基于ARM—Linux的可編程自動化控制器研究

李雪霞　楊靜

摘 要：當今時期計算機技術取得了高速發展，對社會進步做出巨大貢獻。計算機技術同繼電器控制技術合理結合，直接促進可編程邏輯控制器（PLC）的出現，PLC在現代工業中扮演重要角色，具有非常廣泛的應用前景。但是由于PLC的運行系統、以及開發系統自身存在一些弊端，導致部分高端應用的需求無法得到滿足。文章通過對基于ARM-Linux的可編程自動化控制器的研究分析，希望能夠有效解決上述問題。

關鍵詞：ARM-Linux；編程；自動化控制器

中圖分類號：TM571.61 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）14-0067-01

與PLC相比較，可編程自動控制器（PAC）更加具有優勢，能夠滿足高端應用對網絡通訊、開放性、以及控制算法等方面的需求，同時PAC性能更加可靠穩定，對工業控制自動化的未來發展具有至關重要的作用。本文通過對PAC運行系統的工作原理、以及各項特征的了解，同時同軟件結構、硬件結構相結合，最終在ARM一Linux軟硬件的架構下，設計一種具有開放性能的可編程自動化控制器通用開發平臺。

1 PAC系統以及技術支持

可編程自動化控制器的出現和發展，對傳統工業自動化控制系統具有至關重要的作用。作為一種全新型控制器，具有取代、擴充可編程控制器的性能。在現代計算機技術和網絡技術的支持下，可編程自動化控制器的數據形式、控制功能、通信模式以及硬件結構更加完整先進。

1.1 PAC開發系統和運行系統

通過將開發系統與運行系統相分離，有利于為以后軟件的開發、升級、維護等工作服務，而且能夠方便移植運行系統到各異的硬件平臺中。作為PAC的核心組成，運行系統通過完成通訊工作、程序的輸入處理、執行處理、輸出處理、以及數據庫等內容，以此幫助系統完成控制管理；開發系統主要處在電腦系統中，在編好程序的基礎上，生成可執行代碼。開發系統能夠在PC機廣闊寬泛的開發環境下，充分提高其開發效率[1]。開發系統主要包括數據庫模塊、界面組成模塊、以及PLC模擬器。從運行系統的執行角度分析，又可以將PAC分成解釋型和編譯型兩個方面。編譯型的用戶程序，提前將指令編譯成代碼，同時保持代碼具有可執行性，有利于避免出現散轉、查找指令的過程；而解釋型PAC主要是PLC虛擬機接受指令、解釋、以及執行等命令，然后進行逐步執行，具有執行效率低、移植性弱等特點。

1.2 PAC的硬件結構

通常情況下，PAC硬件結構主要由繼電器輸出電路、外圍電路、ARM開發板、AD轉換電路、PWM電路、以及光耦輸入等設備組成。在光電隔離的影響下，外部輸入的開關量同ARM的輸入口進行相連接，然后經CPU處理，最后由晶體管電路、或者繼電器進行輸出。

1.3 PAC的軟件結構

PAC運行系統的軟件結構，一般來說由應用程序和系統程序所組成。而系統程序又由PAC系統程序、Linux操作系統。PAC系統程序能夠對功能子函數、以及運行環境起到支撐作用；Linux操作系統能夠將系統的各項任務合理完成，比如說時鐘管理、存儲分配、中斷管理、任務調度、以及為用戶提供數據庫、網絡、界面互換、驅動等功能。用戶程序指令在運行環境的基礎下，將指令傳遞到操作系統，然后操作系統在驅動程序的幫助下實現操作。

2 PAC系統設計及工作模式

2.1 PAC運行系統運行環境設計

編譯型PAC的運行系統主要由系統初始化、加載用戶程序、通訊程序、掃描輸入、掃描輸出、下載程序、以及系統自檢程序所組成。系統運行過程主要流程如下：首先，Linux和Uboot程序的初始化；然后是類似C區、M區、T區、X區、Y區等數據區，或者程序區的申請；其次，運行環境的建立，包括時鐘線程、管理線程、界面線程、任務執行線程等內容。最后，根據PAC工作模式依次進行調試階段、運行階段、以及停止階段。

2.2 軟PLC的寄存器及指令系統設計

軟PLC主要包括C計數器寄存器、M輔助寄存器、X輸入端口寄存器、Y輸出端口寄存器、T定時器寄存器等等。本次系統的指令主要由以下幾部分組成：基本指令、數據類型轉換、數據比較指令、數據移位指令、數據選擇指令、數學運算，以及字符串的處理、通訊、計數器、模數轉換等算法模塊。

2.3 PAC系統運行模式

PAC中的編譯型運行系統存在系統初始化、信號通訊、輸入、程序下載、加載程序、輸出及系統自檢功能等。系統運行的流程圖，如圖1所示。

PAC系統運行中需要進行初始化程序，首先需要進行的是Linux的初始化和Uboot的初始化。完成初始化之后，系統申請數據區間與程序區間，比如系統中的輸出寄存器、輸入寄存器、時間寄存器、計數寄存器和輔助寄存器等。完成程序與數據空間申請，系統將進行線程創建，主要創建的線程包括時鐘線程、任務線程和界面線程等，建立線程后完成軟PLC運行環境的建立。與傳統PLC一樣，PAC同樣存在三種運行模式，即調試模式、運行模式和停止模式。對于PAC來講，調試模式中，系統通過初始化后，進行掃描輸入，并對網口和串口進行掃描，將上位機通訊模塊下載的程序BIN存儲到某個用戶序區，留待加載命令，執行命令。在運行模式中，系統初始化后，掃描輸入，但不在對網口和串口進行掃描，而是直接將用戶序區中的程序加載使用。

與PLC一樣，系統工作運行過程可分成三個部分，分別是輸入部分，執行處理部分和輸出部分，這三個部分合在一起，便是一個掃描周期。當系統運行結束之后，將執行結束進程命令，并發送關閉信息，程序接收到結束指令后，立即停止運行，并將建立的線程全部注銷，釋放出更多的資源，保證PAC系統運行順暢。PAC是在PLC的基礎上發展而來，兼具PLC程序執行的特征，需要一步一步的執行加載的程序，因此，程序邏輯性十分重要，而通常都是由前至后逐步執行，從而得到最終結果，屬于串行工作模式。

通過該模式導致的滯后時間，一般不會超過兩個掃描周期，在無特殊要求的控制系統中，滯后時間帶來的影響無關緊要，而少數控制系統要求高精度，控制過程需要做到“令行靜止”的效果，所以需要采取提升PAC系統的靈敏度，降低滯后時間，更好的實現精密控制。

3 結 語

總的來講，可編程自動控制器（PAC）充分借鑒了PLC以及PC的各項優勢，技術性能得到進一步優化，隨著技術的日漸發展和完善，將會對工業自動化的發展起到直接影響，必將會成為控制系統的關鍵因素。PAC不僅僅對自動化技術起到推進作用，同時對控制器在設計方面，以及集成等方面都具有跨時代的意義。因此，相關研究人員必須做好對PAC的進一步研究，以此推動我國自動化技術跨步發展。

參考文獻：

[1] 鄭誠.基于Linux+Qt的超高絕緣電阻測量系統控制模塊設計與實現[J].工業控制計算機，2015，（5）.