嵌入式IPC在超高速卷煙機(jī)上的應(yīng)用研究

凌帥

摘要：進(jìn)程間通信IPC在工業(yè)控制系統(tǒng)建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用廣泛，通過(guò)構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)面向高速信號(hào)處理的生產(chǎn)監(jiān)控和指導(dǎo)。文中嘗試將嵌入式IPC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與卷煙生產(chǎn)中高速卷煙機(jī)生產(chǎn)工作相互結(jié)合，首先分析了嵌入式IPC系統(tǒng)的應(yīng)用方法，結(jié)合高速信號(hào)處理，構(gòu)建了基于超高速卷煙機(jī)生產(chǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)方式，以此來(lái)提高超高速卷煙機(jī)的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：IPC;嵌入式系統(tǒng);超高速卷煙機(jī);控制系統(tǒng)

中圖分類(lèi)號(hào)：C35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-6487（2019）01-0036-04

0引言

IPC進(jìn)程間通信全稱(chēng)為inter process?communi-cation，在實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用當(dāng)中，IPC主要充當(dāng)對(duì)于系統(tǒng)線(xiàn)程之間的相互通信。嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部，IPC主要通過(guò)不同的環(huán)節(jié)來(lái)形成信息的溝通，其中send、wait等負(fù)責(zé)信息的發(fā)出和調(diào)用，再由線(xiàn)程當(dāng)中的reply進(jìn)行線(xiàn)程信息的反饋，形成信息交流。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域當(dāng)中，IPC基于線(xiàn)程的通信模式，為高速控制系統(tǒng)建設(shè)提供了可能。

1嵌入式系統(tǒng)IPC的應(yīng)用

1.1IPC通信機(jī)制

嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中IPC主要工作在于進(jìn)行線(xiàn)程間的通信控制，因此嵌入式系統(tǒng)通過(guò)幾種進(jìn)程機(jī)制，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于線(xiàn)程間通信方式的管理。常見(jiàn)的線(xiàn)程間通信機(jī)制包括send、receive、wait、reply-wait以及call等五種，幾種機(jī)制在線(xiàn)程間充當(dāng)不同的通信機(jī)制關(guān)系。如表1所示。

1.2IPC線(xiàn)程通信的信息設(shè)置

潛入式系統(tǒng)的IPC線(xiàn)程間通信，主要目的在于實(shí)現(xiàn)消息數(shù)據(jù)的快速流轉(zhuǎn)，因此系統(tǒng)自身會(huì)首先通過(guò)設(shè)置專(zhuān)門(mén)的消息媒介，實(shí)現(xiàn)對(duì)于消息內(nèi)容的控制。常見(jiàn)的消息寄存器設(shè)置為short和long兩種，前者主要功能在于對(duì)消息信息數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具有較快的信息傳輸效率，不過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)大小往往受到限制;long則利用系統(tǒng)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，信息數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不受限制，但是信息存儲(chǔ)通常會(huì)出現(xiàn)缺頁(yè)錯(cuò)誤等問(wèn)題[1]。研究分析認(rèn)為，long的缺頁(yè)問(wèn)題主要由于訪(fǎng)問(wèn)的用戶(hù)狀態(tài)不確定，用戶(hù)狀態(tài)的地址空間難以獲取，就會(huì)出現(xiàn)缺頁(yè)。此時(shí)系統(tǒng)會(huì)將缺頁(yè)信息發(fā)送到接收線(xiàn)程pager當(dāng)中，進(jìn)而造成存儲(chǔ)速度較慢。因此為了保證機(jī)制內(nèi)部的通信效率和線(xiàn)程間的消息流通能力，通常將IPC與系統(tǒng)內(nèi)核相互結(jié)合，盡可能地避免兩個(gè)以上的線(xiàn)程處于不同核心，轉(zhuǎn)而采用核心集成的方式，選用short寄存器進(jìn)行消息的傳遞和存儲(chǔ)。

