2010-01-16 21:52:02 来源：与非网
3 关键技术
MB系列智能可编程控制器的软件设计，关键是软件实时性的保证，其中包括任务的划分、任务间通信机制的选择、中断处理程序、网络通信程序和串行口通信程序的编写等关键技术。
3.1 任务划分
嵌入式实时系统中，任务的合理划分对系统的实时性至关重要。进行任务划分时，首先要分析数据流程图中数据的转换，确定哪些数据转换可以并行执行，哪些必须顺序执行。决定应用系统任务划分的最主要的因素是系统所实现的功能之间的异步关系，具体可以从I/O功能和系统内部功能两个方面来考虑。
VxWorks的实时内核Wind默认采用了基于任务优先级的抢占式调度算法，同时，也支持轮转调度算法。Wind内核有256个优先级，编号0～255，优先级0最高，255最低。任务的创建使用taskSpawn()函数来实现。
MBPLC根据功能和优先级划分为以下若干任务:
(1) 主任务:主任务负责硬件初始化、数据库初始化、梯形初始化、流程初始化、网络初始化等工作，并根据数据库的定义创建相应的任务;
(2)
CAN1任务:CAN1任务主要完成CAN1网驱动、与I/O模件交换信文等功能，它既可以向I/O模件下发加载、设值、设时、查询等信文，又能接收I/O模件上送的测值、事件等信文，并对数据库进行相应的处理;
(3)
以太网任务:以太网任务主要完成以太网驱动、信文收发等功能，实现PLC与上位机的数据和控制命令的传递，支持标准MODBUS/TCP协议;
(4)
CAN2任务:CAN2任务主要完成CAN2网驱动、与外部设备(如通讯装置、保护装置、励磁装置、调速器等等)的信息和控制命令的传递功能。只要外部设备支持CAN接口，就很容易接入PLC中;
(5)
流程任务:流程任务提供了独特的顺序控制流程执行方法，将MBPro编程软件产生的汇编代码进行执行，通过访问数据库得到数据，描述一定的判断和闭锁条件，产生相应的动作，并将运算结果写至数据库中，同时还可将实时执行的各种信息反馈到调试机，以便监视流程的执行情况。流程图是顺序执行的，适于顺控操作，如机组正常开停机控制、紧急停机控制等;
(6)
梯形任务:梯形任务提供了梯形图执行方法，将MBPro编程软件产生的汇编代码进行执行，通过访问数据库得到数据，实现一定的判断和闭锁条件，产生相应的动作，并将运算结果写至数据库中，同时还可将实时执行的各种信息反馈到调试机，以便监视梯形的执行情况。梯形图是循环扫描的，适于逻辑控制及状态控制，可用于主程序、通讯、数据处理、控制启动，如机组状态判断等;
(7)
调节任务:调节任务负责对机组有功、无功进行PID闭环调节，可进行负荷增减、调节投退、调节条件限制、调节增减限制、调节超时判断、调节速度限制等;
(8) 时钟任务:时钟任务管理PLC时钟，处理分同步信号，并定时进行一些硬件操作，如点运行灯;
(9)
自检任务:自检任务自动诊断各类任务、设备的运行情况并进行报警。当PLC因某种干扰或硬件故障等原因发生运行紊乱或死机时，Watchdog能产生自恢复信号，使PLC自动重新恢复运行;
(10)
调试任务:调试任务通过以太网与调试机通讯，负责与编程软件MBPro交换信息，包括上送实时数据、SOE事件、流程报警信息等，并可修改数据库、梯形图及流程图，进行对时、复位、主从切换等操作;
(11)
双机任务:双机任务实现主从机的自动、手动切换，并能通过内部高速网备份对侧重要数据。当主机的某些重要设备或任务出现故障时，从机能自动升为主机;
(12)
显示任务:显示任务通过串口与智能型液晶显示触摸屏通讯，完成当地数据显示和操作功能，包括显示测点信息、事故一览表、光字、模件状态等，并能发出控制命令、设置定值、整定参数等;
(13)
串口任务:串口任务完成与外部设备通讯功能，实现与外部设备的数据和命令的交换，如GPS、温度巡检装置、交流采集装置等等。支持Modbus标准规约，必要时可根据需要编程实现特殊规约。
3.2 任务间通信
任务间通信机制是多任务间相互同步和通信，以协调各自活动的主要手段。VxWorks提供的任务间通信手段按其速度由快到慢依次是信号量、消息队列、管道和套接字。常用的通信机制是信号量和消息队列，套接字(Socket)用于网络编程。
(1) 信号量
信号量是实现任务互斥、同步操作的主要机制，VxWorks提供的信号量经过了高度优化，在所有任务间通信机制中，速度最快。对于互斥，信号量可以上锁对共享资源的访问，并且比禁止中断或禁止抢占提供更精确的互斥粒度。对于同步，信号量可以协调外部事件与任务的执行。
MBPLC使用二进制信号量来解决多个任务读写数据的互斥问题，使用计数器信号量来解决定时器计数问题;
