基于收發(fā)信號工作模式的軟PLC數(shù)據(jù)交互方法

石新梅，曹 建＋，趙 亮，李宗燦，黃 兵

（1.中南大學 物理與電子學院，湖南 長沙410083；2.中國科學院 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)備實時性不強一直是阻礙軟PLC 在工業(yè)控制領(lǐng)域推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題［1］。工業(yè)上提高系統(tǒng)實時性的關(guān)鍵在于提高操作系統(tǒng)的實時性，如開發(fā)實施內(nèi)核［2］或者對現(xiàn)有系統(tǒng)進行實時性擴展［3］，但此類方法大都成本高，且實現(xiàn)復雜。

前人對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)時間可預(yù)測性不高。由循環(huán)掃描所引起的響應(yīng)時間滯后可達兩個掃描周期以上［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方法包括：根據(jù)任務(wù)對實時性要求的不同而采用不同的掃描周期［8，9］、運用不同的實時調(diào)度算法［10］、分時處理［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)計相對復雜且可移植性不高，有的甚至以損失部分任務(wù)的響應(yīng)時間為代價。

響應(yīng)速度雖說是衡量一個實時系統(tǒng)的重要標準之一，但實時系統(tǒng)最重要的特征是執(zhí)行時間的可預(yù)測性［12］。因此，為了改善傳統(tǒng)PLC的實時性問題，本文提出了收發(fā)信號工作模式。采用該模式的軟PLC 系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，能夠?qū)崟r通信且具有很高的執(zhí)行時間可預(yù)測性，同時還可以減少由于循環(huán)帶來的CPU 資源消耗。

1 收發(fā)信號模式原理

1.1 Qt信號－槽機制介紹

Qt使用了一種元對象系統(tǒng)機制對C＋＋進行了擴展。頭文件中包含Q＿OBJECT 宏聲明的QObject子類，在編譯過程中，都會由元對象工具生成另一個相應(yīng)的標準C＋＋源文件。該文件中有QObject子類的 “元信息”，包括一個含有對象的類名，以及它所支持的信號和槽的列表等。當事件或者狀態(tài)發(fā)生改變的時候，信號就會被觸發(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相關(guān)聯(lián)。

程序中通過調(diào)用connect方法建立信號和槽的連接，即將信號類和信號索引、槽類和槽索引記錄到全局的connectlist中。這樣在程序運行時，當一個信號被發(fā)出，通過查找connectlist就能調(diào)用與其相關(guān)聯(lián)的槽函數(shù)，從而就能實現(xiàn)類間通信。信號和槽的關(guān)系可以是一對一或者一對多，同時信號之間也可以相關(guān)聯(lián)。若一個信號與多個槽或信號相關(guān)聯(lián)，則當這個信號發(fā)出，它們會相繼被調(diào)用。

由于元對象工具在編譯過程中已將信號－槽的列表，以及connectlist等創(chuàng)建完成，實際工作中槽的調(diào)用時間，即系統(tǒng)響應(yīng)時間，就完全取決于運行狀態(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)部可以隨機更改內(nèi)存副本。共享資源區(qū)存儲了所有模塊內(nèi)存副本的映射。I／O口可以隨機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，掃描周期必須小于模塊最小更新時間，以防止數(shù)據(jù)丟失。

圖1 （b）是收發(fā)信號模式的框架結(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，從而使共享資源區(qū)數(shù)據(jù)更新。這個更新又將觸發(fā)新的信號，從而實現(xiàn)其它模塊的更新。

由以上分析可知，若要實現(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)，從而實現(xiàn)更新。響應(yīng)時間跟周期有關(guān)；在收發(fā)信號模式下，模塊N 可以直接更改共享資源數(shù)據(jù)，進而觸發(fā)信號，其它模塊隨即響應(yīng)，響應(yīng)時間僅跟數(shù)據(jù)調(diào)度相關(guān)。

由以上分析可見，收發(fā)信號工作模式實現(xiàn)簡單，響應(yīng)時間可預(yù)測性高。另外，此模式可以避免類似循環(huán)掃描模式中的空循環(huán)，同時不必對未改變的變量進行讀取和判斷，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)信號模式的框架

2 設(shè)計與實現(xiàn)

本文的設(shè)計運用Qt的信號－槽技術(shù)，在共享資源思想的基礎(chǔ)上，通過以下步驟實現(xiàn)PLC 系統(tǒng)中各模塊間以收發(fā)信號模式通信：

（1）設(shè)計一個變量類VariableItem，作為共享資源中的數(shù)據(jù)保存類型。此變量既能存儲數(shù)據(jù)值，又能在值改變時發(fā)射信號。每個變量必須有一個唯一屬性，以便于識別。PLC 控制系統(tǒng)中所有須用到的數(shù)據(jù)都對應(yīng)一個Variable－Item 對象，并根據(jù)唯一屬性來區(qū)分。

（2）設(shè)計一個容器類Variable作為共享資源空間。容器類統(tǒng)一管理a中的VariableItem 對象，可以對變量對象執(zhí)行的操作有：統(tǒng)計、注冊、注銷等。本文中變量名為變量唯一性特征。所謂完成一個變量的注冊，就是在Variable容器里添加一個新名字的VariableItem 對象，并保存在QMap中。

