计算机控制系统--嵌入式PLC

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1、计算机控制系统计算机控制系统北京航空航天大学北京航空航天大学 清华大学出版社清华大学出版社 20062006年年11 11月月北京航空航天大学 清华大学出版社2计算机控制系统计算机控制系统依审定的教材大纲编写 。 主编人：高金源 夏洁 出版发行：清华大学出版社北京航空航天大学 清华大学出版社38.1 嵌入式系统 8.1.1 概述 8.1.2 软硬件协同设计技术 8.1.3 实时操作系统 8.1.4 嵌入式系统的开发 8.1.5 嵌入式控制系统设计实例 8.2 可编程控制器（PLC） 8.2.1 PLC概述 8.2.2 PLC结构和工作原理 8.2.3 PLC常用编程语言 8.2.4 PLC应用

2、实例 8.2.5 PLC网络系统北京航空航天大学 清华大学出版社4嵌入式产品一览嵌入式产品一览北京航空航天大学 清华大学出版社58.1.1 8.1.1 概述概述1. 嵌入式系统定义和分类电气工程师协会（IEEE）定义 ：“嵌入式系统是控制、监视或辅助设备、机 器甚至工厂操作的装置。”一般定义：“以应用为中心、以计算机技术为基础、软 件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统。”北京航空航天大学 清华大学出版社6嵌入式系统的几个重要的特点：嵌入式系统的几个重要的特点： 小型系统内核； 专用性较强； 系统精简，以减少控制系统成本，利于实现系统 安全； 采

3、用高实时性的操作系统，且软件要固化存储； 使用多任务的操作系统，使软件开发标准化； 嵌入式系统开发需要专门的工具和环境。 北京航空航天大学 清华大学出版社7嵌入式系统的分类嵌入式系统的分类 硬件方面： 芯片级嵌入（含程序或算法的处理器） 模块级嵌入（系统中的某个核心模块） 系统级嵌入 软件方面（根据实时性要求）： 非实时系统（例如PDA等） 实时系统 硬实时系统若系统在指定的时间内未能实现某个确定的任 务，就会引起系统崩溃或导致致命错误（如导弹飞行姿态控制 系统）。 软实时系统在该类系统中虽然响应时间同样重要，但是超 时却不会导致致命错误，这也意味着偶尔超过时间限制是可以 容忍的（如消费类产品

4、） 。 北京航空航天大学 清华大学出版社82. 2. 嵌入式处理器嵌入式处理器(1) 嵌入式微控制器(Mico Controller Unit, MCU) 典型代表是单片机。单片机芯片内部集成ROM、RAM、总线、 定时器/计时器、I/O、串行口、A/D、D/A等各种必要的功能 和外设，在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各 种增强，且体积小、功耗成本低，比较适合控制。 (2) 嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit, EMPU) 基础是通用计算机中的CPU。只保留与嵌入式应用密切相关的功 能硬件，去掉其他冗余的功能部分。目前的主要类型有ARM 、

5、 PowerPC系列等。 (3) 数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP) 专用于信号处理方面的处理器，其可进行向量运算、指针线性寻 址等运算量很大的数据处理，具有很高编译效率和指令执行速度 (4)嵌入式片上系统(System On Chip, SOC) 在一个硅片上实现一个复杂的系统，其最大的特点是实现了软硬 件的无缝结合，直接在处理器内嵌入操作系统的代码模块。 北京航空航天大学 清华大学出版社93. 3. 开发设计工具开发设计工具 硬件设计工具 系统级设计方面采用的硬件设计工具有Cadence的 SPW和System View。 模拟电路系统采用的仿真工

6、具有Pspice和EWB。 印刷电路设计方面的设计工具有Protel、PADs 的 Power PCB & Tool Kit和Mentor的Expedition & Tool Kit。 可编程逻辑器件设计工具还有Mentor FPGA Advantage & ModelSim、Xilinx Foundation ISE & Tool Kit以及各种综合和仿真工具等等。北京航空航天大学 清华大学出版社103. 3. 开发设计工具开发设计工具 软件开发平台 高级语言编译器（Compiler Tools）。 实时在线仿真系统ICE（In Circuit Emulator）。 源程序模拟器（Simul

7、ator）。 实时多任务操作系统（Real Time multi-tasking Operation System，RTOS）。 商用型RTOS的功能稳定可靠，具有比较完善的技术支持和售 后服务，但价格昂贵而且都针对特定的硬件平台。如 WindRiver公司的VxWorks、Palm Computing掌上电 脑公司的Palm OS等。 免费的RTOS主要有Linux和C/OS等。尽管这些资源带有 源码，但理解、消化并运用在某应用系统上也是一项艰苦的工 作，相应的调试工具是没有免费的。北京航空航天大学 清华大学出版社114. 4. 嵌入式系统的应用和发展趋势嵌入式系统的应用和发展趋势北京航空航

8、天大学 清华大学出版社12嵌入式技术的发展趋势嵌入式技术的发展趋势 芯片方面 是可编程片上系统。 宏观方面 使嵌入式系统更经济、小型、可靠、快速、智能化、 网络化。 经济性 很便宜，让更多的人能买得起。 小型化（笔记本、PDA） 人们携带方便。 可靠性（汽车VCD跳动问题）能够在一般环境条件下或者是苛刻的环境条件下运行。 高速度（飞机刹车系统） 能够迅速地完成数据计算或数据传输。 智能性（知识推理、模糊查询、识别、感知运动）使人们用起来更习惯，对人们更有使价值。北京航空航天大学 清华大学出版社138.1.2 8.1.2 软硬件协同设计技术软硬件协同设计技术1硬件体系结构图8-2 嵌入式系统硬件

