基于嵌入式系统硬件平台的软件PLC实现设计

1．1嵌入式软PLC的硬件结构

外部输入的开关量经过光电隔离后连接到FPGA的I／O口，通过FPGA地址译码，FPGA通过数据地址总线与CPU相连。这样CPU就可以通过数据地址总线获得和设置输入量的工作状态，硬件原理框图如图1所示。



1．2嵌入式软PLC的软件结构

嵌入式软PLC程序包括两类：一类是编辑状态，实现PLC程序的输入和编译功能；另一类是面向生产过程的应用程序。系统软件结构由4部分组成，分别是编辑模块、编译模块、执行模块和监控模块。

软件PlC系统模块间的数据流程如图2所示。

2系统关键组成部分的设计与实现

2．1梯形图编辑器

Qt／Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech推出的面向嵌入式系统的Qt版本。Qt/Embedded具有可移植性强和支持跨平台开发等优点。本系统采用Qt编写界面，梯形图编辑器的界面如图3所示。



2．1．1梯形图的数据结构设计

梯形图编辑具有方便、逻辑直观的特点，梯形图编辑器借助于梯形图的内部数据结构来实现显示、插入、删除、代码转化等功能。

PLC语言中，各种元素包括单个节点(如常开触点、常闭触点等)和逻辑块(如与逻辑块、或逻辑块)，它们都含有相同的操作，如插入、删除、绘图等。可以把组成梯级的各个逻辑块看成组成梯级的各个部分，把组成逻辑块的子逻辑块和单个节点看成是组成逻辑块的各个部分，符合“部分一整体”的层次结构。可以采用面向对象的设计思想，使用composite模式递归地创建树状结构。使用组合结构，能够把相同的操作应用在组合和个别的对象上。大多数情况下，可以忽略对象组合和个别对象之间的差别，简化程序代码，增强了软件的可维护性。采用composite模式的类图[1]如图4所示。



图中：LadderElement是一个抽象类，为组合对象的接口。代表梯形图语言的任何一个图形元素，它既可以代表元件又可以代表逻辑块，在适当的情况下可以实现所有类共同的缺省行为，如绘图和代码转换等；LadderCell为所有元件类(如常开触点、常闭触点、输出、置位、复位)的基类；LadderBlock为所有逻辑块(如与逻辑块类、或逻辑块类等)的基类。

图5为一个梯级和它对应的数据结构，OrBlock为或逻辑块类的对象，AndBlock为与逻辑块类的对象，Rung为梯级类的对象。



此外，为了能够方便地进行绘图和编辑，引入了一个空元件类。它的作用是梯形图中的水平连接线，实现方法是继承LadderCell类，重新实现成员函数Draw()来画一条水平的线段。

2．1．2编辑功能的设计与实现



将屏幕分割成一定数目的小的区域，并创建含有相同数目的二维数组。当绘制元件时，将元件、元件所在的逻辑块和元件所在的梯级指针保存到数组中，通过光标在屏幕上的坐标可以获得二维数组的下标，从而可以获得光标所在的元件、逻辑块和梯级在内存中与之相对应的对象。

梯形图的编辑通过改变其在内存中的数据结构来实现，在数据结构被改变后，重新绘图。对梯形图的编辑包括：插入元件、插入分支、插入梯级、删除元件和删除梯级等。篇幅所限只作简要介绍。

删除元件：删除LadderBlock中的一个元件Ladder—Cell(A)后，如果LadderBlock中只剩下一个LadderCell(B)时，LadderCell(B)取代LadderBlock的位置，插入到LadderBlock的父LadderBlock中；如果LadderBlock中只剩下一个LadderBlock(B)，则将LadderBlock(B)的所有LadderElement插入到LadderBlock的父LadderBlock中。图5中的梯级删除元件X004后梯形图和其数据结构变为图6所示的情况。





插入分支：通过光标在屏幕上两次选择分支的起始和结束位置，这两个位置必须属于同一个AndBlock(A)。起始和结束位置选择后，将两个位置问的LadderElement作为分支构成一个AndBlock(B)并计算出AndBlock(B)所占的列数n，然后新建一个表示插入分支的AndBlock(C)，AndBlock(C)中插入n个空元件。建一个OrBlock并将AndBlock(B)和AndBlock(C)插入到OrBlock中。OrBlock即表示插入分支后的或逻辑块。OrBlock取代两次选中之间的元素在它们的父逻辑块中的位置，然后根据修改后的数据结构画图得到插入分支后的梯形图。图7为在M001和X006插入分支前后梯形图的变化。



2．2指令表编译器的设计与实现

实现对PLC编程语言的高效、可靠的编译，是研制开发嵌入式PLC系统的一项关键性任务。传统的开发方法是用高级语言自行开发专用的PLC指令编译器，需要对每个程序字和程序规则编写识别和相应的处理程序，工作量大、开发周期长，容易产生疏漏，可维护性很差。为了提高软件的开发效率，保证软件质量，增强软件的可维护性，采用通用编译工具Lex&Yacc：开发PLC指令编译器。

