近年來，嵌入式數(shù)控系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)。PLC模塊是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分，它與數(shù)控裝置配合，完成機(jī)床開關(guān)量控制。工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的國際編程標(biāo)準(zhǔn)IEC61131的推出和實(shí)施，打破以前各PLC生產(chǎn)廠商的產(chǎn)品不兼容的‘局限性。充分利用嵌入式系統(tǒng)硬件和軟件資源，使PLC的性價(jià)比大大提高。相對(duì)于通用型PLC，嵌入式PLC具有兼容性、通用性、性價(jià)比高、網(wǎng)絡(luò)連接簡(jiǎn)便、編程方便等優(yōu)點(diǎn)。目前，大多數(shù)嵌人式PLC以Windows CE系統(tǒng)為操作平臺(tái)，具有操作界面良好、程序開發(fā)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，但Windows操作系統(tǒng)是收費(fèi)的，這將增加數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用成本。本文中嵌入式PLC配合數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)，以免費(fèi)的具有開放式源碼和良好可靠性的Linux系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，利用C語言在普通PC上做好設(shè)計(jì)和開發(fā)，再將軟件移植到嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中。

1 數(shù)控系統(tǒng)中嵌入式PLC系統(tǒng)框圖

　　如圖1所示，嵌入式PLC系統(tǒng)由硬件層、引導(dǎo)層、驅(qū)動(dòng)層、系統(tǒng)層、用戶層構(gòu)成。硬件層是整個(gè)系統(tǒng)的最底層，驅(qū)動(dòng)層是應(yīng)用層與硬件層之間的一個(gè)紐帶，系統(tǒng)層用來管理系統(tǒng)的任務(wù)、用戶層提供用戶良好的人機(jī)界面，方便使用，用戶層通過驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的控制。在數(shù)控機(jī)床中PLC主要實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的坐標(biāo)的零位控制、主軸的起停、冷卻液的起停、自動(dòng)潤(rùn)滑以及過載、超程、碰撞、掉電等緊急控制等。

圖1嵌入式PLC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 嵌入式PLC硬件結(jié)構(gòu)框圖

　　PLC的硬件電路采用“ARM+CPLD”的方案來實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，其中ARM和CPLD通過三總線連接，數(shù)據(jù)總線為16根，分別為D[O~15]，而地址總線5根，分別為A[0~4]，控制總線為4根，分別為NEW、NOE、OE1和片選信號(hào)NGCS2。ARM外圍設(shè)計(jì)利用HHARM2410開發(fā)板進(jìn)行再開發(fā)，底板上現(xiàn)有一個(gè)RS-232串口、一個(gè)RJ-45以太網(wǎng)口與宿主機(jī)通訊、一個(gè)USB設(shè)備接口、一個(gè)LCD及觸摸屏接口，在這基礎(chǔ)上，增加CAN總線功能模塊電路，并引出S3C2410核心板上的空余引腳以達(dá)到本系統(tǒng)控制要求。

圖2嵌入式PLC硬件結(jié)構(gòu)圖

　　ARM9通過RS-232通訊接口和以太網(wǎng)口與宿主機(jī)通訊，利用宿主機(jī)在Redhat9．0 Linux操作系統(tǒng)以上的平臺(tái)上進(jìn)行驅(qū)動(dòng)開發(fā)、程序調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸；HHARM2410核心板中的存儲(chǔ)系統(tǒng)較小，為達(dá)到開發(fā)系統(tǒng)的要求，利用USB設(shè)備接口提供方便的移動(dòng)存儲(chǔ)。外圍設(shè)計(jì)主要是PLC的I／O模塊和主軸及進(jìn)給軸的A／D模塊，其中PLC的I／O模塊主要用于PLC的開關(guān)量的輸人與輸出，用來采集機(jī)床傳感器的信號(hào)、控制主軸和冷卻液等電機(jī)的啟停。而A／D模塊則是用于主軸和進(jìn)給軸的調(diào)速。采集的信號(hào)通過CAN模塊發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)調(diào)用解釋程序處理后通過CAN模塊把結(jié)果發(fā)送下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)電氣開關(guān)量控制。

3 嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中PLC模塊的軟件結(jié)構(gòu)

　　如圖3所示，嵌入式PLC模塊是建立在嵌入式微控制器硬件開發(fā)平臺(tái)和嵌入式操作系統(tǒng)之上，通過開發(fā)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序與應(yīng)用程序，將驅(qū)動(dòng)程序添加到嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核中，形成嵌入式PLC系統(tǒng)軟件的一部分。用戶輸入PLC指令表形式的PLC應(yīng)用程序，系統(tǒng)編譯程序通過對(duì)用戶程序與內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的交互實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC指令表語言程序的解釋和執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)PLC的控制功能。

