基于ARM Cortex-M4的PLC結(jié)構(gòu)化框架研究

陳占標(biāo)

泉州市天志智能科技有限公司，福建 泉州 362000

0 引言

ARM Cortex-M4主要應(yīng)用于傳感、決策、中斷驅(qū)動等領(lǐng)域，具有功耗低、成本低、性能高、擴(kuò)展性好等特征[1]。但與C語言相比，基于ARM Cortex-M4的PLC結(jié)構(gòu)化框架不夠直觀，編程難度較大，對基于ARM Cortex-M4的PLC結(jié)構(gòu)化框架應(yīng)用發(fā)展產(chǎn)生不利影響。對此，本文構(gòu)建PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架模型，根據(jù)框架設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)具有可移植性，包括CAN模塊擴(kuò)展站點(diǎn)分配功能和PID功能的框架，并對PLC框架進(jìn)行測試分析，旨在為學(xué)習(xí)者有效學(xué)習(xí)及提升編程效率提供借鑒與參考。

1 PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架模型構(gòu)建

PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架可應(yīng)用于匯編編程，在具體編程時，可以應(yīng)用硬件抽象層、軟件構(gòu)件層、應(yīng)用層三層邏輯架構(gòu)[2]，具體如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)化匯編框架

硬件抽象層應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以將硬件與軟件系統(tǒng)融合，有利于明確硬件與軟件之間的關(guān)系[3]。在具體應(yīng)用中，硬件層應(yīng)用于芯片上電后復(fù)位啟動與編譯鏈接中，可以對設(shè)備外設(shè)的硬件寄存器地址和異常進(jìn)行自整定處理。

軟件構(gòu)件層具有可重復(fù)性、規(guī)范性、嵌入性特征，是組織嵌入式系統(tǒng)的功能單位[4]。需要注意的是，應(yīng)用構(gòu)建是封裝而成的，所以在編程過程中，需要調(diào)用底層驅(qū)動構(gòu)件。應(yīng)用層包括中斷服務(wù)例程、用戶主程序等。

2 PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架設(shè)計(jì)原則

基于軟件工程理論的分析可知，保證結(jié)構(gòu)的清晰性是PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架設(shè)計(jì)的基本點(diǎn)。在文件內(nèi)容安排方面，應(yīng)保證其具有合理性、易修改性、可擴(kuò)展性等特征[5]。為保證軟件開發(fā)效率與質(zhì)量，在設(shè)計(jì)PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架過程中，

應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)原則，即可復(fù)用、可維護(hù)、可移植等基本思想原則。

每款芯片都有其自身的初始化文件，為保證框架匯編的有效性，可以將這些芯片的初始文件組織在一起，避免在對某款芯片開發(fā)過程中，特意修改某一文件[6]。

PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架設(shè)計(jì)需要對芯片相關(guān)程序框架文件、軟件構(gòu)件文件、主程序文件等進(jìn)行匯編。為提升匯編效率，提升閱讀清晰度，需要將這些文件分類，并將分類號的文件組織放在統(tǒng)一的文件夾下，實(shí)現(xiàn)目錄結(jié)構(gòu)的合理分類。

不同的開發(fā)環(huán)境需要不同的配置，在設(shè)計(jì)PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架時，需要將所有工程配置文件，如鏈接文件等，組織在一起，避免在同一開發(fā)環(huán)境下，進(jìn)行重復(fù)配置，并提升不同環(huán)境下查找配置文件的便利性[7]。

在設(shè)計(jì)PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架時，應(yīng)根據(jù)軟件商的分層思想，將軟件構(gòu)件分為底層驅(qū)動構(gòu)件、應(yīng)用構(gòu)件、高層軟件構(gòu)件[8]。同時，在設(shè)計(jì)過程中，可以將不同層次的構(gòu)件存放在不同文件夾中，保證文件的功能明確，結(jié)構(gòu)清晰。另外，在制作構(gòu)件過程中，應(yīng)對構(gòu)件的共性、特征進(jìn)行分析，在提取構(gòu)件屬性的基礎(chǔ)上，使構(gòu)件移植到不同的環(huán)境中，最大程度避免源程文件的修改。

在編譯鏈接過程中，源程序?qū)a(chǎn)生機(jī)器碼文件，用戶可以通過下載該文件的方式，在目標(biāo)板中運(yùn)行，經(jīng)過重新編譯后，文件極有可能發(fā)生改變，這些新文件需要單獨(dú)存儲[9]。

