摘 要：本文通过对经典控制器的分析，提出了嵌入式PLC的概念，重点以EASYV1.00嵌入式PLC软件内核结构作基本分析，以引导工控设计人员建立一种新的嵌入式系统设计理念。WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
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关键词： 嵌入式 PLC 内核 CAN总线——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
Abstract: By the analysis of the classical controller, the conception of embedded PLC is proposed. The emphases is to lead the designers of the controlling engineering to build a new notion of the design of embedded system by the basic analysis of the kernel configuration of the EASYV1.00 embedded PLC software.WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
Key word：Embeded PLC Kernel CAN busWWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
[中图分类号] TP23 [文献标识码] A 文章编号 1606-5123(2005)11-00WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
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1引言：嵌入式PLC概念plcjs.技.术_网
嵌入式PLC是指在特定的控制装置中实现PLC（Programable Logic Controller）梯形图编程语言的解释、执行，使特定装置在自身专用功能基础上具有PLC的基本功能。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
梯形图是一种面向工厂自动化工程师的图形化PLC编程语言。梯形图具有简洁、直观，面向工艺流程等许多优点。PLC编程语言的出现使控制装置中的硬件管和面向控制流程分离，PLC制造商专注于硬件及硬件管理，工厂自动化人员借助梯形图语言作二次开发，使同一种PLC适用于不同的控制系统中，形成了可编程逻辑控制器（PLC）这种平台级产品。WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
但控制产品的设计已发展到一个追求个性化、差异化设计的阶段。常规PLC无法进入的市场，通常面临更多的是个性化、差异化的压力。如成本控制、特殊功能等。出现了工控机（IPC）、单片机、嵌入板等更贴近个性化需求的控制产品。IPC在互连、表达、算法等方面优势明显，单片机系统在成本控制上更加灵活。IPC由于加载了操作系统（如NT）其实时性、稳定性难以满足连续控制的苛刻要求，通常用于监控。低层通常用PLC。单片机系统将硬件管理和用户工艺流程控制混在一起，制约了它的标准化，并最终失去成本竞争优势。WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
嵌入式PLC正是面向IPC和单片机系统开发的，它保留了PLC（借助梯形图语言）硬件管理和工艺控制分离的优势，结合IPC和单片机提供的更个性化、差异化的设计方法，形成一种新的控制器设计理念。当我们在IPC中嵌入PLC的功能时，我们称之为基于PC Base的嵌入式PLC，当我们在单片机中嵌入PLC功能时，我们称它为基于All ON One的嵌入式PLC（片级嵌入PLC）。未特别说明时，嵌入式PLC指片级嵌入式PLC，也就是本文提出的嵌入式PLC。以下描述以8位单片机C8051F040为硬件的以科威公司EASYV1.00版嵌入式PLC软件架构。P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
目前，关于专用PLC有软PLC和客制式PLC两种。软PLC指高端嵌入的含通用实时操作系统的PLC软件，客制式PLC是指根据用户需求定向设计的PLC。相关技术在德国、台湾、南韩均有突破，属于嵌入式PLC的范畴。WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
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2 嵌入式PLC软件架构WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
2.1 总体结构WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
EASY V1.00嵌入式PLC是一种实时性很强的操作系统软件，总体结构包括三个层面，如图1所示。WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
（1）嵌入式PLC内核 它完成实时任务调度，梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
（2）二次开发程序 通过内核提供的外挂任务，使用内核开发各种面向具体对象个性化差异化的驱动程序；WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
（3）终端应用程序 指面向工艺流程控制的梯形图语言编程；WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
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图1 EASY V1.00总体结构W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
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对于二次开发人员开发面向个性化对象的驱动程序，必须了解嵌入式PLC内核结构，尤其是驱动接口设计方法，下面分块介绍内核的各块功能。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
2.2 实时OSWWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
面向小型单片机，一般的实时操作系统无法加载，OS/Ⅱ 占用了过多的资源，EASY V1.00内核根据任务的类别、实时要求、定制了一款专用实时OS，它无文件系统和内存管理两部分。WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
（1）硬实时状态下的抢占式并发任务管理WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
EASY V1.00内核提供2.5ms基准时基，它作为一种不可剥夺的任务循环执行用于各类任务的监控管理。WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
对于工控应用中的异步事件采用并发式任务管理，通过各类中断抢占任务的挂起、执行，每类异步任务执行前，在2.5ms任务中注册，执行后注销，通过2.5ms时基监控并发任务的流量及阻塞状况并报字到上一级任务调度。WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
（2）EASY V1.00中异步任务WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
