石新梅，曹 建＋，趙 亮，李宗燦，黃 兵

（1.中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2.中國(guó)科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 汽車電子工程中心，上海200050）

0 引 言

設(shè)備實(shí)時(shí)性不強(qiáng)一直是阻礙軟PLC 在工業(yè)控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題［1］。工業(yè)上提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的關(guān)鍵在于提高操作系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，如開發(fā)實(shí)施內(nèi)核［2］或者對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)性擴(kuò)展［3］，但此類方法大都成本高，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

前人對(duì)PLC的研究采用的都是基于共享內(nèi)存的循環(huán)掃描工作模式［4－6］，而此工作模式最重要的缺陷就是響應(yīng)時(shí)間可預(yù)測(cè)性不高。由循環(huán)掃描所引起的響應(yīng)時(shí)間滯后可達(dá)兩個(gè)掃描周期以上［7］，具體與編程方法等有關(guān)。目前循環(huán)掃描工作模式常用的改進(jìn)方法包括：根據(jù)任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求的不同而采用不同的掃描周期［8，9］、運(yùn)用不同的實(shí)時(shí)調(diào)度算法［10］、分時(shí)處理［11］、分區(qū)I／O 服務(wù)等等。但這些方法往往周期設(shè)置受限，或者程序設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜且可移植性不高，有的甚至以損失部分任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間為代價(jià)。

響應(yīng)速度雖說(shuō)是衡量一個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，但實(shí)時(shí)系統(tǒng)最重要的特征是執(zhí)行時(shí)間的可預(yù)測(cè)性［12］。因此，為了改善傳統(tǒng)PLC的實(shí)時(shí)性問(wèn)題，本文提出了收發(fā)信號(hào)工作模式。采用該模式的軟PLC 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崟r(shí)通信且具有很高的執(zhí)行時(shí)間可預(yù)測(cè)性，同時(shí)還可以減少由于循環(huán)帶來(lái)的CPU 資源消耗。

1 收發(fā)信號(hào)模式原理

1.1 Qt信號(hào)－槽機(jī)制介紹

Qt使用了一種元對(duì)象系統(tǒng)機(jī)制對(duì)C＋＋進(jìn)行了擴(kuò)展。頭文件中包含Q＿OBJECT 宏聲明的QObject子類，在編譯過(guò)程中，都會(huì)由元對(duì)象工具生成另一個(gè)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)C＋＋源文件。該文件中有QObject子類的 “元信息”，包括一個(gè)含有對(duì)象的類名，以及它所支持的信號(hào)和槽的列表等。當(dāng)事件或者狀態(tài)發(fā)生改變的時(shí)候，信號(hào)就會(huì)被觸發(fā)［13］。其中槽函數(shù)可以跟普通成員函數(shù)一樣被正常調(diào)用，其唯一的特殊性是可以與信號(hào)相關(guān)聯(lián)。

程序中通過(guò)調(diào)用connect方法建立信號(hào)和槽的連接，即將信號(hào)類和信號(hào)索引、槽類和槽索引記錄到全局的connectlist中。這樣在程序運(yùn)行時(shí)，當(dāng)一個(gè)信號(hào)被發(fā)出，通過(guò)查找connectlist就能調(diào)用與其相關(guān)聯(lián)的槽函數(shù)，從而就能實(shí)現(xiàn)類間通信。信號(hào)和槽的關(guān)系可以是一對(duì)一或者一對(duì)多，同時(shí)信號(hào)之間也可以相關(guān)聯(lián)。若一個(gè)信號(hào)與多個(gè)槽或信號(hào)相關(guān)聯(lián)，則當(dāng)這個(gè)信號(hào)發(fā)出，它們會(huì)相繼被調(diào)用。

由于元對(duì)象工具在編譯過(guò)程中已將信號(hào)－槽的列表，以及connectlist等創(chuàng)建完成，實(shí)際工作中槽的調(diào)用時(shí)間，即系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，就完全取決于運(yùn)行狀態(tài)下讀取connectlist以及相應(yīng)調(diào)度的速度。

