基于RT-Linux的嵌入式PLC设计及实现_嵌入式plc资源-CSDN文库

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基于基于RT-Linux的嵌入式的嵌入式PLC设计及实现设计及实现

本文提出一种基于RT-Linux操作系统的嵌入式PLC，利用RT-Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特

性和多线程/多任务的系统环，在保证实时性的同时，使故障风险相对分散。

引言

在数控机床中,通常用可编程控制器(PLC)对机床开关量信号进行控制。PLC可靠性高，使用方便。但在大多数数控机床，特别

是经济型数控机床中，要求的输入输出点数并不多，通常在60点以下，因此，为了降低数控机床成本，在基于工业PC机的数

控系统中，可以采用开关量I/O板加外接继电器，配合主机的软件对机床开关进行控制。但如果PC机采用单任务操作系统(如

DOS)，数控系统的所有任务运行都置于一个总体的消息循环中，软件的模块化和可维护性较差，系统故障的风险相对集中，

而且不能充分利用PC机系统资源。而采用非实时多任务操作系统(如Windows)时，Win32API的设计没有考虑到实时环境的开

发用途，其系统调用的效率不高，不能满足数控系统PLC控制的实时性要求。为此，本文提出一种基于RT-Linux操作系统的嵌

入式PLC，利用RT-Linux的开放性、模块化和可扩展性的系统结构特性和多线程/多任务的系统环，在保证实时性的同时，使

故障风险相对分散。

1 数控系统嵌入式PLC的硬件结构

数控系统硬件建立在通用工业PC的开放体系之上，数控系统嵌入式PLC硬件包括：工控机及其外围设备，基于ISA总线的开关

量输入输出接口卡，光电隔离模块，继电器输出模块。其结构如图1所示。工控机采用RedHatLinux810+RTLinux311操作系

统，数控系统的人机界面、数控代码处理、轨迹规划、参数管理以及PLC控制都通过工控机由软件来实现，不需要独立的PLC

控制器，减少了数控系统对硬件的依赖，有利于提高系统的开放性。I/O输入输出信息通过PC机I/O接口卡实现主机与伺服接口

模块和I/O接口模块之间的信息交换，PC机I/O接口卡基于ISA或者PCI总线。

图1 数控系统嵌入式PLC硬件结构图

2 RT-Linux的体系结构

RT-Linux是基于Linux系统并可运行于多种硬件平台的32位硬实时操作系统，它基于基于Linux并可运行于多种硬件平台的多任

务实时操作系统。通过修改Linux内核的硬件层，采用中断仿真技术，在内核和硬件之间实现了一个小而高效的实时内核，并

在实时内核的基础上形成了小型的实时系统，而Linux内核仅作为实时系统最低优先级的任务运行。对于普通X86的硬件结

构，RT-Linux拥有出色的实时性和稳定性,其最大中断延迟时间不超过15μs，最大任务切换误差不超过35μs。这些实时参数与

系统负载无关，而取决于计算机的硬件，如在PII350，64M内存的普通PC机上，系统最大延迟时间不超过1μs。RT-Linux按实

时性不同分为实时域和非实时域，其结构如图2所示。

图2 RT-Linux构造结构图

实时域在设计上遵循实时操作系统的设计原则，即系统具有透明性、模块化和可扩展性。RT-Linux的实时内核由一个核心部

分和多个可选部分组成，核心部分只负责高速中断处理，支持SMP操作且不会被底层同步或中断例程延迟或重入。其它功能

则由可动态加载的模块扩充。RT-Linux把不影响系统实时性的操作(即非实时域的操作)都留给了非实时的Linux系统完成。基

于多任务环境的Linux为软件开发提供了丰富的系统资源，如多种进程间通讯机制，灵活的内存管理机制。

3 嵌入式PLC的设计及实现

3.1 嵌入式PLC的模块组成

数控系统的PLC控制模块实时性要求较高，因而必须在系统的实时域内运行。根据通用数控系统的PLC控制以及数控系统软件

模块化设计的要求，将数控系统的PLC控制模块作为RT-Linux系统的实时任务之一，其优先级和调用周期取决于数控系统各任

务的实时性要求以及控制要求的响应时间。PLC控制模块主要完成数控系统的逻辑控制，而被控制的输入输出也就是I/O的输

入输出由PC机I/O接口卡输入输出模块来完成，即完成数控系统的PLC控制需要两个RT-Linux实时任务,如图3所示，这两个任

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