1 嵌入式軟PLC的總體結(jié)構(gòu)

　　嵌入式軟PLC與嵌入式系統(tǒng)共享一個(gè)CPU，PLC和嵌入式系統(tǒng)之間沒有多余的導(dǎo)線連接，增加了系統(tǒng)的可靠性，易于實(shí)現(xiàn)許多高級(jí)功能。PLC中的信息也能通過嵌入式系統(tǒng)的顯示屏顯示，通過嵌入式系統(tǒng)的編輯鍵可方便地對(duì)PLC進(jìn)行編輯操作。

　　1.1 嵌入式軟PLC的硬件結(jié)構(gòu)

　　外部輸入的開關(guān)量經(jīng)過光電隔離后連接到FPGA的I/O口，通過FPGA地址譯碼，F(xiàn)PGA通過數(shù)據(jù)地址總線與CPU相連。這樣CPU就可以通過數(shù)據(jù)地址總線獲得和設(shè)置輸入量的工作狀態(tài)，硬件原理框圖如圖1所示。

　　1.2 嵌入式軟PLC的軟件結(jié)構(gòu)

　　嵌入式軟PLC程序包括兩類：一類是編輯狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)PLC程序的輸入和編譯功能;另一類是面向生產(chǎn)過程的應(yīng)用程序。系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)由4部分組成，分別是編輯模塊、編譯模塊、執(zhí)行模塊和監(jiān)控模塊。軟件PLC系統(tǒng)模塊間的數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

　　2 系統(tǒng)關(guān)鍵組成部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.1 梯形圖編輯器

　　Qt/Embedded是著名的Qt庫開發(fā)商Trolltech推出的面向嵌入式系統(tǒng)的Qt版本。Qt/Embedded具有可移植性強(qiáng)和支持跨平臺(tái)開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用Qt編寫界面，梯形圖編輯器的界面如圖3所示。

　　2.1.1 梯形圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　梯形圖編輯具有方便、邏輯直觀的特點(diǎn)，梯形圖編輯器借助于梯形圖的內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)顯示、插入、刪除、代碼轉(zhuǎn)化等功能。

　　PLC語言中，各種元素包括單個(gè)節(jié)點(diǎn)（如常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)等）和邏輯塊（如與邏輯塊、或邏輯塊），它們都含有相同的操作，如插入、刪除、繪圖等。可以把組成梯級(jí)的各個(gè)邏輯塊看成組成梯級(jí)的各個(gè)部分，把組成邏輯塊的子邏輯塊和單個(gè)節(jié)點(diǎn)看成是組成邏輯塊的各個(gè)部分，符合“部分一整體”的層次結(jié)構(gòu)。可以采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，使用composite模式遞歸地創(chuàng)建樹狀結(jié)構(gòu)。使用組合結(jié)構(gòu)，能夠把相同的操作應(yīng)用在組合和個(gè)別的對(duì)象上。大多數(shù)情況下，可以忽略對(duì)象組合和個(gè)別對(duì)象之間的差別，簡(jiǎn)化程序代碼，增強(qiáng)了軟件的可維護(hù)性。采用composite模式的類圖如圖4所示。

　　圖中：LadderElement是一個(gè)抽象類，為組合對(duì)象的接口。代表梯形圖語言的任何一個(gè)圖形元素，它既可以代表元件又可以代表邏輯塊，在適當(dāng)?shù)那闆r下可以實(shí)現(xiàn)所有類共同的缺省行為，如繪圖和代碼轉(zhuǎn)換等;LadderCell為所有元件類（如常開觸點(diǎn)、常閉觸點(diǎn)、輸出、置位、復(fù)位）的基類;LadderBlock為所有邏輯塊（如與邏輯塊類、或邏輯塊類等）的基類。

　　圖5為一個(gè)梯級(jí)和它對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，OrBlock為或邏輯塊類的對(duì)象，AndBloek為與邏輯塊類的對(duì)象，Rung為梯級(jí)類的對(duì)象。

　　此外，為了能夠方便地進(jìn)行繪圖和編輯，引入了一個(gè)空元件類。它的作用是梯形圖中的水平連接線，實(shí)現(xiàn)方法是繼承LadderCell類，重新實(shí)現(xiàn)成員函數(shù)Draw（）來畫一條水平的線段。

　　2.1.2 編輯功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　定義結(jié)構(gòu)體：

　　將屏幕分割成一定數(shù)目的小的區(qū)域，并創(chuàng)建含有相同數(shù)目的二維數(shù)組。當(dāng)繪制元件時(shí)，將元件、元件所在的邏輯塊和元件所在的梯級(jí)指針保存到數(shù)組中，通過光標(biāo)在屏幕上的坐標(biāo)可以獲得二維數(shù)組的下標(biāo)，從而可以獲得光標(biāo)所在的元件、邏輯塊和梯級(jí)在內(nèi)存中與之相對(duì)應(yīng)的對(duì)象。