1.2 收發(fā)信號(hào)模式框架

圖1 （a）是循環(huán)掃描模式框架結(jié)構(gòu)。各模塊都有自己的內(nèi)存副本以保存自身數(shù)據(jù)，模塊內(nèi)部可以隨機(jī)更改內(nèi)存副本。共享資源區(qū)存儲(chǔ)了所有模塊內(nèi)存副本的映射。I／O口可以隨機(jī)讀取共享資源中的數(shù)據(jù)。所謂循環(huán)掃描，指的是每次循環(huán)開始，都首先將所有模塊的內(nèi)存副本映射到共享資源，然后根據(jù)共享資源區(qū)數(shù)據(jù)執(zhí)行用戶程序，執(zhí)行完畢后再重新將數(shù)據(jù)寫到I／O 或各內(nèi)存副本中。由此可見(jiàn)，掃描周期必須小于模塊最小更新時(shí)間，以防止數(shù)據(jù)丟失。

圖1 （b）是收發(fā)信號(hào)模式的框架結(jié)構(gòu)。開始工作后，模塊內(nèi)數(shù)據(jù)的更新將觸發(fā)信號(hào)，從而使共享資源區(qū)數(shù)據(jù)更新。這個(gè)更新又將觸發(fā)新的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)其它模塊的更新。

由以上分析可知，若要實(shí)現(xiàn)兩模塊之間的通信，在循環(huán)掃描模式下，假設(shè)模塊1在前一次循環(huán)將新數(shù)據(jù)映射到共享資源，則模塊2將在后一次循環(huán)讀取該新數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)更新。響應(yīng)時(shí)間跟周期有關(guān)；在收發(fā)信號(hào)模式下，模塊N 可以直接更改共享資源數(shù)據(jù)，進(jìn)而觸發(fā)信號(hào)，其它模塊隨即響應(yīng)，響應(yīng)時(shí)間僅跟數(shù)據(jù)調(diào)度相關(guān)。

由以上分析可見(jiàn)，收發(fā)信號(hào)工作模式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，響應(yīng)時(shí)間可預(yù)測(cè)性高。另外，此模式可以避免類似循環(huán)掃描模式中的空循環(huán)，同時(shí)不必對(duì)未改變的變量進(jìn)行讀取和判斷，因此可以在一定程度上節(jié)約CPU 資源。

圖1 循環(huán)掃描模式和收發(fā)信號(hào)模式的框架

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本文的設(shè)計(jì)運(yùn)用Qt的信號(hào)－槽技術(shù)，在共享資源思想的基礎(chǔ)上，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)PLC 系統(tǒng)中各模塊間以收發(fā)信號(hào)模式通信：

（1）設(shè)計(jì)一個(gè)變量類VariableItem，作為共享資源中的數(shù)據(jù)保存類型。此變量既能存儲(chǔ)數(shù)據(jù)值，又能在值改變時(shí)發(fā)射信號(hào)。每個(gè)變量必須有一個(gè)唯一屬性，以便于識(shí)別。PLC 控制系統(tǒng)中所有須用到的數(shù)據(jù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)Variable－Item 對(duì)象，并根據(jù)唯一屬性來(lái)區(qū)分。

（2）設(shè)計(jì)一個(gè)容器類Variable作為共享資源空間。容器類統(tǒng)一管理a中的VariableItem 對(duì)象，可以對(duì)變量對(duì)象執(zhí)行的操作有：統(tǒng)計(jì)、注冊(cè)、注銷等。本文中變量名為變量唯一性特征。所謂完成一個(gè)變量的注冊(cè)，就是在Variable容器里添加一個(gè)新名字的VariableItem 對(duì)象，并保存在QMap中。

（3）將模塊用類封裝，并設(shè)計(jì)信號(hào)接收端口，即槽函數(shù)。模塊有變量名屬性，表示其所要關(guān)聯(lián)的變量。根據(jù)是否對(duì)變量具有寫權(quán)限，模塊被分成兩類，其中具有寫權(quán)限的模塊有一個(gè)指向其關(guān)聯(lián)變量的指針，以更新變量值。