2現(xiàn)代卷煙機(jī)系統(tǒng)控制方案的發(fā)展

國(guó)內(nèi)卷煙生產(chǎn)廠(chǎng)商所采用的卷煙機(jī)系統(tǒng)，主要以傳統(tǒng)PLC為核心，構(gòu)建電控系統(tǒng)。這種電控系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中擁有一定的應(yīng)用價(jià)值，在上世紀(jì)90年代后期，卷煙生產(chǎn)開(kāi)始進(jìn)入高速加工階段，大量高速卷煙機(jī)開(kāi)始涌入市場(chǎng)當(dāng)中，系統(tǒng)內(nèi)部的高速掃描I/O能夠達(dá)到μs級(jí)別，PLC電控系統(tǒng)10ms標(biāo)準(zhǔn)的控制能力已經(jīng)不再滿(mǎn)足高速卷煙機(jī)的生產(chǎn)需求[2]。而在近年來(lái)，超高速卷煙機(jī)在處理速度和控制需求方面對(duì)控制系統(tǒng)提出了更高的要求，其中高速信號(hào)的處理與智能化、自動(dòng)化控制技術(shù)發(fā)展相適應(yīng)，因此嵌入式系統(tǒng)IPC線(xiàn)程間通信成為目前控制系統(tǒng)首要選擇，研究人員通過(guò)構(gòu)建拓展接口的方式，將IPC融入到總線(xiàn)PLC單片機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，使線(xiàn)程通信可以在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)PLC在通信效率和速度方面的不足。但是由于系統(tǒng)平臺(tái)的缺失，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中，系統(tǒng)與數(shù)據(jù)之間的交互過(guò)于混亂，機(jī)組生產(chǎn)穩(wěn)定性嚴(yán)重堪憂(yōu)。

文中主要結(jié)合現(xiàn)階段卷煙生產(chǎn)當(dāng)中的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將傳統(tǒng)PLC控制邏輯與現(xiàn)代IPC線(xiàn)程通信方式相互結(jié)合，借助嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的框架架構(gòu)，從而使嵌入式IPC的線(xiàn)程間通信能力發(fā)揮出來(lái)，使其能夠在超高速卷煙機(jī)的卷煙生產(chǎn)控制當(dāng)中發(fā)揮作用，促使卷煙機(jī)生產(chǎn)的各項(xiàng)指標(biāo)得到全面改善，最終實(shí)現(xiàn)提升質(zhì)量和效率的目標(biāo)。

3超高速卷煙機(jī)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1傳統(tǒng)PLC控制方式的主要特點(diǎn)

超高速卷煙機(jī)實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中的基本原則，在于μs級(jí)別的信息通信速度，完成系統(tǒng)的控制和指揮，因此為了能夠?qū)⑼ㄐ趴刂圃砼c系統(tǒng)平臺(tái)相互結(jié)合，傳統(tǒng)的卷煙電控系統(tǒng)選用高速處理板卡與can總線(xiàn)和傳統(tǒng)PLC邏輯之間的相互結(jié)合，使其能夠成為雙總線(xiàn)架構(gòu)系統(tǒng)，滿(mǎn)足核心內(nèi)IPC線(xiàn)程寄存器的高效通信要求。在整體的平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)當(dāng)中，外部檢測(cè)板卡將于MLP生產(chǎn)線(xiàn)計(jì)算機(jī)相互結(jié)合，利用雙總線(xiàn)，完成對(duì)于生產(chǎn)控制信息的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)交換[3]。不過(guò)由于超高速卷煙機(jī)對(duì)于生產(chǎn)質(zhì)量的要求同樣較高，因此在雙總線(xiàn)系統(tǒng)當(dāng)中，需要分別進(jìn)行生產(chǎn)信息管理、生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)等多方面的工作內(nèi)容，這些內(nèi)容在系統(tǒng)當(dāng)中彼此獨(dú)立，同時(shí)與電控系統(tǒng)核心之間形成分離，最終極易出現(xiàn)信息孤島，在電路板控制當(dāng)中，需要借助接口和通信協(xié)議完成電路信息的交流，因此控制系統(tǒng)平臺(tái)建設(shè)勢(shì)必會(huì)十分復(fù)雜，造成后期應(yīng)用管理存在的諸多不便，其平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

在傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)當(dāng)中，PLC仍然作為主要的系統(tǒng)核心邏輯，并直接與系統(tǒng)當(dāng)中的機(jī)械生產(chǎn)傳感器、閥島以及超高速卷煙機(jī)內(nèi)部的高速處理板卡進(jìn)行聯(lián)系。

3.2嵌入式IPC系統(tǒng)平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

由于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)平臺(tái)存在系統(tǒng)通信方式和信息孤島等諸多問(wèn)題，因此平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)者首先需要充分考慮易用性特點(diǎn)，進(jìn)行系統(tǒng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)。通過(guò)進(jìn)行IPC通信模塊的結(jié)構(gòu)調(diào)整，目的在于加強(qiáng)各控制單位的相互聯(lián)系，使IPC在嵌入式系統(tǒng)當(dāng)中能夠形成統(tǒng)一核心的寄存數(shù)據(jù)機(jī)制，從而完成了嵌入式系統(tǒng)下的系統(tǒng)改良和系統(tǒng)硬件拓?fù)鋭?chuàng)新，從根本上避免信息孤島下系統(tǒng)控制之間相互脫節(jié)的問(wèn)題。如圖2所示。

