【正文】 入式計算機的軟邏輯控制軟件，與傳統(tǒng)PLC一樣，主要用于工業(yè)控制領域的開關邏輯控制、順序控制、定時控制、計數(shù)控制、模擬量控制、閉環(huán)過程控制等。軟PLC由開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境組成。軟PLC開發(fā)環(huán)境就是帶有調(diào)試和編譯功能的 PLC 編程器，要求編程語言標準化，具有豐富的控制模塊，支持多種 PID 算法(如常規(guī)PID控制算法、自適應 PID 控制算法、模糊 PID 控制算法、智能 PID控制算法等)，還允許用戶自行嵌入控制算法，具有仿真環(huán)境等等。軟 PLC 的運行環(huán)境是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作，通常由 I/O 接口、通信接口、系統(tǒng)管理器、錯誤管理器、調(diào)試內(nèi)核和編譯器組成。目前國際上比較流行的軟PLC產(chǎn)品有KWsoftware 公司的MULTIPROG wt3CJ International 公司的ISaGRAF、Wonderware公司的InControl 。（1）KWsoftware 公司的 MULTIPROG wt32KWsoftware 公司的 MULTIPROG wt32 完全符合 IEC11313 國際標準，開發(fā)環(huán)境集成化，類似VC++ 的開發(fā)界面，支持五種編程語言(包括兩種文本語言ST、IL和三種圖形語言LD、FBD、SFC)，其中 LD、FBD、SFC 三種圖形編程非常方便直觀，仿真程序比較完善，但不支持五種編程語言之間的相互轉(zhuǎn)換。（2）CJ International 公司的ISaGRAFCJ International 公司的 ISaGRAF 通過變量交叉表可查詢變量的使用情況，可以方便加入用任何標準 PLC 語言編寫的功能塊，也可嵌入用 C 語言編寫的功能塊，可以編譯生成適用于不同 CPU 的代碼，仿真程序比較完善，源程序在仿真運行時可以進行監(jiān)控，可以運行在任何一種工業(yè)計算機、微處理器、或配有 I/O 模塊的 PLC 中，但不完全符合 IEC11313 國際標準，開發(fā)環(huán)境為非集成化的多窗口界面。（3）Wonderware 公司的 InControl Wonderware 公司的 InControl 支持 LD、SFC、ST 三種編程語言，開發(fā)環(huán)境集成化，編程簡單，每個程序以文件形式進行管理。在本系統(tǒng)中，我們也要創(chuàng)建一個軟PLC系統(tǒng)的運行環(huán)境，充分借鑒世界上已經(jīng)出現(xiàn)的軟 PLC 系統(tǒng)的優(yōu)點，并結合本平臺，搭建一個基于 Linux 環(huán)境下的軟PLC環(huán)境。借鑒傳統(tǒng)PLC的結構，整個嵌入式軟PLC系統(tǒng)的體系結構也分為開發(fā)系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分，它們是相互獨立而又密不可分的兩個應用程序，可以分別單獨運行。(1)軟PLC開發(fā)系統(tǒng)：實際上就是一個PLC編程器，提供用戶一個可以利用標準PLC編程語言(比如梯形圖)編寫控制應用程序的環(huán)境。(2)軟PLC運行系統(tǒng)：這一部分是軟PLC的核心，完成輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理等工作。運行系統(tǒng)的作用是執(zhí)行開發(fā)環(huán)境編譯后產(chǎn)生的目標代碼，實現(xiàn)控制功能。開發(fā)系統(tǒng)位于PC機上，開發(fā)后生成目標應用文件。運行系統(tǒng)位于嵌入式系統(tǒng)上，從開發(fā)系統(tǒng)中下載目標應用文件，根據(jù)該文件信息組織運行系統(tǒng)內(nèi)的模塊進行運行。這樣的結構，在開發(fā)系統(tǒng)下可充分利用PC機豐富的資源，有效提高開發(fā)效率。而對于運行系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的實時性、可移植性等要求，直接將其運行在嵌入式系統(tǒng)之上。軟PLC系統(tǒng)的軟件體系結構見圖24，整個系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運，行系統(tǒng)組成。開發(fā)系統(tǒng)運行系統(tǒng)IEC61131—3編程語言PLC目標代碼軟PLC運行虛擬機I/O接口外部設備標準OPC接口人機界面圖24 軟PLC系統(tǒng)的軟件體系結構當前PLC在國際市場上已成為廣受歡迎的工業(yè)控制產(chǎn)品，用PLC設計自動控制系統(tǒng)已成為世界潮流。嵌入式軟PLC是嵌入式系統(tǒng)和軟PLC在工業(yè)控制中介和發(fā)展的必然產(chǎn)物。嵌入式軟PLC是當前開放式控制系統(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用。