（4）通過(guò)connect的方法，將已注冊(cè)變量對(duì)象與相應(yīng)模塊關(guān)聯(lián)，同時(shí)進(jìn)行有效性檢查 （例如：判斷變量是否注冊(cè)，變量數(shù)據(jù)類型是否一致等）。

實(shí)際工作過(guò)程：系統(tǒng)首先自動(dòng)將所有用戶設(shè)定的變量注冊(cè)，并將每個(gè)變量都與相應(yīng)模塊關(guān)聯(lián)。隨后，任意變量值的改變將觸發(fā)信號(hào)，進(jìn)而觸發(fā)相應(yīng)模塊的槽函數(shù)。這種更新也可產(chǎn)生新信號(hào)，觸發(fā)新的模塊更新。控制過(guò)程具體流程如圖2所示。

圖2 控制流程

3 測(cè) 試

本文分別在Windows7 （簡(jiǎn)稱Win7）和Linux2.6.32操作系統(tǒng)下進(jìn)行了測(cè)試和對(duì)比。所用Win7操作系統(tǒng)的硬件平臺(tái) 為：處 理 器Inter （R）Core （TM）i5－2400 CPU ＠3.01GHz，內(nèi)存4G，硬盤300G。Linux 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)為：處理器Cortex A8，600MHz，RAM DDR2 SDRAM 128MByte，F(xiàn)lash 128MB nand flash。

3.1 響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

本文模擬了軟PLC的循環(huán)掃描工作模式，以及收發(fā)信號(hào)工作模式?？紤]到實(shí)際應(yīng)用中的復(fù)雜性，本文進(jìn)行了多種測(cè)試對(duì)比。所有測(cè)試都采用gettimeofday函數(shù)記錄時(shí)間點(diǎn)，并都獲取了兩萬(wàn)組測(cè)試結(jié)果。

如圖3 （a）部分是模擬循環(huán)掃描i個(gè)變量變化的測(cè)試框圖。圖3中次線程i代表第i個(gè)任務(wù)模塊，每個(gè)線程擁有自己的變量m＿num。次線程i不斷產(chǎn)生一到三倍掃描周期之間的隨機(jī)時(shí)間，并按照隨機(jī)時(shí)間休息，休息完就刷新成員m＿num 的值，并記錄時(shí)間點(diǎn)；主線程中的數(shù)組thread－Num ［N］是各次線程m ＿num 的映射表。主線程在掃描周期開始時(shí)刻遍歷所有次線程的m＿num。若某m＿num 改變，則刷新映射表數(shù)組，并記錄時(shí)間點(diǎn)。將檢測(cè)到m＿num值變化的主次線程時(shí)間點(diǎn)相減，再加上掃描周期，即得到一組循環(huán)掃描響應(yīng)時(shí)間。

圖3 （b）部分是模擬i個(gè)變量改變的收發(fā)信號(hào)模式測(cè)試框圖。M ＿flag 是線程和QWidget對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)。主線程中將線程i的信號(hào)與QWidget對(duì)象i的槽連接。線程i在1s至5s之間隨機(jī)發(fā)信號(hào)，模擬數(shù)據(jù)更新，并記錄時(shí)間點(diǎn)和M ＿flag。QWidget對(duì)象在槽中同樣記錄時(shí)間點(diǎn)和M ＿flag。將具有相同M ＿flag 的收發(fā)信號(hào)時(shí)間點(diǎn)相減，即得到一組收發(fā)信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。

