引言

在數(shù)控機床中，通常用可編程控制器（PLC）對機床開關量信號進行控制。PLC可靠性高，使用方便。但在大多數(shù)數(shù)控機床，特別是經(jīng)濟型數(shù)控機床中，要求的輸入輸出點數(shù)并不多，通常在60點以下，因此，為了降低數(shù)控機床成本，在基于工業(yè)PC機的數(shù)控系統(tǒng)中，可以采用開關量I/O板加外接繼電器，配合主機的軟件對機床開關進行控制。但如果PC機采用單任務操作系統(tǒng)（如DOS），數(shù)控系統(tǒng)的所有任務運行都置于一個總體的消息循環(huán)中，軟件的模塊化和可維護性較差，系統(tǒng)故障的風險相對集中，而且不能充分利用PC機系統(tǒng)資源。而采用非實時多任務操作系統(tǒng)（如Windows）時，Win32API的設計沒有考慮到實時環(huán)境的開發(fā)用途，其系統(tǒng)調(diào)用的效率不高，不能滿足數(shù)控系統(tǒng)PLC控制的實時性要求。為此，本文提出一種基于RT-Linux操作系統(tǒng)的嵌入式PLC，利用RT-Linux的開放性、模塊化和可擴展性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特性和多線程/多任務的系統(tǒng)環(huán)，在保證實時性的同時，使故障風險相對分散。

1 數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC的硬件結(jié)構(gòu)

數(shù)控系統(tǒng)硬件建立在通用工業(yè)PC的開放體系之上，數(shù)控系統(tǒng)嵌入式PLC硬件包括：工控機及其外圍設備，基于ISA總線的開關量輸入輸出接口卡，光電隔離模塊，繼電器輸出模塊。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工控機采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的人機界面、數(shù)控代碼處理、軌跡規(guī)劃、參數(shù)管理以及PLC控制都通過工控機由軟件來實現(xiàn)，不需要獨立的PLC控制器，減少了數(shù)控系統(tǒng)對硬件的依賴，有利于提高系統(tǒng)的開放性。I/O輸入輸出信息通過PC機I/O接口卡實現(xiàn)主機與伺服接口模塊和I/O接口模塊之間的信息交換，PC機I/O接口卡基于ISA或者PCI總線。

2 RT-Linux的體系結(jié)構(gòu)

RT-Linux是基于Linux系統(tǒng)并可運行于多種硬件平臺的32位硬實時操作系統(tǒng)，它基于基于Linux并可運行于多種硬件平臺的多任務實時操作系統(tǒng)。通過修改Linux內(nèi)核的硬件層，采用中斷仿真技術，在內(nèi)核和硬件之間實現(xiàn)了一個小而高效的實時內(nèi)核，并在實時內(nèi)核的基礎上形成了小型的實時系統(tǒng)，而Linux內(nèi)核僅作為實時系統(tǒng)最低優(yōu)先級的任務運行。對于普通X86的硬件結(jié)構(gòu)，RT-Linux擁有出色的實時性和穩(wěn)定性，其最大中斷延遲時間不超過15μs，最大任務切換誤差不超過35μs。這些實時參數(shù)與系統(tǒng)負載無關，而取決于計算機的硬件，如在PII350，64M內(nèi)存的普通PC機上，系統(tǒng)最大延遲時間不超過1μs。RT-Linux按實時性不同分為實時域和非實時域，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實時域在設計上遵循實時操作系統(tǒng)的設計原則，即系統(tǒng)具有透明性、模塊化和可擴展性。RT-Linux的實時內(nèi)核由一個核心部分和多個可選部分組成，核心部分只負責高速中斷處理，支持SMP操作且不會被底層同步或中斷例程延遲或重入。其它功能則由可動態(tài)加載的模塊擴充。RT-Linux把不影響系統(tǒng)實時性的操作（即非實時域的操作）都留給了非實時的Linux系統(tǒng)完成。基于多任務環(huán)境的Linux為軟件開發(fā)提供了豐富的系統(tǒng)資源，如多種進程間通訊機制，靈活的內(nèi)存管理機制。

3 嵌入式PLC的設計及實現(xiàn)