· 通信数据链络层的字节流WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
· 梯形图语言中的定时器WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
· 二次开发驱动程序中的实时异步任务WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
并发任务管理是EASY V1.00中最低层的任务管理，达到ms级实时效果，单位时间内（1ms）占用CPU机时峰值为:WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
T并＝ WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
Ni——1ms内任务的最大执行次数，ti——任务的一次执行最大时间。WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
EASY V1.00并发任务实时数据见表1、表2。WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
表1 EASY V1.00并发任务实时数据WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
任务类别 不可剥夺任务 通信字节流任务 梯形图定时器 驱动并发任务WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
2.5ms时基 串口0 串口1 CAN WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
执行次数（N1） 1 1 1 1 1 ND——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
执行时间（T） 10μs+ΔT 25μs 25μs 50μs 40μs tDWWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
表2 EASY V1.00并发任务实时数据plcjs.技.术_网
任务类别 梯形图 通讯 函数调用 用户软中断WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
任务个数 1 3 1 m4WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
任务时间 1-20μs 1-10μs 1-5μs t4WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
T片＝3－45μs+t4WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
t4为用户软中断任务占用时间和。W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
“扫描周期”指解释、执行所有梯形图指令并执行扫描结束处理所占用的时间，由于这期间有并发任务产生，“扫描周期”应包括并发任务占用时间。WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
并发任务占用比：WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
X＝T并/ 1ms ＝ （150μs+ΔT+ ）/1000μs ＝15%－100%P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
设用户梯形图含M条指令——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
T扫＝（M•T片+ΔTend）/XWWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
ΔTend为扫描结束处理占用时间。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
2.3 内存管理W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
ESAYV1.00的运行数据空间包括64K外部RAM+256字节CPURAM，将其分解为系统占用区、PLC资源区、用户嵌入数据区三部分。WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
（1）系统占用区WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
系统占用区是EASYV1.00运行时，进行数据缓存、状态保持、系WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
统堆栈等不对PLC及用户开设的域区。这部分数据区的初始化运行中的监视都由实时OS管理，PLC及用户嵌入程序不得非法侵入。P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
（2）PLC资源区P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
梯形图语言管理的数据区包括位区、字区两部分。通常以元件形式体现。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
·输入继电器X：X0-X177 128点位型P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
·输出继电器Y：Y0-Y177 128点位型plcjs.技.术_网
·中间继电器M：M0-M1535 1536点位型WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
·专用中间继电器M8000-M8255 256点位型WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
·状态继电器S：S0-S999 1000点位型WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
·时间继电器T：T0-T255 256点位型+字型WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
·计数器C：C0-C255 256点位型+字型WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
·通用数据寄存器D：D0-D7999 8000个字型WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
·专用数据寄存器D：D8000-D8255 256个字节WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
所有PLC资源是梯形图运行时进行数据存取的区域，是终端应用层可视化区域，用户嵌入的驱动程序，可使用对应元件的绝对地址进行存取，实现了嵌入程序与PLC梯形图之间的数据交换。WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
（3）用户嵌入数据区WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
当用户以EASYV1.00内核设计各种嵌入系统时，需针对具体硬件做必要的驱动程序，该部分程序的私有数据存放于用户嵌入数据区，公有数据存放于PLC的资源区，用户嵌入数据区分配如下：——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
CPU内部：位区（bitRAM）:20H-23H 4bytesWWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