2．2．1Lex&Yacc简介

Lex&Yacc是美国贝尔实验室用C语言研制的词法分析程序和语法分析程序的自动生成工具，是目前使用最广泛的编译软件之一。Lex是词法分析程序生成器，Yacc’是语法分析程序生成器。它们可以根据用户提供的词法、语法规范文件，自动转化为多种高级语言源代码，如C或C++等。[2]

2．2．2编译器总体结构

所谓“遍”，是对源程序或其等价的中间语言程序从头到尾扫描并完成规定任务的过程[2]。本系统的编译过程包含三遍，分别进行词法分析、语法分析和代码转换。

2．2．3词法分析器设计

指令表源程序可以简单地被看成一个多行的字符串。词法分析器从上到下、从左到右逐个字符地对源程序进行扫描，产生一个个单词符号，把字符串的源程序改造成为单词符号串的中间程序，用于随后的语法分析。

本系统的词法分析器有两种工作状态：一是从头到尾对源程序进行扫描，检查出所有的词法错误；二是当没有词法错误时，从头到尾对源程序进行扫描，将识别出的单词符号输入给语法器。

2．2．4语法分析器设计

(1)PLC指令表语言的语法描述

分析PLC指令程序结构，提取隐藏在指令代码中的结构信息，这种信息中往往会有操作指令被隐含地表达出来。例如：指令OR／ORB与梯形图中的并联结构对应，而AND／ANB则与梯形图中的串联结构对应。

部分PLC指令语句的文法用巴科斯范式描述如下



按照yacc的语法规则，对应于巴科斯范式描述写出yacc源程序后，用“yacc-dv plcil．y”指令转换成语法分析器的C语言源程序yyparse。

(2)将PLC指令表转换为二进制代码

PLC指令表源程序的二进制文件格式为：每条指令的二进制编码占32位，操作符的编码与元件编码相加作为目标代码的高16位，低16位为元件的编号。例如，操作符LD的编码为0xFF00，元件X的编码为Ox01，指令LD X1的编码为OxFF010001。

指令表编译器的代码转换功能由yacc源程序规则的动作部分来实现。当语法分析器识别出一条完整的指令时，就将其对应的二进制代码保存到文件中。

(3)将PLC指令表转换为树形结构

Yacc语法分析程序通过寻找可以匹配目前为止所看到的标记的规则来工作。Yacc处理语法分析程序时创建了一组状态，每个状态都反映一个或多个部分地被分析的规则中的一个可能的位置。当语法分析程序读取标记时，每次它读取一个没完成规则的标记，就把它压入内部堆栈中并切换到一种反映它刚刚读取的标记的新状态。这个动作称为移进(shift)。当它发现组成某条规则右侧的全部符号时，它就把右侧符号弹出堆栈，而将左侧符号压入堆栈中，并且切换到反映堆栈上新符号的新状态。这个动作成为规约(reduction)。当yacc规约规则时，它都执行与这条规则有关的用户代码。[4]

利用堆栈的思想实现指令表语言向梯形图树形结构的转换。自定义一个栈Stack，可以压入和弹出指向Lad—derElement类型的对象的指针。在进行代码转换时，栈Stack动作与语法分析栈的动作不同。当yacc解析到如LD／IDI、AND／ANI等含有元件的指令语句时，将这些指令中的元件入栈(如上述代码中的B、C行)，逻辑块的构造在其对应的语法规则的动作部分实现。

2．3执行模块的设计与实现

2．3．1逻辑运算算法推导

下面列一段简单的PIC程序来介绍逻辑运算算法的推导过程：

①LDX1

②ORX6

③ORIM1

④OUT Y5

⑤LDIY5

⑥AND X7

⑦ORM2

(ANIX10

⑨ORIM3

⑩OUT M4

⑩END

定义OR、ORI、ORB的或操作为加法“+”，AND、ANI、ANB的与操作为乘法“*”，取反操作为“[]”。则上述程序清单中的输出Y5和M103分别等于：

Y5=X4+X6+[M1]

M4=([Y5]*x7+M2)*[X10]+[M3]

上式的所有运算符只会连接两个变量或者一个变量和一个表达式。由于扫描过程是顺序执行的，因此可以为上述计算过程建立计算堆栈。建立递增的堆栈，则计算过程和堆栈中的数据变化如表1所列。



2．3．2执行模块的实现

本系统的执行模块是由RTLinux的实时线程模块来实现的，它运行于内核态。系统开机立即加载执行模块，并将PLC的二进制代码从文件中复制到共享内存中，执行模块解释共享内存中的PLC指令表的二进制代码，按照用户输入的逻辑，完成开关量的控制，工作流程如图8所示。