所構(gòu)建的IPC嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)當(dāng)中，同樣將雙總線(xiàn)系統(tǒng)作為主要的系統(tǒng)架構(gòu)方式，不過(guò)與傳統(tǒng)系統(tǒng)建設(shè)不同，新型的IPC嵌入式系統(tǒng)的而總線(xiàn)選用了DP總線(xiàn)與E_BUS縱向相互疊加的方式，實(shí)現(xiàn)多種協(xié)議下的全局通信，這種通信方式能夠更好地兼容多種子系統(tǒng)，從而在TCP/IP協(xié)議當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)更加高效、快速的信息通信功能，且擁有拓展和訪(fǎng)問(wèn)。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的私服驅(qū)動(dòng)器、閥島等都可以借助分布式I/O完成與主站之間的聯(lián)系，DP主站上位機(jī)則通過(guò)信息獲取，直接搜集位于卷煙生產(chǎn)一線(xiàn)機(jī)械的長(zhǎng)安其數(shù)據(jù)，最終形成IPC數(shù)據(jù)交換[4]。MLP則依托通信協(xié)議，與IPC構(gòu)成聯(lián)絡(luò)。相較于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)，文中所設(shè)計(jì)的IPC為核心的嵌入式系統(tǒng)能夠直接進(jìn)行高速信號(hào)的輸出，其內(nèi)部所具有的XFC極速控制能夠借助總線(xiàn)端口收獲傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)，并借由IPC線(xiàn)程通信的統(tǒng)一處理，發(fā)送到各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)當(dāng)中，完成系統(tǒng)的統(tǒng)一控制。

所設(shè)計(jì)的嵌入式IPC系統(tǒng)平臺(tái)與傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)平臺(tái)相比，主要優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在接口統(tǒng)一、平臺(tái)整合和核心一致等幾個(gè)方面，這些優(yōu)勢(shì)保障了系統(tǒng)在實(shí)際的超高速卷煙機(jī)生產(chǎn)控制方面具有高效、穩(wěn)定等技術(shù)特點(diǎn)。

3.3嵌入式IPC系統(tǒng)的軟硬件設(shè)置

系統(tǒng)主要由人機(jī)界面系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)、重量控制系統(tǒng)、質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)、EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)、硬件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等各分系統(tǒng)組成。

整個(gè)電控系統(tǒng)中使用一個(gè)倍福嵌入式IPC來(lái)控制，取代目前的PLC系統(tǒng)，來(lái)完成機(jī)組的邏輯控制;取代質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)和PLC中的FM352_5模塊，實(shí)現(xiàn)煙支的質(zhì)量檢測(cè)、以及接紙控制等功能。

IPC與工控機(jī)、各分布I/O之間的通訊均通過(guò)EtherCAT高速工業(yè)以太網(wǎng)完成。

軟件設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的IEC61131-3編程語(yǔ)言;人機(jī)界面部分使用高級(jí)編程語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì);系統(tǒng)控制軟件在嵌入式IPC里執(zhí)行，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)完成系統(tǒng)控制。

外圍各傳感器等組件依然保持現(xiàn)有的狀態(tài)。

人機(jī)界面同時(shí)由IPC完成，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，完成人機(jī)交互。

加熱器控制：改進(jìn)原加熱器的控制、顯示與參數(shù)調(diào)整方式，溫度控制由IPC完成，參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)顯示在人機(jī)界面上進(jìn)行。

盤(pán)紙、水松紙拼接頭剔除功能的處理、移位在IPC中完成，然后通過(guò)EtherCAT總線(xiàn)及時(shí)的輸送到輸出模塊，驅(qū)動(dòng)電磁閥。3.4嵌入式IPC系統(tǒng)的控制程序編碼

嵌入式IPC系統(tǒng)在系統(tǒng)內(nèi)部，可以借助系統(tǒng)開(kāi)源方案，實(shí)現(xiàn)指令，并借助程序控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件采集系統(tǒng)的調(diào)用，從而獲取到硬件圖像。常見(jiàn)的Windows系統(tǒng)當(dāng)中，chttpconnection以及chttpfile都可以作為信息圖像獲取的策略利用IPC完成系統(tǒng)控制;而在linux系統(tǒng)內(nèi)部，則可以通過(guò)shell進(jìn)行命令，并使wget進(jìn)行信息圖像下載，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)于硬件采集系統(tǒng)信息的獲取。代碼如下：/************************************************************************