3.1 嵌入式PLC的模塊組成

數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制模塊實時性要求較高，因而必須在系統(tǒng)的實時域內(nèi)運行。根據(jù)通用數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制以及數(shù)控系統(tǒng)軟件模塊化設計的要求，將數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制模塊作為RT-Linux系統(tǒng)的實時任務之一，其優(yōu)先級和調(diào)用周期取決于數(shù)控系統(tǒng)各任務的實時性要求以及控制要求的響應時間。PLC控制模塊主要完成數(shù)控系統(tǒng)的邏輯控制，而被控制的輸入輸出也就是I/O的輸入輸出由PC機I/O接口卡輸入輸出模塊來完成，即完成數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制需要兩個RT-Linux實時任務，如圖3所示，這兩個任務分別為RT-Task1（以下稱“適配卡輸入輸出”）、RT-Task2（以下稱“PLC控制”）。

圖3是基于RT-Linux系統(tǒng)的嵌入式PLC實時任務關系圖，其中適配卡輸入輸出主要是完成數(shù)控系統(tǒng)的輸入輸出，即各軸位置控制命令的輸出、I/O的輸出、I/O輸入以及位置反饋輸入。它實際上是數(shù)控系統(tǒng)控制卡的設備驅(qū)動模塊，其優(yōu)先級在數(shù)控系統(tǒng)的各實時任務中為最高級。根據(jù)其硬件特征以及運動控制要求，其響應周期為100μs，響應時鐘周期由PC機I/O接口卡上的硬件定時器產(chǎn)生。根據(jù)RT-Linux系統(tǒng)對硬件中斷的響應機制，輸入輸出控制任務的實時性是可以保證的，這一點在我們的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)得到驗證。圖中PLC控制主要是完成數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制功能，其任務優(yōu)先級低于適配卡輸入輸出，同時也低于數(shù)控系統(tǒng)的精插補實時任務和位置伺服實時任務。根據(jù)通用數(shù)控系統(tǒng)的PLC控制要求，確定其響應周期為5ms，響應周期由RT-Linux的軟件定時器產(chǎn)生，根據(jù)RT-Linux系統(tǒng)的實時多任務調(diào)度機制，PLC控制任務的實時性是可以保證的。在實際應用中也得到驗證。

3.2 嵌入式PLC的實時任務模塊數(shù)據(jù)通訊

完成數(shù)控系統(tǒng)PLC控制的兩個實時任務之間由于需要輸入輸出的數(shù)據(jù)量（一般情況下為64輸入，64輸出，但輸入輸出根據(jù)需要還可以擴展）不太大，因而采用共享內(nèi)存的通訊方式，在適配卡輸入輸出和PLC控制。兩個實時任務之間開兩塊共享內(nèi)存，一塊用于適配卡向PLC控制傳輸I/O口狀態(tài)信息，另一塊用于PLC控制向適配卡輸入輸出任務傳輸經(jīng)PLC邏輯處理后的控制信息。

在這里，兩個實時任務間不采用RT-FIFO進行通訊的原因在于這兩個實時任務間通訊的數(shù)據(jù)量不是很大，而這兩個實時任務運行周期差別較大，采用RT-FIFO傳輸數(shù)據(jù)，為了避免FIFO的阻塞，相應地要增加兩個任務間的協(xié)調(diào)機制，這樣的通訊效果未必比采用共享內(nèi)存好，而且共享內(nèi)存的讀寫速度比FIFO相對較快。

3.3 嵌入式PLC的實時任務的實現(xiàn)

適配卡輸入輸出為動態(tài)可加載模塊，適配卡輸入輸出模塊（任務）以100μs為周期的硬件定時中斷，完成各軸位置控制指令和I/O的輸出、各軸位置反饋值和I/O的輸入，適配卡輸出值來自于位置伺服任務和PLC控制任務，輸入值來自于適配卡的輸入接口。PLC控制模塊（任務）同樣也是一個動態(tài)可加載模塊，它以5ms的軟定時，周期性地從它與總控模塊通訊的RT-FIFO讀取控制信息（如M指令，S指令及T指令），同時從它與適配卡輸入輸出模塊通訊的共享內(nèi)存中讀取I/O信息，然后進行邏輯處理，最后將結(jié)果寫入共享內(nèi)存供適配卡輸入輸出模塊讀取并輸出。

4 結(jié)論

目前該嵌入式PLC模塊已成功應用，可以滿足對普通數(shù)控系統(tǒng)和加工中心PLC控制要求。