2系统关键组成部分的设计与实现

2．1梯形图编辑器

Qt／Embedded是著名的Qt库开发商Trolltech推出的面向嵌入式系统的Qt版本。Qt/Embedded具有可移植性强和支持跨平台开发等优点。本系统采用Qt编写界面，梯形图编辑器的界面如图3所示。



2．1．1梯形图的数据结构设计

梯形图编辑具有方便、逻辑直观的特点，梯形图编辑器借助于梯形图的内部数据结构来实现显示、插入、删除、代码转化等功能。

PLC语言中，各种元素包括单个节点(如常开触点、常闭触点等)和逻辑块(如与逻辑块、或逻辑块)，它们都含有相同的操作，如插入、删除、绘图等。可以把组成梯级的各个逻辑块看成组成梯级的各个部分，把组成逻辑块的子逻辑块和单个节点看成是组成逻辑块的各个部分，符合“部分一整体”的层次结构。可以采用面向对象的设计思想，使用composite模式递归地创建树状结构。使用组合结构，能够把相同的操作应用在组合和个别的对象上。大多数情况下，可以忽略对象组合和个别对象之间的差别，简化程序代码，增强了软件的可维护性。采用composite模式的类图[1]如图4所示。



图中：LadderElement是一个抽象类，为组合对象的接口。代表梯形图语言的任何一个图形元素，它既可以代表元件又可以代表逻辑块，在适当的情况下可以实现所有类共同的缺省行为，如绘图和代码转换等；LadderCell为所有元件类(如常开触点、常闭触点、输出、置位、复位)的基类；LadderBlock为所有逻辑块(如与逻辑块类、或逻辑块类等)的基类。

图5为一个梯级和它对应的数据结构，OrBlock为或逻辑块类的对象，AndBlock为与逻辑块类的对象，Rung为梯级类的对象。



此外，为了能够方便地进行绘图和编辑，引入了一个空元件类。它的作用是梯形图中的水平连接线，实现方法是继承LadderCell类，重新实现成员函数Draw()来画一条水平的线段。

2．1．2编辑功能的设计与实现



将屏幕分割成一定数目的小的区域，并创建含有相同数目的二维数组。当绘制元件时，将元件、元件所在的逻辑块和元件所在的梯级指针保存到数组中，通过光标在屏幕上的坐标可以获得二维数组的下标，从而可以获得光标所在的元件、逻辑块和梯级在内存中与之相对应的对象。

梯形图的编辑通过改变其在内存中的数据结构来实现，在数据结构被改变后，重新绘图。对梯形图的编辑包括：插入元件、插入分支、插入梯级、删除元件和删除梯级等。篇幅所限只作简要介绍。

删除元件：删除LadderBlock中的一个元件Ladder—Cell(A)后，如果LadderBlock中只剩下一个LadderCell(B)时，LadderCell(B)取代LadderBlock的位置，插入到LadderBlock的父LadderBlock中；如果LadderBlock中只剩下一个LadderBlock(B)，则将LadderBlock(B)的所有LadderElement插入到LadderBlock的父LadderBlock中。图5中的梯级删除元件X004后梯形图和其数据结构变为图6所示的情况。





插入分支：通过光标在屏幕上两次选择分支的起始和结束位置，这两个位置必须属于同一个AndBlock(A)。起始和结束位置选择后，将两个位置问的LadderElement作为分支构成一个AndBlock(B)并计算出AndBlock(B)所占的列数n，然后新建一个表示插入分支的AndBlock(C)，AndBlock(C)中插入n个空元件。建一个OrBlock并将AndBlock(B)和AndBlock(C)插入到OrBlock中。OrBlock即表示插入分支后的或逻辑块。OrBlock取代两次选中之间的元素在它们的父逻辑块中的位置，然后根据修改后的数据结构画图得到插入分支后的梯形图。图7为在M001和X006插入分支前后梯形图的变化。



2．2指令表编译器的设计与实现

实现对PLC编程语言的高效、可靠的编译，是研制开发嵌入式PLC系统的一项关键性任务。传统的开发方法是用高级语言自行开发专用的PLC指令编译器，需要对每个程序字和程序规则编写识别和相应的处理程序，工作量大、开发周期长，容易产生疏漏，可维护性很差。为了提高软件的开发效率，保证软件质量，增强软件的可维护性，采用通用编译工具Lex&Yacc：开发PLC指令编译器。

2．2．1Lex&Yacc简介

Lex&Yacc是美国贝尔实验室用C语言研制的词法分析程序和语法分析程序的自动生成工具，是目前使用最广泛的编译软件之一。Lex是词法分析程序生成器，Yacc’是语法分析程序生成器。它们可以根据用户提供的词法、语法规范文件，自动转化为多种高级语言源代码，如C或C++等。[2]