　　梯形圖的編輯通過改變其在內(nèi)存中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被改變后，重新繪圖。對(duì)梯形圖的編輯包括：插入元件、插入分支、插入梯級(jí)、刪除元件和刪除梯級(jí)等。篇幅所限只作簡(jiǎn)要介紹。

　　刪除元件：刪除LadderBlock中的一個(gè)元件Ladder一Cell（A）后，如果LadderBlock中只剩下一個(gè)LadderCell（B）時(shí)，LadderCell（B）取代LadderBlock的位置，插入到LadderBlock的父LadderBlock中;如果LadderBlock中只剩下一個(gè)LadderBlock（B），則將LadderBlock（B）的所有LadderElement插入到LadderBlock的父LadderBlock中。圖5中的梯級(jí)刪除元件X004后梯形圖和其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變?yōu)閳D6所示的情況。

　　插入分支：通過光標(biāo)在屏幕上兩次選擇分支的起始和結(jié)束位置，這兩個(gè)位置必須屬于同一個(gè)AndBlock（A）。起始和結(jié)束位置選擇后，將兩個(gè)位置間的LadderElement作為分支構(gòu)成一個(gè)AndBlock（B）并計(jì)算出AndBlock（B）所占的列數(shù)n，然后新建一個(gè)表示插入分支的AndBlock（C），AndBlock（C）中插入n個(gè)空元件。建一個(gè)OrBlock并將AndBlock（B）和AndBlock（C）插入到0rBlock中。OrBlock即表示插入分支后的或邏輯塊。OrBlock取代兩次選中之間的元素在它們的父邏輯塊中的位置，然后根據(jù)修改后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)畫圖得到插入分支后的梯形圖。圖7為在M001和X006插入分支前后梯形圖的變化。

　　2.2 指令表編譯器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　實(shí)現(xiàn)對(duì)PLC編程語言的高效、可靠的編譯，是研制開發(fā)嵌入式PLC系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵性任務(wù)。傳統(tǒng)的開發(fā)方法是用高級(jí)語言自行開發(fā)專用的PLC指令編譯器，需要對(duì)每個(gè)程序字和程序規(guī)則編寫識(shí)別和相應(yīng)的處理程序，工作量大、開發(fā)周期長(zhǎng)，容易產(chǎn)生疏漏，可維護(hù)性很差。為了提高軟件的開發(fā)效率，保證軟件質(zhì)量，增強(qiáng)軟件的可維護(hù)性，采用通用編譯工具Lex8LYacc開發(fā)PLC指令編譯器。

　　2.2.1 Lex&Yacc簡(jiǎn)介

　　Lex 8L Yacc是美國貝爾實(shí)驗(yàn)室用C語言研制的詞法分析程序和語法分析程序的自動(dòng)生成工具，是目前使用最廣泛的編譯軟件之一。Lex是詞法分析程序生成器，Yacc是語法分析程序生成器。它們可以根據(jù)用戶提供的詞法、語法規(guī)范文件，自動(dòng)轉(zhuǎn)化為多種高級(jí)語言源代碼，如C或C++等。

　　2.2.2 編譯器總體結(jié)構(gòu)

　　所謂“遍”，是對(duì)源程序或其等價(jià)的中間語言程序從頭到尾掃描并完成規(guī)定任務(wù)的過程。本系統(tǒng)的編譯過程包含三遍，分別進(jìn)行詞法分析、語法分析和代碼轉(zhuǎn)換。

　　2.2.3 詞法分析器設(shè)計(jì)

　　指令表源程序可以簡(jiǎn)單地被看成一個(gè)多行的字符串。詞法分析器從上到下、從左到右逐個(gè)字符地對(duì)源程序進(jìn)行掃描，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)單詞符號(hào)，把字符串的源程序改造成為單詞符號(hào)串的中間程序，用于隨后的語法分析。

　　本系統(tǒng)的詞法分析器有兩種工作狀態(tài)：一是從頭到尾對(duì)源程序進(jìn)行掃描，檢查出所有的詞法錯(cuò)誤;二是當(dāng)沒有詞法錯(cuò)誤時(shí)，從頭到尾對(duì)源程序進(jìn)行掃描，將識(shí)別出的單詞符號(hào)輸入給語法器。

　　2.2.4 語法分析器設(shè)計(jì)

　　（1）PLC指令表語言的語法描述

　　分析PLC指令程序結(jié)構(gòu)，提取隱藏在指令代碼中的結(jié)構(gòu)信息，這種信息中往往會(huì)有操作指令被隱含地表達(dá)出來。例如：指令OR/0RB與梯形圖中的并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)，而AND/ANB則與梯形圖中的串聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)。

　　部分PLC指令語句的文法用巴科斯范式描述如下：

　　按照yacc的語法規(guī)則，對(duì)應(yīng)于巴科斯范式描述寫出yacc源程序后，用“yacc-dv plcil.y”指令轉(zhuǎn)換成語法分析器的C語言源程序yyparse。