3 PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

3.1 框架的結(jié)構(gòu)組織

PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架的技術(shù)參數(shù)如表1所示。基于技術(shù)參數(shù)分析，根據(jù)框架模型中的相應(yīng)順序，對框架中的文件夾進(jìn)行編號，為明確程序的運(yùn)行情況，通常設(shè)置LED閃爍功能，加入了LED閃爍相關(guān)指示文件[10]。當(dāng)主機(jī)功能不夠用的情況，增加了CAN擴(kuò)展功能，當(dāng)主機(jī)與擴(kuò)展模塊通信正常時：主機(jī)處于STOP時，擴(kuò)展的RUN燈間隔1.5s閃爍一次；當(dāng)主機(jī)處于RUN時，擴(kuò)展的RUN燈基本與主機(jī)閃爍一致；當(dāng)主機(jī)與擴(kuò)展模塊通信當(dāng)通信中斷時：擴(kuò)展的RUN燈熄滅，并關(guān)閉所有輸出。在此基礎(chǔ)上，添加了CAN模塊擴(kuò)展站點(diǎn)分配功能（表2）和PID功能（功能選擇見表3）。

表1 PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架的技術(shù)參數(shù)

表2 CAN模塊擴(kuò)展站點(diǎn)分配

表3 PID功能選擇說明

3.2 框架設(shè)計(jì)分析

在框架設(shè)計(jì)過程中，需要注重分析工程文件夾的內(nèi)容情況，文件夾內(nèi)除基礎(chǔ)編程環(huán)境需要保留的文件夾外，添加編號的子文件夾的個數(shù)、名稱應(yīng)固定[11]。同時，框架設(shè)計(jì)應(yīng)保證框架能夠在不同的CPU、芯片與開發(fā)環(huán)境中移植，并對移植時修改的內(nèi)容進(jìn)行說明。

3.3 主程序文件設(shè)計(jì)

整體而言，PLC結(jié)構(gòu)化匯編要包含名為main.s的匯編主程序文件，同時要保證匯編程序具有簡潔性和清晰性。主程序文件main.s包括以下幾點(diǎn)。

（1）工程描述：工程名、版本、日期等。若在調(diào)試過程中有新的添加內(nèi)容，可以在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行補(bǔ)充，目的在于便于使用，且能夠提供備忘信息。

（2）總頭文件：對頭文件、宏定義（主程序文件中）等進(jìn)行聲明[11]。

（3）主程序：本框架中，將主程序設(shè)計(jì)為初始化與主循環(huán)兩部分。其中，主循環(huán)代表的是程序工作循環(huán)。在實(shí)際運(yùn)行中，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，但程序段不宜過長，具體功能需要在調(diào)試后實(shí)現(xiàn)。

（4）內(nèi)部直接調(diào)用子程序：若存在不能單獨(dú)存RAM的子程序，可以存放在內(nèi)部直接調(diào)用子程序中[11]。若有多個子程序，需要單獨(dú)存在外部Flash，并進(jìn)行獨(dú)立校驗(yàn)。

（5）外部子程序：若外部子程序使用的是獨(dú)立存RAM的子程序，可以使用“.include”包含[12]。

（6）程序加密：下載程序時自動讀取ARM Cortex-M4芯片與外部Flash自帶的ID號，并且進(jìn)行無序打散，從二進(jìn)制轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制，無序存放在ARM 芯片與Flash的某些位置，再次上電后，系統(tǒng)自動驗(yàn)證該配套ID號。

4 PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架測試

首先，在開發(fā)環(huán)境中導(dǎo)入?yún)R編框架，創(chuàng)建需要測試的工程內(nèi)容，并調(diào)用GPIO構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)LED燈閃爍功能[12]。其次，根據(jù)上述主程序的設(shè)計(jì)方法編制主程序。最后，將測試工程編譯鏈接后，下載到目標(biāo)板上，重新通電運(yùn)行，能夠觀察到LED燈間隔閃爍，RS485、RS232、CAN通信正常，且運(yùn)行穩(wěn)定。通過測試結(jié)果分析可知，PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架規(guī)范、有效，能夠?yàn)槲⑻幚砥魃顚哟蔚膽?yīng)用開發(fā)和匯編語言研究提供便利途徑。

5 結(jié)語

本研究主要介紹了基于ARM Cortex-M4的PLC結(jié)構(gòu)化匯編框架，設(shè)計(jì)了層次性框架模型，闡述了框架設(shè)計(jì)原則，并對設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析。通過框架測試，結(jié)果表明框架具有實(shí)用性，可以提升匯編程序的可移植性，并能夠降低相關(guān)人員學(xué)習(xí)基于ARM Cortex-M4-PLC結(jié)構(gòu)化匯編程序的難度，具有現(xiàn)實(shí)應(yīng)用價值。