2．2．2编译器总体结构

所谓“遍”，是对源程序或其等价的中间语言程序从头到尾扫描并完成规定任务的过程[2]。本系统的编译过程包含三遍，分别进行词法分析、语法分析和代码转换。

2．2．3词法分析器设计

指令表源程序可以简单地被看成一个多行的字符串。词法分析器从上到下、从左到右逐个字符地对源程序进行扫描，产生一个个单词符号，把字符串的源程序改造成为单词符号串的中间程序，用于随后的语法分析。

本系统的词法分析器有两种工作状态：一是从头到尾对源程序进行扫描，检查出所有的词法错误；二是当没有词法错误时，从头到尾对源程序进行扫描，将识别出的单词符号输入给语法器。

2．2．4语法分析器设计

(1)PLC指令表语言的语法描述

分析PLC指令程序结构，提取隐藏在指令代码中的结构信息，这种信息中往往会有操作指令被隐含地表达出来。例如：指令OR／ORB与梯形图中的并联结构对应，而AND／ANB则与梯形图中的串联结构对应。

部分PLC指令语句的文法用巴科斯范式描述如下



按照yacc的语法规则，对应于巴科斯范式描述写出yacc源程序后，用“yacc-dv plcil．y”指令转换成语法分析器的C语言源程序yyparse。

(2)将PLC指令表转换为二进制代码

PLC指令表源程序的二进制文件格式为：每条指令的二进制编码占32位，操作符的编码与元件编码相加作为目标代码的高16位，低16位为元件的编号。例如，操作符LD的编码为0xFF00，元件X的编码为Ox01，指令LD X1的编码为OxFF010001。

指令表编译器的代码转换功能由yacc源程序规则的动作部分来实现。当语法分析器识别出一条完整的指令时，就将其对应的二进制代码保存到文件中。

(3)将PLC指令表转换为树形结构

Yacc语法分析程序通过寻找可以匹配目前为止所看到的标记的规则来工作。Yacc处理语法分析程序时创建了一组状态，每个状态都反映一个或多个部分地被分析的规则中的一个可能的位置。当语法分析程序读取标记时，每次它读取一个没完成规则的标记，就把它压入内部堆栈中并切换到一种反映它刚刚读取的标记的新状态。这个动作称为移进(shift)。当它发现组成某条规则右侧的全部符号时，它就把右侧符号弹出堆栈，而将左侧符号压入堆栈中，并且切换到反映堆栈上新符号的新状态。这个动作成为规约(reduction)。当yacc规约规则时，它都执行与这条规则有关的用户代码。[4]

利用堆栈的思想实现指令表语言向梯形图树形结构的转换。自定义一个栈Stack，可以压入和弹出指向Lad—derElement类型的对象的指针。在进行代码转换时，栈Stack动作与语法分析栈的动作不同。当yacc解析到如LD／IDI、AND／ANI等含有元件的指令语句时，将这些指令中的元件入栈(如上述代码中的B、C行)，逻辑块的构造在其对应的语法规则的动作部分实现。

2．3执行模块的设计与实现

2．3．1逻辑运算算法推导

下面列一段简单的PIC程序来介绍逻辑运算算法的推导过程：

①LDX1

②ORX6

③ORIM1

④OUT Y5

⑤LDIY5

⑥AND X7

⑦ORM2

(ANIX10

⑨ORIM3

⑩OUT M4

⑩END

定义OR、ORI、ORB的或操作为加法“+”，AND、ANI、ANB的与操作为乘法“*”，取反操作为“[]”。则上述程序清单中的输出Y5和M103分别等于：

Y5=X4+X6+[M1]

M4=([Y5]*x7+M2)*[X10]+[M3]

上式的所有运算符只会连接两个变量或者一个变量和一个表达式。由于扫描过程是顺序执行的，因此可以为上述计算过程建立计算堆栈。建立递增的堆栈，则计算过程和堆栈中的数据变化如表1所列。



2．3．2执行模块的实现

本系统的执行模块是由RTLinux的实时线程模块来实现的，它运行于内核态。系统开机立即加载执行模块，并将PLC的二进制代码从文件中复制到共享内存中，执行模块解释共享内存中的PLC指令表的二进制代码，按照用户输入的逻辑，完成开关量的控制，工作流程如图8所示。

3小结

嵌入式软PLC最突出的特点是，借助于嵌人式系统的硬件平台用软件的方法实现标准PLC的功能，代替专用控制器，结构开放，开发周期短、成本低，具有良好的应用前景。虽然文中PLC指令采用的是日本三菱公司Fx2N可编程控制器系列指令，但是只需稍作修改即可用于其他厂商的产品。目前该嵌入式软PLC已成功应用于数控铣床中，完全满足控制要求。