【正文】 入式計算機(jī)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(lǐng)域的開關(guān)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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng) 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(yùn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn) 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(yùn)行時可以進(jìn)行監(jiān)控，可以運(yùn)行在任何一種工業(yè)計算機(jī)、微處理器、或配有 I/O 模塊的 PLC 中，但不完全符合 IEC11313 國際標(biāo)準(zhǔn)，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(jìn)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(yùn)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(diǎn)，并結(jié)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(jié)構(gòu)，整個嵌入式軟PLC系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)也分為開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分，它們是相互獨(dú)立而又密不可分的兩個應(yīng)用程序，可以分別單獨(dú)運(yùn)行。(1)軟PLC開發(fā)系統(tǒng)：實(shí)際上就是一個PLC編程器，提供用戶一個可以利用標(biāo)準(zhǔn)PLC編程語言(比如梯形圖)編寫控制應(yīng)用程序的環(huán)境。(2)軟PLC運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)控制功能。開發(fā)系統(tǒng)位于PC機(jī)上，開發(fā)后生成目標(biāo)應(yīng)用文件。運(yùn)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(biāo)應(yīng)用文件，根據(jù)該文件信息組織運(yùn)行系統(tǒng)內(nèi)的模塊進(jìn)行運(yùn)行。這樣的結(jié)構(gòu)，在開發(fā)系統(tǒng)下可充分利用PC機(jī)豐富的資源，有效提高開發(fā)效率。而對于運(yùn)行系統(tǒng)，考慮到系統(tǒng)的實(shí)時性、可移植性等要求，直接將其運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)之上。軟PLC系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)見圖24，整個系統(tǒng)由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)，行系統(tǒng)組成。開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)IEC61131—3編程語言PLC目標(biāo)代碼軟PLC運(yùn)行虛擬機(jī)I/O接口外部設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)OPC接口人機(jī)界面圖24 軟PLC系統(tǒng)的軟件體系結(jié)構(gòu)當(dāng)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(shè)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(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(diǎn)，憑借其執(zhí)行速度快、可跨平臺運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)必將在工業(yè)控制中得到廣泛的應(yīng)用。隨著嵌入式軟PLC技術(shù)的進(jìn)一步完善，它在工業(yè)控制的各個領(lǐng)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(jì)效益。嵌入式軟PLC的設(shè)計總體框圖硬件平臺實(shí)時操作系統(tǒng)硬件驅(qū)動程序I/O端子人機(jī)界面軟PLC運(yùn)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(jī)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(shí)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(jī)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(shí)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。這就需要一個好的人機(jī)界面系統(tǒng)來支持。人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(lǐng)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(fēng)格，并且在API使用和應(yīng)用程序的架構(gòu)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(shí)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(wù)器體系結(jié)構(gòu)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(biāo)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(jìn)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?yàn)镼t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(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，所以很難進(jìn)行系統(tǒng)裁剪、擴(kuò)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(biāo)是為基于 Linux的實(shí)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(yīng)用程序都運(yùn)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(jié)構(gòu)也導(dǎo)致了系統(tǒng)整體的脆弱——如果某個線程因?yàn)榉欠ǖ臄?shù)據(jù)訪問而終止運(yùn)行，則整個進(jìn)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(yùn)行多個基于MiniGUILite 的應(yīng)用程序，即多個進(jìn)程，并且提供前后臺進(jìn)程的切換。基于上面對幾種嵌入式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(yùn)行環(huán)境。其中，開發(fā)環(huán)境位于宿主機(jī)，運(yùn)行環(huán)境位于目標(biāo)機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)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(biāo)機(jī)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(shí)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(jī)界面組態(tài)軟件結(jié)構(gòu)圖本章詳細(xì)討淪了整個嵌入式控制系統(tǒng)軟件平臺的總體設(shè)計思想和軟件架構(gòu)，并針對其某些關(guān)鍵的組成部分提出了其各自的軟件結(jié)構(gòu)及相關(guān)設(shè)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(shè)計思想和框架體系結(jié)構(gòu)，從而為最終實(shí)現(xiàn)該平臺奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。20