　　（2）將PLC指令表轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼

　　PLC指令表源程序的二進(jìn)制文件格式為：每條指令的二進(jìn)制編碼占32位，操作符的編碼與元件編碼相加作為目標(biāo)代碼的高16位，低16位為元件的編號(hào)。例如，操作符LD的編碼為0xFF00，元件X的編碼為Ox01，指令LD X1的編碼為0xFF010001。

　　指令表編譯器的代碼轉(zhuǎn)換功能由yacc源程序規(guī)則的動(dòng)作部分來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)語法分析器識(shí)別出一條完整的指令時(shí)，就將其對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制代碼保存到文件中。

　　（3）將PLC指令表轉(zhuǎn)換為樹形結(jié)構(gòu)

　　Yacc語法分析程序通過尋找可以匹配目前為止所看到的標(biāo)記的規(guī)則來工作。Yacc處理語法分析程序時(shí)創(chuàng)建了一組狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)都反映一個(gè)或多個(gè)部分地被分析的規(guī)則中的一個(gè)可能的位置。當(dāng)語法分析程序讀取標(biāo)記時(shí)，每次它讀取一個(gè)沒完成規(guī)則的標(biāo)記，就把它壓入內(nèi)部堆棧中并切換到一種反映它剛剛讀取的標(biāo)記的新狀態(tài)。這個(gè)動(dòng)作稱為移進(jìn)（shift）。當(dāng)它發(fā)現(xiàn)組成某條規(guī)則右側(cè)的全部符號(hào)時(shí)，它就把右側(cè)符號(hào)彈出堆棧，而將左側(cè)符號(hào)壓入堆棧中，并且切換到反映堆棧上新符號(hào)的新狀態(tài)。這個(gè)動(dòng)作成為規(guī)約（reduction）。當(dāng)yacc規(guī)約規(guī)則時(shí)，它都執(zhí)行與這條規(guī)則有關(guān)的用戶代碼。

　　利用堆棧的思想實(shí)現(xiàn)指令表語言向梯形圖樹形結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。自定義一個(gè)棧Stack，可以壓入和彈出指向Lad—derElement類型的對(duì)象的指針。在進(jìn)行代碼轉(zhuǎn)換時(shí)，棧Stack動(dòng)作與語法分析棧的動(dòng)作不同。當(dāng)yacc解析到如LD/LD1、AND/ANI等含有元件的指令語句時(shí)，將這些指令中的元件入棧（如上述代碼中的B、C行），邏輯塊的構(gòu)造在其對(duì)應(yīng)的語法規(guī)則的動(dòng)作部分實(shí)現(xiàn)。

　　2.3 執(zhí)行模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　2.3.1 邏輯運(yùn)算算法推導(dǎo)

　　下面列一段簡(jiǎn)單的PLC程序來介紹邏輯運(yùn)算算法的推導(dǎo)過程：

　　①LD X1

　　②0R X6

　　③ORI M1

　　④OUT Y5

　　⑤LDI Y5

　　⑥AND X7

　　⑦OR M2

　　⑧ANI X10

　　⑨0RI M3

　　⑩OUT M4

　　⑩END

　　定義0R、ORI、ORB的或操作為加法“+”，AND、ANI、ANB的與操作為乘法“*”，取反操作為“［］”。則上述程序清單中的輸出Y5和M103分別等于：

　　上式的所有運(yùn)算符只會(huì)連接兩個(gè)變量或者一個(gè)變量和一個(gè)表達(dá)式。由于掃描過程是順序執(zhí)行的，因此可以為上述計(jì)算過程建立計(jì)算堆棧。建立遞增的堆棧，則計(jì)算過程和堆棧中的數(shù)據(jù)變化如表1所列。

　　2.3.2 執(zhí)行模塊的實(shí)現(xiàn)

　　本系統(tǒng)的執(zhí)行模塊是由RTLinux的實(shí)時(shí)線程模塊來實(shí)現(xiàn)的，它運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)。系統(tǒng)開機(jī)立即加載執(zhí)行模塊，并將PLC的二進(jìn)制代碼從文件中復(fù)制到共享內(nèi)存中，執(zhí)行模塊解釋共享內(nèi)存中的PLC指令表的二進(jìn)制代碼，按照用戶輸入的邏輯，完成開關(guān)量的控制，工作流程如圖8所示。

　　3 小 結(jié)

　　嵌入式軟PLC最突出的特點(diǎn)是，借助于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)用軟件的方法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)PLC的功能，代替專用控制器，結(jié)構(gòu)開放，開發(fā)周期短、成本低，具有良好的應(yīng)用前景。雖然文中PLC指令采用的是日本三菱公司FX2N可編程控制器系列指令，但是只需稍作修改即可用于其他廠商的產(chǎn)品。目前該嵌入式軟PLC已成功應(yīng)用于數(shù)控銑床中，完全滿足控制要求。