（3）將模塊用類封裝，并設(shè)計信號接收端口，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)限的模塊有一個指向其關(guān)聯(lián)變量的指針，以更新變量值。

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

實際工作過程：系統(tǒng)首先自動將所有用戶設(shè)定的變量注冊，并將每個變量都與相應(yīng)模塊關(guān)聯(lián)。隨后，任意變量值的改變將觸發(fā)信號，進而觸發(fā)相應(yīng)模塊的槽函數(shù)。這種更新也可產(chǎn)生新信號，觸發(fā)新的模塊更新?？刂七^程具體流程如圖2所示。

圖2 控制流程

3 測 試

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

3.1 響應(yīng)時間測試

本文模擬了軟PLC的循環(huán)掃描工作模式，以及收發(fā)信號工作模式。考慮到實際應(yīng)用中的復雜性，本文進行了多種測試對比。所有測試都采用gettimeofday函數(shù)記錄時間點，并都獲取了兩萬組測試結(jié)果。

如圖3 （a）部分是模擬循環(huán)掃描i個變量變化的測試框圖。圖3中次線程i代表第i個任務(wù)模塊，每個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時間，并按照隨機時間休息，休息完就刷新成員m＿num 的值，并記錄時間點；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，并記錄時間點。將檢測到m＿num值變化的主次線程時間點相減，再加上掃描周期，即得到一組循環(huán)掃描響應(yīng)時間。

圖3 （b）部分是模擬i個變量改變的收發(fā)信號模式測試框圖。M ＿flag 是線程和QWidget對象的唯一標識。主線程中將線程i的信號與QWidget對象i的槽連接。線程i在1s至5s之間隨機發(fā)信號，模擬數(shù)據(jù)更新，并記錄時間點和M ＿flag。QWidget對象在槽中同樣記錄時間點和M ＿flag。將具有相同M ＿flag 的收發(fā)信號時間點相減，即得到一組收發(fā)信號的響應(yīng)時間。

圖3 測試流程

表1、表2中的測試種類分別代表兩種平臺下單個信號槽的連接測試、單個信號與100個槽的連接測試、200個信號與200個槽分別連接測試 （信號都在1～5s內(nèi)隨機發(fā)出）、循環(huán)掃描1 個對象的隨機更新測試、以及循環(huán)掃描200個對象的隨機更新測試。軟件PLC 對于不同的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，分別選擇了10ms和100ms兩個比較有代表性的掃描周期。收發(fā)信號模式中的200個信號，即對應(yīng)循環(huán)掃描工作模式中的200個掃描對象。選擇200個信號槽是基于實驗平臺處理速度的考慮，以保證測試過程中掃描周期大于檢測更新時間。

圖4、圖5是有代表性的響應(yīng)時間測試結(jié)果?？v坐標為該響應(yīng)時間占總測試結(jié)果的百分比，橫坐標從左到右依次為單個信號與100個槽連接的響應(yīng)時間、200個信號槽分別連接的響應(yīng)時間、200 個對象以100ms 為掃描周期的響應(yīng)時間。

表1 Linux響應(yīng)時間測試結(jié)果

表2 Win7響應(yīng)時間測試結(jié)果

對于周期性的任務(wù)，最能反應(yīng)系統(tǒng)實時性的是響應(yīng)時間方差。如圖4、圖5所示，收發(fā)信號模式的響應(yīng)時間集中分布在0～2ms左右，而循環(huán)掃描模式的響應(yīng)時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，在信號槽一一對應(yīng)的情況下，收發(fā)信號模式的響應(yīng)時間方差比循環(huán)掃描工作模式的方差小了3到4個數(shù)量級。因此，不論從響應(yīng)時間快慢，還是從響應(yīng)時間可預(yù)測性來看，收發(fā)信號模式相對于循環(huán)掃描模式都有一定的優(yōu)勢。

但值得注意的是，如果與同一個信號關(guān)聯(lián)的槽過多，則會影響降低系統(tǒng)的實時性，如圖4、圖5 最左邊的兩曲線。因此在設(shè)計過程中應(yīng)當盡量避免信號槽一對多的情況。

3.2 CPU 占用率測試

在獲得響應(yīng)時間的同時測得兩種平臺下CPU 占用率。在Win7 平臺下通過任務(wù)管理器查看CPU 占用率，在Linux下通過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。可見相對于循環(huán)掃描模式，收發(fā)信號模式能在監(jiān)控200個對象隨機變化時明顯減少CPU 占用率。

4 結(jié)束語

進一步增強系統(tǒng)實時性是軟PLC 系統(tǒng)重要的發(fā)展方向。本文在共享資源的基礎(chǔ)上，運用了收發(fā)信號模式代替?zhèn)鹘y(tǒng)循環(huán)掃描模式實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交互。測試結(jié)果表明，相對于傳統(tǒng)的循環(huán)掃描模式，該模式實現(xiàn)簡單、響應(yīng)時間短、可預(yù)測性高、CPU 占用率低，是一種性能良好的實時交互模式，能滿足大多數(shù)實際場合的需求。但因Qt實現(xiàn)原理限制，使用該模式需要注意避免信號槽的一對多使用。另外該模式在實際使用過程中可能存在信號－槽形成死循環(huán)等狀況，有待進一步改進。

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