隨著嵌入式軟PLC技術的進一步完善，它在工業(yè)控制的各個領域?qū)⒕哂懈訌V闊的發(fā)展前景，并且產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益。嵌入式軟PLC的設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?qū)崟r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、觸摸屏等完成對應用軟件的全部操作，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、故障查詢及復位、文件管理、參數(shù)設定等等。這就需要一個好的人機界面系統(tǒng)來支持。人機界面是用戶和系統(tǒng)交互的平臺，圖形界面直接面向用戶。作為嵌入式系統(tǒng)的圖形界面，與標準的圖形界面如Windows界面有著非常大的區(qū)別，它一般要求圖形界面系統(tǒng)盡可能小，占用資源少；具有較高的系統(tǒng)性能；并具有良好的可配置性和高可靠性；同時也要保證API簡單和易于編程。目前在嵌入式Linux系統(tǒng)圖形用戶界面領域，國內(nèi)外也有非常多的自由軟件供可以參考和借鑒，如OpenGUI、MicroWindows、Qt、MiniGUI 等輕量級GUI，它們都具有類似于Windows的操作界面和風格，并且在API使用和應用程序的架構上也非常相似。（1）OpenGUIOpenGUI在Linux系統(tǒng)上存在已經(jīng)很長時間了。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。OpenGUI分為三層，最低層是由匯編編寫的快速圖形引擎；中間層提供了圖形繪制 API，包括線條、矩形、圓弧等，并且兼容 Borland 的 BGIAPI；第三層用 C++編寫，提供完整的GUI對象集。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。（2）MicroWindowsMicroWindows是一個開放源碼的項目，目前由美國Century Software公司主持開發(fā)。它是一個基于典型客戶/服務器體系結構的GUI系統(tǒng)，基本分為三層，最低層是面向圖形輸出和鍵盤、鼠標或觸摸屏的驅(qū)動程序；中間層提供底層硬件的抽象接口，并進行窗口管理；最高層分別提供兼容于 X Window 和 Windows CE的API。（3）Qt/EmbeddedQt/Embedded 是著名的 Qt 庫開發(fā)商TrollTech公司發(fā)布的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。因為Qt是KDE等項目使用的GUI支持庫，所以有許多基于Qt的XWindow程序可以非常方便地移植到 Qt/Embedded 版本上。但由于 Qt/Embedded 的結構過于復雜，所以很難進行系統(tǒng)裁剪、擴充、定制和移植，對系統(tǒng)要求比較高。（4）MiniGUIMiniGUI是由飛漫軟件工作室開發(fā)的一個自由軟件項目，其目標是為基于 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)。它占用資源少，性能和可靠性高，易于裁剪，越來越受到嵌入式圖形界面開發(fā)的歡迎。MiniGUI共有兩個版本：MiniGUIThreads和 MiniGUILite。MiniGUIThreads是 MiniGUI 的最初版本，所有的應用程序都運行在同一個地址空間，這大大提高了程序之間的通訊效率，但這種基于線程的結構也導致了系統(tǒng)整體的脆弱——如果某個線程因為非法的數(shù)據(jù)訪問而終止運行，則整個進程都將受到影響。MiniGUILite 版本解決了這個問題，它不再使用線程庫，可以同時運行多個基于MiniGUILite 的應用程序，即多個進程，并且提供前后臺進程的切換?；谏厦鎸追N嵌入式GUI的分析和比較，本系統(tǒng)在Linux環(huán)境下，我們采用MiniGUI作為圖形界面支持環(huán)境。與軟PLC系統(tǒng)類似，嵌入式組態(tài)軟件也分為開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。其中，開發(fā)環(huán)境位于宿主機，運行環(huán)境位于目標機，其總體結構如圖25所示：用戶代碼系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)資源庫組態(tài)界面編輯器編譯連接程序系統(tǒng)資源配置目標機資源庫組態(tài)描述文件組態(tài)執(zhí)行環(huán)境通信管理解析器消息管理數(shù)據(jù)庫管理界面元素管理實時數(shù)據(jù)管理與通信平臺操作系統(tǒng)/圖形界面圖25人機界面組態(tài)軟件結構圖本章詳細討淪了整個嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的總體設計思想和軟件架構，并針對其某些關鍵的組成部分提出了其各自的軟件結構及相關設計方案。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計思想和框架體系結構，從而為最終實現(xiàn)該平臺奠定堅實的基礎。20