基于ARM开发平台的软PLC系统设计与实现.pdf
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1、设计与分析Sheji yuFenxi基于ARM开发平台的软PLC系统设计与实现翟源康蒋毅安伟周洪(江南大学,江苏无锡2 14 0 0 0)摘要:传统的PLC在使用过程中存在很多缺陷,为了解决其兼容性差、成本高等问题,设计并实现了基于ARM开发平台的软PLC系统。选取了软PLC系统的硬件平台和开发软件,通过对系统内核的改造将硬件与软件结合构成软PLC系统,利用安川电机对系统进行测试,结果表明系统具有可行性,为工业控制提供了一种新方案。关键词:ARM;软PLC;内核中图分类号:TP273+.5D0l:10.19514/32-1628/tm.2023.20.011文献标志码:A文章编号:16 7 1
2、-0 7 97(2 0 2 3)2 0-0 0 4 2-0 30引言随着工业技术的快速发展,传统的PLC已经成为成熟的设备,被广泛应用在工业控制领域。然而在使用过程中,人们逐渐认识到传统PLC存在诸多缺陷,如性价比低、兼容性差、维护性差等。近年来,IEC61131-3标准的普及和实施促进了软PLC技术的产生与发展,软PLC技术利用软件中的程序逻辑代替传统PLC中的继电器电路,可以完成同传统PLC一样的控制功能。相比于传统PLC,软PLC在灵活性、兼容性、数据处理能力、通信能力等方面都具有较大优势。软PLC技术起步于国外,目前出现了许多成熟的产品,如西门子公司的SIMATICWinAC控制软件I
3、、三菱公司的GX-Developer编程软件 2 、Entertron公司的SK1600-RIC型嵌入式控制器 3 等。相比于国外,国内对于软PLC的研究与应用相对落后,但是近年来许多高校和企业也开始关注软PLC,如清华大学、南京理工大学、步科等。目前国内的软PLC产品主要应用于一些安全性较低的场景,很少在工业控制领域见到软PLC的身影。本文以ARM开发平台为运行载体,以CoDeSys为开发软件,在ARM开发平台上安装系统,对系统内核进行改造,移植CoDeSys实时核系统,搭建了基于ARM开发平台的软PLC系统。1系统总体方案为了更好地实现软PLC控制系统的搭建,搭载系统的硬件平台应该具备成本
4、低廉、性能可靠、开发简便等特点,基于ARM处理器的开发板可以满足这个需求 4 。针对开发板上的运行系统,Ubuntu系统是一个很好的选择,Ubuntu系统属于Linux操作系统的分支,它的性能强大并且开源免费,有利于开发硬件资源和搭建软PLC系统。本文以北京讯为的iTOP-3399开发板为实验平台,该开发板以RK3399处理器为核心,RK3399处理器是一款ARM架构的处理器,性能强大,功耗较低。如图1所示,开发板上板载着丰富的资源,为搭建软PLC系统提供了极大的便利性。本文选取了德国3S公司的CoDeSys作为软PLC的编程与开发工具,CoDeSys功能强大,性能可靠,被广泛应用于工业控制领
5、域。该工具分为三层,如图2所示,开发层是程序的集成开发环境,运行于PC平台上;设备层是程序解析运行的硬件平台,需要在硬件平台安装CoDeSys实时核系统;通信层负责完成开发层与设备层之间的通信任务。2车软PLC系统实现2.1Ubuntu系统内核改造首先在ARM开发平台上安装Ubuntu系统,由于软PLC对实时性有较高的要求,而Ubuntu系统的内核属于非抢占式内核 5,需要对其内核进行改造。本文选取为内核打入补丁的改造方案,改造线路如图3所示。由于原系统内核没有对应版本的补丁,而如果将版本不匹配的补丁打入实时内核会出现无法预测的问题,因此需要下载另一版本的内核以及和内核版本严格对应的实时补丁。
6、配置内核是根据系统需求,对内核进行参数设置和功能选择,以满足特定的42机电信息2 0 2 3年第2 0 期总第7 16 期Sheji yu Fenxi设计与分析GyroscopePCIE M.2IRDARTCWi-Fi/BTEDP-LCDSIMCardMICPHONEESCVOL-VOL+开发层IEC61131-3编辑器/编译器总线配置器CoDeSys应用开发层系统通信层CoDeSysOPC服务器CoDeSys网关服务器设备层CoDeSys实时核系统IEC61131-3应用程序图2 CoDeSys架构需求,在配置完成后通过编译生成可执行的二进制代码。各个芯片都有默认的配置文件,需要在默认文件的
7、基础上进一步修改,由于各个厂商生成的芯片不同,各个芯片的配置文件也存在很大差别。在内核源码中的arch/arm/configs文件夹下包含了不同芯片的defconfig文件,但是内核源码文件中提供的配置文EthernetOMENUPOWERRST硬件/现场可视化界面运动控制编程模块UART4GUARTCAMERA图1开发板资源件有限,不包含RK3399芯片的配置文件,公司的sdk包有rockchip_rk3399_defconfig文件,将该文件复制到内核源码的根目录下,并重新命名为.config文件,执行make menuconfig命令进一步配置内核。在编译内核之前,需要修改Makefil
8、e文件中的执行命令,在内核源码文件夹下执行sudovimMakefile命令,进行配置平台的修改,Makefile文件默认的配置平台为x86平台,利用搜索功能找到修改位置,将其修改为arm64,如图4 所示。然后修改编译工具,本文通过虚拟机生成内核的镜像文件,但是基于x86平台的虚拟机编译生成的镜像文件只适用于x86平台,无法在ARM平台上运行,为了在虚拟机中编译生成适用于ARM开发平台的镜像,需要使用交叉编译工具链,RK3399开发板的交又编译工具链在公司提供的sdk包中;下载sdk包后更改Makefile文件,添加交叉编译工具的具体位置,如图5所示。修改Makefile文件后,在命令行设置
9、环境变量,USB 3.0USBHOSTX4个GPIOMIPICAMERATFCardGPSElectroniccompassvLightSensorLEDBUZZERTYPE-CMIPITX/RXSPDIFMIPI TXHDMIPOWERLEDSWITCH下载内核与补丁打入补丁图3内核改造线路配置内核编译内核安装内核机电信息22023年第2 0 期总第7 16 期4 3设计与分析Sheji yuFenxi图4 修改配置平台图5修改编译路径井(CRoss_coMPILE specify the prefix used for all executables used#during compila
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