圖3 測(cè)試流程

表1、表2中的測(cè)試種類分別代表兩種平臺(tái)下單個(gè)信號(hào)槽的連接測(cè)試、單個(gè)信號(hào)與100個(gè)槽的連接測(cè)試、200個(gè)信號(hào)與200個(gè)槽分別連接測(cè)試 （信號(hào)都在1～5s內(nèi)隨機(jī)發(fā)出）、循環(huán)掃描1 個(gè)對(duì)象的隨機(jī)更新測(cè)試、以及循環(huán)掃描200個(gè)對(duì)象的隨機(jī)更新測(cè)試。軟件PLC 對(duì)于不同的PLC 程序掃描周期一般在10－100ms之間。因此在模擬循環(huán)掃描工作模式時(shí)，分別選擇了10ms和100ms兩個(gè)比較有代表性的掃描周期。收發(fā)信號(hào)模式中的200個(gè)信號(hào)，即對(duì)應(yīng)循環(huán)掃描工作模式中的200個(gè)掃描對(duì)象。選擇200個(gè)信號(hào)槽是基于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)處理速度的考慮，以保證測(cè)試過(guò)程中掃描周期大于檢測(cè)更新時(shí)間。

圖4、圖5是有代表性的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果。縱坐標(biāo)為該響應(yīng)時(shí)間占總測(cè)試結(jié)果的百分比，橫坐標(biāo)從左到右依次為單個(gè)信號(hào)與100個(gè)槽連接的響應(yīng)時(shí)間、200個(gè)信號(hào)槽分別連接的響應(yīng)時(shí)間、200 個(gè)對(duì)象以100ms 為掃描周期的響應(yīng)時(shí)間。

表1 Linux響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

表2 Win7響應(yīng)時(shí)間測(cè)試結(jié)果

對(duì)于周期性的任務(wù)，最能反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的是響應(yīng)時(shí)間方差。如圖4、圖5所示，收發(fā)信號(hào)模式的響應(yīng)時(shí)間集中分布在0～2ms左右，而循環(huán)掃描模式的響應(yīng)時(shí)間則在一到兩倍掃描周期內(nèi)接近平均分布。從表1、表2中可以看出，在信號(hào)槽一一對(duì)應(yīng)的情況下，收發(fā)信號(hào)模式的響應(yīng)時(shí)間方差比循環(huán)掃描工作模式的方差小了3到4個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，不論從響應(yīng)時(shí)間快慢，還是從響應(yīng)時(shí)間可預(yù)測(cè)性來(lái)看，收發(fā)信號(hào)模式相對(duì)于循環(huán)掃描模式都有一定的優(yōu)勢(shì)。

但值得注意的是，如果與同一個(gè)信號(hào)關(guān)聯(lián)的槽過(guò)多，則會(huì)影響降低系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，如圖4、圖5 最左邊的兩曲線。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)盡量避免信號(hào)槽一對(duì)多的情況。

3.2 CPU 占用率測(cè)試

在獲得響應(yīng)時(shí)間的同時(shí)測(cè)得兩種平臺(tái)下CPU 占用率。在Win7 平臺(tái)下通過(guò)任務(wù)管理器查看CPU 占用率，在Linux下通過(guò)top命令查看CPU 占用率。數(shù)據(jù)穩(wěn)定后的觀察結(jié)果如表1、2 最后一行所示?？梢?jiàn)相對(duì)于循環(huán)掃描模式，收發(fā)信號(hào)模式能在監(jiān)控200個(gè)對(duì)象隨機(jī)變化時(shí)明顯減少CPU 占用率。

4 結(jié)束語(yǔ)

進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性是軟PLC 系統(tǒng)重要的發(fā)展方向。本文在共享資源的基礎(chǔ)上，運(yùn)用了收發(fā)信號(hào)模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)循環(huán)掃描模式實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。測(cè)試結(jié)果表明，相對(duì)于傳統(tǒng)的循環(huán)掃描模式，該模式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、響應(yīng)時(shí)間短、可預(yù)測(cè)性高、CPU 占用率低，是一種性能良好的實(shí)時(shí)交互模式，能滿足大多數(shù)實(shí)際場(chǎng)合的需求。但因Qt實(shí)現(xiàn)原理限制，使用該模式需要注意避免信號(hào)槽的一對(duì)多使用。另外該模式在實(shí)際使用過(guò)程中可能存在信號(hào)－槽形成死循環(huán)等狀況，有待進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］ZHANG Lei.The study and realization on running system of soft－PLC based on PC ［D］.Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2008 （in Chinese）.［張磊.基于PC的軟PLC運(yùn)行系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn) ［D］.太原：太原理工大學(xué)，2008.］

