 2）中斷通知讀取數(shù)據(jù) 驅(qū)動程序當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時主動向?qū)崟r數(shù)據(jù)管理平臺提交變化的數(shù)據(jù)。 3）定 時讀取數(shù)據(jù) 對于某些隨時發(fā)生變化的