9、体系结构的功能部件北京航空航天大学 清华大学出版社142 2 传统设计技术传统设计技术 设计过程的基本特征是：系统在一开始就被划分为软件和硬件两 大部分，软件和硬件是独立地进行开发设计，通常采用的是“硬 件先行”的设计方法。 问题：(1)软硬件之间的交互受到很大限 制，造成系统集成相对滞后，因此 传统嵌入式系统设计的结果往往是 设计质量差、设计修改难，同时研 制周期不能得到有效保障。(2) 随着设计复杂程度的提高，软 硬件设计中的一些错误将会使开发 过程付出昂贵的代价。(3)“硬件先行”的做法常常需要由 软件来补偿由于硬件选择的不适合 造成系统的缺陷，从而增加软件的 代价。 图8-3 传统的嵌

10、入式系统的设计方法北京航空航天大学 清华大学出版社153. 3. 软硬件协同设计技术软硬件协同设计技术(1) 软硬件协同设计定义： 在硬件和软件设计中，通过并发和交互设计来满足系统级的目标要求 。 (2) 软硬件协同设计基本需求： 采用统一的软硬件描述方式软硬件支持统一的设计和分析工 具或技术，允许在一个集成环境中仿真及评估系统的软硬件设计 ，支持系统任务在软件和硬件设计之间的相互移植； 采用交互式软硬件划分技术允许进行多个不同的软硬件划分 设计仿真和比较，划分应用可以最大满足设计标准（功能和性能 目标）要求； 具有完整的软硬件模型基础可 以支持设计过程中各阶段的评估， 支持逐步开发以及对硬件

11、和软件的 综合； 验证方法必须正确，以确保系统设 计达到目标要求。优势：协同设计要贯穿整个设计周期， 且使设计修改容易，研制周期可以得到有 效保障；软硬件交互设计变得简单。图8-4 嵌入式系统的软硬件协同设计流程北京航空航天大学 清华大学出版社16(3) (3) 软硬件协同设计的基本步骤软硬件协同设计的基本步骤 描述将系统行为的功能进行明确、提取并列表； 划分即对硬件/软件的功能进行分配； 评估进行性能评估或对综合后系统依据指令级评价 参数做出评估，若不满足要求，则需要回到； 验证是为保证系统可以按照设计要求正常工作，而 达到合理置信度的过程。根据应用领域的不同可能采取不 同的验证方法，但都必

12、须经过性能与功能的协同仿真。 实现通过综合后的硬件的物理实现和通过编译后的 软件执行。北京航空航天大学 清华大学出版社178.1.3 8.1.3 实时操作系统实时操作系统 1实时操作系统定义及特点 实时操作系统RTOS是指能支持实时控制系统工作的操作系统， 它可以在固定的时间内对一个或多个由外设发出的信号做出适当 的反应。 实时操作系统的主要特征：规模小、中断被屏蔽的时间很短、中 断处理时间短且任务切换很快。 常见的实时操作系统 商用的RTOS：VxWorks、pSOS、Palm OS等； 免费的RTOS：Linux和C/OS等 嵌入式实时操作系统的精华在于向开发人员提供一个实时多任务 内核。

13、开发人员将具体一项应用工作分解成若干个独立的任务， 将各任务要做的事、任务间的关系向实时多任务内核交代清楚， 让实时多任务内核去管理这些任务，开发过程就完成了。 嵌入式实时操作系统没有文件管理，一般不需要内存管理，它具 有的是实时操作系统中最重要的内容，即多任务实时调度和任务 的定时、同步操作，具有很短的任务切换时间和实时响应速度。北京航空航天大学 清华大学出版社18VxWorksVxWorks VxWorks操作系统是美国WindRiver公司于 1983年设计开发的一种嵌入式RTOS，具有高 性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌 入式实时操作系统领域牢牢占据着一席之地 。 VxWorks

14、所具有的显著特点是：可靠性、实时性和可裁减性。 它支持多种处理器，如x86、i960、Sun Sparc、Motorola MC68xxx、MIPS 、POWER PC等等。3-2北京航空航天大学 清华大学出版社19pSOSpSOS pSOS原属ISI公司的产品，但ISI已经被 WinRiver公司兼并，现在pSOS属于 WindRiver公司的产品。 该系统是一个模块化、高性能的实时操作系 统。 开发者可以利用它来实现从简单的单个独立 设备到复杂的、网络化的多处理器系统功能 。3-2北京航空航天大学 清华大学出版社20Palm OSPalm OS Palm OS是著名的网络设备制造商3COM

15、旗 下的Palm Computing掌上电脑公司的产品。 Palm OS在PDA市场上占有很大的市场份额。 获得了IBM、Oracle、Nokia和Sony等国际知 名公司的支持，同时有很多的软件开发者为 其开发软件应用程序，还有相当多的硬件开 发人员为其开发外围扩展设备，例如GPS系 统、数码摄像头、录音系统等。 3-2北京航空航天大学 清华大学出版社212 2 实时操作系统的一些重要概念实时操作系统的一些重要概念 任务（或称“线程”）及其任务工作状态 指拥有所有CPU资源的程序分段，线程为调度的基本单位 每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定 的优先级， 有它自己的一套CPU寄存器和自己的栈空间 。图8-5 实时系统中的任务状态北京航空航天大学 清华大学出版社22 实时内核实时内核 实时内核负责管理各个任务，为每个任务分配CPU时间 ，并负责任务间的通信。提供的基本服务是任务切换。（non-preemptive）（preemptive ）内核可以剥夺正在运行着的任务的CPU使用 权，并将该使用权交给进入就绪态的优先级 更高的任务。 实时内核可剥夺型（占先式）不可剥夺型（非占先式） 内核运用某种算法决定让哪个任务运行后，就 将CPU控制权完全交给这个任务，直到该任务主动将CPU控制权还回来。 北京航