**函數(shù)：make_uri_withauth

**功能：構(gòu)造帶有認(rèn)證信息的URI地址

**參數(shù)：

的URI地址

[in]size_dest_uri-dest_uri緩存大小

**返回：

0成功，非0失敗**備注：

1）.例子：無(wú)認(rèn)證信息的uri：

rtsp：//100.100.100.140：554/av0_0帶認(rèn)證信息的uri：rtsp：//username：passwo

rd@100.100.100.140：554/av0_0************************************************************************/

staticintmake_uri_withauth（char*src_uri，char*username，char*password，char*dest_uri，unsignedintsize_dest_uri）

{

intresult=0;

unsignedintneedBufSize=0;

SOAP_ASSERT（NULL！=src_uri）;SOAP_ASSERT（NULL！=username）;SOAP_ASSERT（NULL！=password）;SOAP_ASSERT（NULL！=dest_uri）;memset（dest_uri，0x00，size_dest_uri）;

needBufSize=strlen（src_uri）+strlen（us-ername）+strlen（password）+3;//檢查緩存是否足夠，包括‘：和‘@和字符串結(jié)束符

if（size_dest_uri

result=-1;

gotoEXIT;

}

if（0==strlen（username）&&0==strlen（-password））{//生成新的uri地址

38

URI地址

[in]src_uri

-未帶認(rèn)證信息的

[in]username[in]password[out]dest_uri

-用戶(hù)名

-密碼

-返回的帶認(rèn)證信息

strcpy（dest_uri，src_uri）;}else{

char*p=strstr（src_uri，“//”）;if（NULL==p）{

SOAP_DBGERR（“cantfound‘//，srcuriis：%s.＼n”，src_uri）;

result=-1;gotoEXIT;

}

p+=2;

uri）;

“%s：%s@”，username，password）;strcat（dest_uri，p）;

memcpy（dest_uri，src_uri，p-src_sprintf（dest_uri+strlen（dest_uri），

}EXIT：

returnresult;}

3.5嵌入式IPC應(yīng)用效果

我廠(chǎng)所采用的ZJ19A型高速卷煙機(jī)，進(jìn)行卷煙生產(chǎn)。該型號(hào)卷煙機(jī)生產(chǎn)速率為每分鐘0.8萬(wàn)支，文中通過(guò)對(duì)該卷煙機(jī)進(jìn)行嵌入式IPC系統(tǒng)設(shè)置，并開(kāi)展了為期兩天的多班次卷煙生產(chǎn)試驗(yàn)，同時(shí)作為對(duì)照與傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)控制方案進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比內(nèi)容為剔除準(zhǔn)確率、停機(jī)、廢品率和效率四個(gè)方面，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，嵌入式IPC控制系統(tǒng)在超高速卷煙生產(chǎn)當(dāng)中，具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)，四項(xiàng)指標(biāo)當(dāng)中剔除準(zhǔn)確率和效率均超過(guò)99%，停機(jī)次數(shù)、廢品率僅為傳統(tǒng)處理方式一半，應(yīng)用效果顯著。

4結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代IPC系統(tǒng)的主要應(yīng)用價(jià)值在于其能夠借助通信機(jī)制實(shí)現(xiàn)線(xiàn)程間的高速通信，相較于傳統(tǒng)PLC系統(tǒng)機(jī)制，IPC系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)的信息控制領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)搭建專(zhuān)業(yè)超高速卷煙機(jī)控制平臺(tái)，IPC系統(tǒng)能夠充分滿(mǎn)足高速信號(hào)處理需求，避免信息孤島問(wèn)題的發(fā)生，應(yīng)用價(jià)值十分理想。

參考文獻(xiàn)

[1]向虎，何孝強(qiáng)，王龍，等.基于煙絲特性和卷制原理的卷煙機(jī)最佳回絲量計(jì)算模型[J].食品與機(jī)械：1-9.

[2]胡玫，王永喜.基于嵌入式系統(tǒng)STM32的三相正弦波交流電源設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電氣自動(dòng)化，2018，40（5）：4-7.

[3]周炳，高美珍，洪家平.面向單片機(jī)及嵌入式系統(tǒng)的AES算法改進(jìn)研究[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2018，18（9）：42-46.

[4]李華文，劉泓濱，盧洪林，等.雙煙條超高速卷煙機(jī)微波密度檢測(cè)中避免兩路信號(hào)互相干擾的方法[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2018（19）：134-135.