字节区（DRAM）:58H-67H 16bytes——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
外部数据存取器：字节区（XRAM）:3600H-3FFFH 2560bytesWWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
2.4 梯形图语言WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
EASYV1.00梯形图语言是一种解释性语言，每一条梯形图语句对应一个固定的函数调用，逐句扫描直至END为一个扫描周期，EASYV1.00支持86条梯形图指令。WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（1）基本指令(27条) WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
助记符 名称 助记符 名称——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
LD 读取常开点 LDF 读取下降沿P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
LDI 读取常闭点 ANDP 串接上升沿WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
AND 串入常开点 ANDF 串接下降沿WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
ANDI 串入常闭点 ORP 并接上升沿WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
OR 并入常开点 ORF 并接下降沿WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户
ORI 并入常闭点 INV 运算触点取反WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
ANB 电路块串联 MPS 运算触点压栈WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
ORB 电路块并联 MRD 读出压栈触点WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
OUT 线圈输出 MPP 弹出压栈触点WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
SET 线圈输出保持 MC 主控P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
RST 清除线圈输出 MCR 主控结束WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
PLS 上升沿输出脉冲 NOP 空操作WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
PLF 下降沿输出脉冲 END 程序结束WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
LDP 读取上升沿 WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
（2）步进顺控指令(2条) WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
助记符 名称 助记符 名称plcjs.技.术_网
STL 步进梯形图开始 RET 步进梯形图结束P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
注：步序状态转移只能用SET,当用OUT时视作普通继电器。WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
（3）功能指令(56条)WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
助记符 名称 助记符 名称WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
程序流程 CJ 条件跳转 浮点数运算 ECMP 2进制浮点数比较WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
CALL 子程序调用 EZCP 2进制浮点数区域比较WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
SRET 子程序返回 EBCD 2进制浮点数转10进制浮点数WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
FEND 主程序结束 EBIN 10进制浮点数转2进制浮点数WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
FOR 循环范围开始 EADD 2进制浮点数加法WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
NEXT 循环范围结束 ESUB 2进制浮点数减法WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
传送与比较 CMP 比较 EMUL 2进制浮点数乘法WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
ZCP 区域比较 EDIV 2进制浮点数除法WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
MOV 传送 ESQR 2进制浮点数开方WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
CML 取反传送 INT 2进制浮点数转BIN整数WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
BCD BCD转换 FLT BIN整数转2进制浮点数P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
BIN BIN转换 接点运算 LD= 读取“等于比较节点”plcjs.技.术_网
四则逻辑运算 ADD BIN加法 LD> 读取“大于比较节点”WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
SUB BIN减法 LD< 读取“小于比较节点”WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
MUL BIN乘法 LD<> 读取“不等于比较节点”plcjs.技.术_网
DIV BIN除法 LD≦ 读取“小于等于比较节点”P_L_C_技_术_网——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
INC BIN加1 LD≧ 读取“大于等于比较节点”WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
DEC BIN减1 AND= 串联“等于比较节点”WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
WAND 逻辑字与 AND> 串联“大于比较节点”W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
WOR 逻辑字或 AND< 串联“小于比较节点”WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
WXOR 逻辑字异或 AND<> 串联“不等于比较节点”WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
