在嵌入式系统上实现PLC的软件设计是一个复杂的系统工程，需要整合实时操作系统、编程语言解释/执行、硬件抽象、通信协议栈等多个方面。核心思想是在嵌入式平台上实现一个满足IEC 61131-3标准的可编程逻辑控制器运行时环境。以下是关键步骤和核心模块：

核心实现模块

1. 硬件抽象层

   • 作用：隔离具体硬件差异。
   • 内容：提供统一的API访问数字输入/输出、模拟输入/输出、通信接口、定时器、看门狗、PWM等。
   • 示例：bool DIO_Read(uint8_t channel); void DIO_Write(uint8_t channel, bool value); float AIO_Read(uint16_t channel);

2. 实时操作系统

   • 选择要求：确定性强、任务优先级抢占、同步/通信机制、内存管理。
   • 常用选择：
     • 商用：VxWorks、QNX、RTX
     • 开源：FreeRTOS、Zephyr、NuttX、RT-Thread、µC/OS
     • 实时Linux：PREEMPT_RT补丁+Xenomai/Adeos

3. PLC扫描周期引擎

   • 核心循环：

     while(1) {
     WDT_Reset(); // 喂看门狗
     Update_Wall_Clock(); // 更新系统时钟
     RUN_Safety_Check(); // 安全监测
     Enable_Input_Update(); // 锁存输入准备
     Read_Physical_Inputs(); // 扫描物理输入
     Disable_Input_Update(); // 防止输入变化
     Execute_Logic(program); // 执行用户逻辑
     Enable_Output_Update(); // 准备输出
     Write_Physical_Outputs(); // 更新物理输出
     Disable_Output_Update(); // 防止干扰
     Handle_Comm(); // 处理通信任务
     Wait_For_Next_Cycle(); // 精确周期等待
     }

4. 用户程序解释器/执行器

   • 方法对比：	实现方式	执行速度	移植性	内存占用	开发难度
     解释器	⭐⭐	⭐⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐
     编译器	⭐⭐⭐⭐⭐	⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐
     虚拟机	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐	⭐⭐⭐⭐

   • 指令集设计：

     typedef struct {
     uint16_t opcode; 
     uint32_t operand1;
     uint32_t operand2;
     uint32_t result_addr;
     } PLC_Instruction;

5. **I/O 处理模块

   • 滤波技术：
     • 硬件：RC滤波电路
     • 软件：移动平均、中值滤波、FIR滤波
   • 中断处理：
     • 高速计数器采用硬件捕获中断
     • 关键安全信号使用优先中断

6. **通信协议栈

   • 必需支持：
     • 工业以太网：Modbus TCP、EtherNet/IP、Profinet RT
     • 串行协议：Modbus RTU、CANopen
   • 实现方式：
     • 集成协议栈：lwIP、opENer
     • 定制驱动：优化实时性能

7. **编程环境接口

   • 数据交换：
     • 在线监控：通过共享内存映射变量
     • 程序下载：使用串口或以太网Bootloader
   • 调试支持：
     • 实时变量监控
     • 强制I/O功能
     • 断点设置

关键设计要素

1. 实时性保证

   • 使用硬件定时器产生精确中断

   • 任务优先级策略：	任务类型	优先级	执行频率
     看门狗	最高	周期触发
     安全逻辑	高	每周期
     控制逻辑	中	每周期
     通信处理	低	后台运行

   • 内存锁定防止交换

2. 可靠性设计

   • 双看门狗：芯片内置+软件看门狗
   • 内存保护：MPU/MMU隔离关键区域
   • 启动自检：POST(Power-On Self Test)
   • 掉电保护：FRAM或电池备份RAM

3. **开发工具链

   • 交叉编译：GCC/LLVM+CMake构建
   • 调试接口：JTAG/SWD+GDB
   • 仿真测试：QEMU/Hardware-in-loop

软件架构示例

+----------------------------+
|   PLC工程开发环境          |
|  (CODESYS/Beremiz等)       |
+------------+---------------+
             | 串口/以太网
+------------v---------------+
|  运行时环境(RTE)           |
+----------------------------+
|  通信服务   逻辑执行      I/O服务
| Modbus    |解释器/VM     | 硬件抽象层
| EtherCAT  |任务调度      | ADC
| CANopen   |内存管理      | GPIO
+-----------+---------------+
|    实时操作系统(RTOS)      |
+----------------------------+
|       硬件平台             |
|  STM32/ARM Cortex-R       |
|  TI Sitara/Xilinx Zynq    |
+----------------------------+

实用建议

1. 启动方案：使用开源运行时如Beremiz或OpenPLC
2. 硬件选择：
   • 主流MCU：STM32H7系列(480MHz)
   • 多核处理器：NXP i.MX8M(双Cortex-A + Cortex-M)
   • FPGA方案：Xilinx Zynq-7000
3. 认证考量：针对工业环境需要通过IEC 61131-2、IEC 61000-6-2等标准认证
4. 性能优化：
   • 使用DMA处理批量I/O
   • 关键代码汇编优化
   • 专用指令加速逻辑运算

挑战与解决

1. 循环抖动问题：

   • 使用高精度定时器(如HRTIM)
   • 任务调度优化最坏执行时间

2. 热备份冗余：

   • 双处理器交叉校验
   • RTE状态同步机制

3. 安全性保障：

   • 符合IEC 61508 SIL2认证
   • 安全监控任务独立运行

在嵌入式平台实现PLC软件需要平衡实时性能、功能完整性和开发成本。现代方案倾向于采用多核架构：Cortex-M处理实时任务，Cortex-A运行通信栈和UI，FPGA处理高速I/O。关键技术趋势是支持OPC UA over TSN和面向工业4.0的融合架构。