［2］ZHANG Lei.The study on RTX－based full software numerical control system［D］.Qinghuangdao：Yanshan University，2006（in Chinese）.［張蕾.基于RTX 的全軟件數(shù)控系統(tǒng)的研究［D］.秦皇島：燕山大學(xué)，2006.］

［3］YU Saihua.Research and development of the soft－PLC system based on Windows［D］.Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2012 （in Chinese）. ［喻賽花.基于Windows的軟PLC 系統(tǒng)開發(fā) ［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2012.］

［4］WU Yuxiang，GUO Jianxung，ZHOU Jianxiang.Design of embedded soft－PLC programming system［J］.Control Engineering of China，2010，17 （3）：363－367 （in Chinese）. ［吳玉香，郭建勛，周建香.嵌入式軟PLC編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ［J］.控制工程，2010，17 （3）：363－367.］

［5］MA Yuanjia，QIN Fujun.Research of running system of soft－PLC based on the real time database［J］.Microcomputer Information，2010，4 （1）：55－56 （in Chinese）.［馬遠(yuǎn)佳，秦付軍.基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)的軟PLC 運(yùn)行系統(tǒng)研究 ［J］.控制系統(tǒng)，2010，4 （1）：55－56.］

［6］CHEN Xue，LIU Yinzhong，XU Ensong.Design and implementation of soft－PLC ladder diagram editing software based on Qt［J］.Computer Systems ＆ Applications，2011，20 （12）：64－69 （in Chinese）.［陳雪，劉蔭忠，徐恩松.基于Qt的PLC梯形圖編輯軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011，20 （12）：64－69.］

［7］LAN Chengzhang，F(xiàn)AN Limin.Brief analysis on the lag phenomenon of PLC input／output response［J］.Value Engineering，2010 （3）：41－41 （in Chinese）.［蘭成章，范麗敏.PLC中輸出滯后輸入的淺析 ［J］.價(jià)值工程，2010 （3）：41－41.］

［8］ZHANG Zhilong.A kind of high－performance computer programmable logic controller（PCC）［J］.Programmable Controller ＆Factory Automation，2011 （7）：7－13 （in Chinese）.［張志龍.一種高性能計(jì)算機(jī)可編程控制器 ［J］.可編程控制器與工廠自動(dòng)化，2011 （7）：7－13.］

［9］MA Xiongbo，HAN Zhenyu，WANG Yongzhang，et al.Research of a RTX－based soft－PLC multi－task system ［J］.Modular Machine Tool ＆Automatic Manufacturing Technique，2010（1）：35－41 （in Chinese）.［馬雄波，韓振宇，王永章，等.基于RTX 的軟PLC多任務(wù)系統(tǒng)研究 ［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010 （1）：35－41.］

［10］BA Wei.Research on the dynamic－priority scheduling algorithms of tasks in real－time systems［D］.Dalian：Dalian University of Technology，2010 （in Chinese）.［巴巍.實(shí)時(shí)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)先級(jí)任務(wù)調(diào)度算法的研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，2010.］

［11］SHEN Huiyang.The communication methods between PLC and inverter in same link and different protocols［J］.Manufacturing Automation，2012，34 （1）：10－13 （in Chinese）.［申輝陽(yáng).PLC和變頻器同鏈路不同協(xié)議同時(shí)通信方法 ［J］.制造業(yè)自動(dòng)化，2012，34 （1）：10－13.］

［12］Khalib Z I A，Ahmad B R，Ong O B L.High performance nonpreemptive dynamic scheduling algorithm for soft real time system［C］／／Computer Applications and Industrial Electronics，2012：54－59.

［13］Blanchette J，Summerfield M.C＋＋GUI QT4programming［M］.2nd ed.Upper Saddle River：Prentice Hall，2008.