(2) 消息队列
消息队列是VxWorks提供的单CPU中任务间通信的主要机制。消息队列允许以FIFO或基于优先级方式排队消息，消息的数目可变，消息的长度可变。任何任务都可以向消息队列发送消息，也可以从消息队列接收消息。多个任务允许从一个消息队列收发消息。但是，两个任务间的双向通信通常需要两个消息队列，各自用于一个方向。
MBPLC使用消息队列来实现任务间的数据交换。首先调用msgQCreate()函数创建消息队列，再用msgQSend()和msgQReceive()函数发送和接受消息，最后调用msgQDelete()函数中止消息队列。
3.3 中断处理程序
中断处理程序是实时系统的重要组成部分。系统通过中断机制了解外部世界，并对外部事件作出响应。实时系统的反应取决于系统对于中断的响应速度和中断处理程序的处理速度。由于在很短的时间内，可能产生很多中断，高优先级的中断将阻塞低优先级的中断，因此，必须使中断处理程序的处理时间最短。
MBPLC的中断包括秒中断、分同步中断、CAN网中断以及BSP级的以太网中断、硬盘中断等等。下面以秒中断(中断级别为5)为例说明中断的使用方法:
ntConnect(INUM_TO_IVEC(INT_VEC_GET(5)), SECISR, 0);
sysIntEnablePIC(5);
这两个函数用于将中断处理程序SECISR()与秒中断相关联，存放于中断向量表的对应表项中，当秒中断事件出现时，VxWorks内核将调用中断处理程序。这时可利用中断处理程序释放一个信号量(通过semGive()函数)，通过该信号量驱动相应的数据处理模块(通过sem-
Take()函数)，从而实现实时操作。
此外，我们还使用intLock()函数和intUnlock()函数来设置中断屏蔽，用以保证受保护的代码在执行过程中不受中断的干扰。
3.4 网络通信
网络通信一般可通过套接口(socket)实现。Vx- Works提供了标准的BSD socket调用，具有两种类型:Stream
socket(全双工流类型)、Datagram
socket(数据报类型)。前者支持TCP协议，后者支持UDP协议。任何一个任务都可以打开一或多个socket，其它任务的socket可与之连接。
客户端程序首先调用socket()函数产生用于与各分系统连接的套接字，然后初始化一个套接口结构体，为其赋上服务端的IP地址和端口号，并将其作为函数connect()的参数，调用connect()函数主动去连接服务器端。连接成功后，用send()和recv()函数读写数据，直到全部数据都交换完，再用close()函数关闭套接口。
服务器端也先用socket()函数建立套接口，再调用bind()函数将自身IP和端口号绑定，以保证客户端正确识别，然后用listen()函数指明已准备好接受来自客户端的连接，又用accpet()函数接受一个连接请求，接受后用send()和recv()函数来传输数据，直到全部数据都交换完，再用close()函数关闭套接口。为了确保服务器能够实时接收客户端的数据，当服务端与客户端建立连接之后，必须嵌入循环，利用recv()函数不断等待客户数据。同时客户端每次发送数据之后也应等待服务端回复，建立握手机制。
3.5 串行口通信
在VxWorks中，将I/O系统设计成为任何类型的设备，提供一个简单、统一、独立于设备的接口，任何对于串行口的操作仍然可以视为对一个文件的操作，而不必了解关于设备或程序驱动实现的细节。在使用串口之前利用open()打开相应串口，再用ioctl()设置波特率、数据位、停止位、奇偶校验等属性，然后依据串口打开时的读写标志，调用函数write()、read()对串口进行只读操作、只写操作或同时进行读写操作，最后用close()关闭串口。
对于串口通信，仍然要关心数据接收的实时性。可采用中断方式，利用VxWorks提供的select()函数的事件触发机制，将读串口的任务阻塞使其一直等待数据，当有数据来到的时候该任务会立刻自动响应，提高系统的实时性。
4 结束语
嵌入式实时操作系统VxWorks及其开发环境的引入，大大简化了可编程控制器软件设计的复杂性，缩短了开发周期，提高了产品的实时性和可靠性。因此，VxWorks
RTOS在MB系列智能可编程控制器中的应用是成功的。MB系列智能可编程控制器作为新一代的PLC产品，相信能在电力、化工、工业过程控制、城市及楼宇自动化等各种复杂控制领域发挥更大的优势，使这些行业的自动化水平得到更大的提高。
（编辑：chiying）
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