圖3嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中PLC模塊的結(jié)構(gòu)圖

　　本文所設(shè)計(jì)的嵌入式PLC建立在EmbededLinux操作系統(tǒng)平臺(tái)之上，通過軟件方法實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC的計(jì)算、控制和編程等功能。嵌入式PLC由編輯環(huán)境和執(zhí)行環(huán)境組成。首先，通過編輯環(huán)境編輯輸入PLC指令表語言的應(yīng)用程序，由文本預(yù)處理生成plc．txt的文件；其次，進(jìn)入執(zhí)行環(huán)境，由解釋處理程序讀取該文件解釋為系統(tǒng)可識(shí)別的機(jī)器碼；同時(shí)，通過I／O模塊以及現(xiàn)場(chǎng)總線等物理設(shè)備完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，把這些采集來的信號(hào)作為外部輸人信號(hào)同內(nèi)部其它控制模塊發(fā)來的控制信號(hào)共同映射到輸入共享內(nèi)存地址區(qū)，供PLC解釋處理程序使用，并將處理完的結(jié)果存儲(chǔ)到輸出共享內(nèi)存地址；最后，讀取內(nèi)存中的數(shù)據(jù)并反饋給其它模塊或輸出到外部線圈執(zhí)行控制。嵌入式PLC應(yīng)用程序在編輯環(huán)境中編寫，其余的均于執(zhí)行環(huán)境內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

　　3.1 嵌入式PLC程序編輯器的設(shè)計(jì)

　　MiniGUI是根據(jù)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)量身定做的完整嵌入式圖形支持系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)在嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中開發(fā)操作簡(jiǎn)便的圖形界面且滿足數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，經(jīng)過比較分析，開發(fā)時(shí)選用MiniGUI-Thread運(yùn)行模式。界面程序?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用而開發(fā)，在實(shí)際應(yīng)用過程中主要處理PLC程序的編輯、導(dǎo)入與執(zhí)行，此界面設(shè)計(jì)時(shí)只做了PLC語言中語句表程序的編輯修改界面，而梯形圖的編輯、開發(fā)、翻譯界面則選擇在Windows下用VC開發(fā)，以增加通用性。在設(shè)計(jì)中，充分考慮到IEC61 131國際標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于PLC指令表語言的標(biāo)準(zhǔn)及具體輸人格式。通過軟PLC界面菜單“文件導(dǎo)人”把宰．PLC文件打開，點(diǎn)擊“執(zhí)行程序”啟動(dòng)軟PLC解釋程序，開始解釋并運(yùn)行被打開的*．PLC文件。此時(shí)“執(zhí)行程序”按鈕轉(zhuǎn)換為“程序停止”(如圖4)。

圖4嵌入式數(shù)控系統(tǒng)中的PLC編輯器

　　3.2 嵌入式PLC程序執(zhí)行環(huán)境的設(shè)計(jì)

　　3.2.1 采用內(nèi)存映射技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間與用戶空問的交互

　　內(nèi)存映射，采用get_free—page()在內(nèi)核空間里申請(qǐng)一頁內(nèi)存‘引，存儲(chǔ)外部采集的信號(hào)和內(nèi)部控制信號(hào)，然后通過fileoperation的mmap()函數(shù)，將該頁的內(nèi)存映射到用戶空間，使得用戶空間和內(nèi)核空間都可以讀寫該段內(nèi)存數(shù)據(jù)；用戶空間通過mmap()映射／dev／men實(shí)現(xiàn)對(duì)所有l(wèi)Y0尋址空間的讀寫。

　　3.2.2具體解釋程序的實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式PLC源程序由編輯環(huán)境輸出為plc．txt文件，再由解釋程序具體解釋、執(zhí)行。解釋程序首先調(diào)用字處理子程序?qū)LC．t：xt結(jié)點(diǎn)的行指令信息進(jìn)行處理，處理后用1個(gè)字結(jié)構(gòu)體來存儲(chǔ)分離出來的字信息。

　　首先定義一個(gè)字結(jié)構(gòu)體word，用于存放字處理結(jié)果信息，變量元素有num(行號(hào))，order(命令字)，com(元件)，para(元件參數(shù))；打開文件plc．txt；定義字結(jié)構(gòu)體變量，動(dòng)態(tài)分配存儲(chǔ)空間并且調(diào)用字處理子程序根據(jù)處理結(jié)果給字結(jié)構(gòu)體變量元素分別賦值；根據(jù)order變量值，調(diào)用相應(yīng)的指令解釋子程序?qū)χ噶钸M(jìn)行解釋處理；之后判斷文本結(jié)束否，未結(jié)束則獲取下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的行指令信息進(jìn)行字處理，如此反復(fù)操作直至文本結(jié)束，完成解釋程序流程。

4 結(jié)語

　　嵌入式PLC是一項(xiàng)具有巨大潛力的技術(shù)，其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能是傳統(tǒng)的PLC無法比擬的。本文針對(duì)PLC的控制特點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)中嵌入式PLC模塊，闡述了嵌入式入式PLC模塊實(shí)現(xiàn)的方法對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)作了詳細(xì)的解釋，這為多軸聯(lián)動(dòng)的嵌入式數(shù)控機(jī)床的研制在電氣控制方面奠定良好的基礎(chǔ)。