NEG 求补码 AND≦ 串联“小于等于比较节点”plcjs.技.术_网
SQR BIN开方 AND≧ 串联“大于等于比较节点”WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
循环与移位 ROR 循环右移 OR= 并联“等于比较节点”WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
ROL 循环左移 OR> 并联“大于比较节点”WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
RCR 带进位循环右移 OR< 并联“小于比较节点”WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
RCL 带进位循环左移 OR<> 并联“不等于比较节点”WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
OR≦ 并联“小于等于比较节点”WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
OR≧ 并联“大于等于比较节点”——可——编——程——控－制－器－技——术——门——户
（4）专家指令(1条)WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
助记符 名称WWW_PLC※JS_COM－PLC－技.术_网(可编程控※制器技术门户)
PID 专家算法WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
2.5 EASYV1.00通信WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
EASYV1.00内核包括串口0、串口1、CANbus三个通信接口，每个接口均定制了相应的通信协议，适用于不同的应用场合。WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（1）串口0W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
l 用户嵌入程序下载P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
在编程状态下,通过串口0下载用户嵌入程序.P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
嵌入程序下载软件为科威公司软件Downhex.WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
l 梯形图下载WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
在设置状态下,通过串口0下载梯形图程序.WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
下载工具软件为科威公司软件EasyWin或三菱公司软件FXGP_WIN-C.W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
l 梯形图程序监控WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
在运行状态下,通过串口0连接人机界面(如HITECH,EVIEW,DELTA,三菱等)和计算机,对梯形图程序和控制参数进行监控.WWcW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
（2）串口1WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
l 下载CAN网络配置内容WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
在设置(SET)状态下,下载CAN网络配置内容.WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
编辑下载CAN网络配置软件为科威公司软件CANSET.WW.W_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
l RS485网络连接端口W1WW_P4LCJS_COM－PLC－技.术_网
在运行(RUN)状态下,作为RS485主从式网络的数据交换接口.WWW_PLC※JS_COM－PmLC－技.术_网
该接口网络通信协议由内核自动加载,遵循该协议的子节点可自动连入该网络.如运动控制器的扩展键盘连接.WWW_PLCJ－S_COM－PLC－技.术_网(可－编程控－制器技术－门户)
（3）CANbus通信WWW_PL※CJS_COM－PLC－技.术_网
EASYV1.00内核含CANbus现场总线通信协议，在CAN2.0B基础上，加载了专用的主从式结构的高层协议，借助梯形图语言，对CANbus占用的PLC资源进行管理（CANbus文件寄存器）即可实现CANbus互连。WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
2.6 函数调用WWW_PLCJS@_COM%－PLC－技.术_网
EASYV1.00系统提供嵌入驱动程序函数调用，为嵌入程序设计系统提供了EASYCORE.LIB函数库，用户在嵌入时，只要包含该文件（include EASYCORE.LIB）即可调用系统提供的各类应用函数，如整数、浮点数运算，数据变换等函数。WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
2.7 用户中断系统WWW※PLCJS_COM－PL＃C－技.术_网(可编※程控※制器技术门户)
EASYV1.00运行在C8051F040CPU上时，给用户提供了13种中断，如事件中断、SPI、IIC、A/D、D/A、比较、捕获等。WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
系统中断入口地址重定向为E000H开始的区域P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户
ADR=ADR0+E000HWW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
ADR0---F040中断入口地址WWW_P※LCJS_COM－PLC－)技.术_网
3 结束语WWW_PLCJS_COM－PLC－技.术_网
嵌入式PLC提出了一种以过程控制语言（梯形图语言）核心的新型嵌入系统设计理念。既可以作为PLC产品的开发平台，也可以作为常规单片机系统的设计。以嵌入式PLC方式进行控制器设计提高了开发速度，更适应贴近客户需求的个性化、差异化设计要求。面对工控市场日益细分的完备体系，嵌入式PLC在DCS、IPC、PLC、单片机的交叉市场中具有广阔的应用前景。plcjs.技.术_网
参考文献WWW_P※LCJS_CO※M－PLC－技－.术_网
[1] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京:北京航空航天大学出版社,1996WWW_PLCJS※COM－PLC－技×术_网(可编程控※制器技术门户)
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[3] C8051F040 Datasheet.SILICON LABORATORIES.2003WW.W_PLC※JS_C,OM－PL,C－技.术_网
[4] 三菱FX系列编程手册.三菱电机WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
[5] 嵌入式PLC原理与应用.黄石市科威自控有限公司,2004WWW_PLCJS※COM－PLC－技.术_网(可※编程控※制器技术门户)
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