基于收发信号工作模式的软PLC数据交互方法

石新梅，曹 建＋，赵 亮，李宗灿，黄 兵

（1.中南大学 物理与电子学院，湖南 长沙410083；2.中国科学院 上海微系统与信息技术研究所 汽车电子工程中心，上海200050）

0 引 言

设备实时性不强一直是阻碍软PLC 在工业控制领域推广应用的关键问题［1］。工业上提高系统实时性的关键在于提高操作系统的实时性，如开发实施内核［2］或者对现有系统进行实时性扩展［3］，但此类方法大都成本高，且实现复杂。

前人对PLC的研究采用的都是基于共享内存的循环扫描工作模式［4－6］，而此工作模式最重要的缺陷就是响应时间可预测性不高。由循环扫描所引起的响应时间滞后可达两个扫描周期以上［7］，具体与编程方法等有关。目前循环扫描工作模式常用的改进方法包括：根据任务对实时性要求的不同而采用不同的扫描周期［8，9］、运用不同的实时调度算法［10］、分时处理［11］、分区I／O 服务等等。但这些方法往往周期设置受限，或者程序设计相对复杂且可移植性不高，有的甚至以损失部分任务的响应时间为代价。

响应速度虽说是衡量一个实时系统的重要标准之一，但实时系统最重要的特征是执行时间的可预测性［12］。因此，为了改善传统PLC的实时性问题，本文提出了收发信号工作模式。采用该模式的软PLC 系统实现简单，能够实时通信且具有很高的执行时间可预测性，同时还可以减少由于循环带来的CPU 资源消耗。

1 收发信号模式原理

1.1 Qt信号－槽机制介绍

Qt使用了一种元对象系统机制对C＋＋进行了扩展。头文件中包含Q＿OBJECT 宏声明的QObject子类，在编译过程中，都会由元对象工具生成另一个相应的标准C＋＋源文件。该文件中有QObject子类的 “元信息”，包括一个含有对象的类名，以及它所支持的信号和槽的列表等。当事件或者状态发生改变的时候，信号就会被触发［13］。其中槽函数可以跟普通成员函数一样被正常调用，其唯一的特殊性是可以与信号相关联。

程序中通过调用connect方法建立信号和槽的连接，即将信号类和信号索引、槽类和槽索引记录到全局的connectlist中。这样在程序运行时，当一个信号被发出，通过查找connectlist就能调用与其相关联的槽函数，从而就能实现类间通信。信号和槽的关系可以是一对一或者一对多，同时信号之间也可以相关联。若一个信号与多个槽或信号相关联，则当这个信号发出，它们会相继被调用。

由于元对象工具在编译过程中已将信号－槽的列表，以及connectlist等创建完成，实际工作中槽的调用时间，即系统响应时间，就完全取决于运行状态下读取connectlist以及相应调度的速度。

1.2 收发信号模式框架

图1 （a）是循环扫描模式框架结构。各模块都有自己的内存副本以保存自身数据，模块内部可以随机更改内存副本。共享资源区存储了所有模块内存副本的映射。I／O口可以随机读取共享资源中的数据。所谓循环扫描，指的是每次循环开始，都首先将所有模块的内存副本映射到共享资源，然后根据共享资源区数据执行用户程序，执行完毕后再重新将数据写到I／O 或各内存副本中。由此可见，扫描周期必须小于模块最小更新时间，以防止数据丢失。

图1 （b）是收发信号模式的框架结构。开始工作后，模块内数据的更新将触发信号，从而使共享资源区数据更新。这个更新又将触发新的信号，从而实现其它模块的更新。

由以上分析可知，若要实现两模块之间的通信，在循环扫描模式下，假设模块1在前一次循环将新数据映射到共享资源，则模块2将在后一次循环读取该新数据，从而实现更新。响应时间跟周期有关；在收发信号模式下，模块N 可以直接更改共享资源数据，进而触发信号，其它模块随即响应，响应时间仅跟数据调度相关。

由以上分析可见，收发信号工作模式实现简单，响应时间可预测性高。另外，此模式可以避免类似循环扫描模式中的空循环，同时不必对未改变的变量进行读取和判断，因此可以在一定程度上节约CPU 资源。

图1 循环扫描模式和收发信号模式的框架

2 设计与实现

本文的设计运用Qt的信号－槽技术，在共享资源思想的基础上，通过以下步骤实现PLC 系统中各模块间以收发信号模式通信：

（1）设计一个变量类VariableItem，作为共享资源中的数据保存类型。此变量既能存储数据值，又能在值改变时发射信号。每个变量必须有一个唯一属性，以便于识别。PLC 控制系统中所有须用到的数据都对应一个Variable－Item 对象，并根据唯一属性来区分。

（2）设计一个容器类Variable作为共享资源空间。容器类统一管理a中的VariableItem 对象，可以对变量对象执行的操作有：统计、注册、注销等。本文中变量名为变量唯一性特征。所谓完成一个变量的注册，就是在Variable容器里添加一个新名字的VariableItem 对象，并保存在QMap中。

（3）将模块用类封装，并设计信号接收端口，即槽函数。模块有变量名属性，表示其所要关联的变量。根据是否对变量具有写权限，模块被分成两类，其中具有写权限的模块有一个指向其关联变量的指针，以更新变量值。

（4）通过connect的方法，将已注册变量对象与相应模块关联，同时进行有效性检查 （例如：判断变量是否注册，变量数据类型是否一致等）。

实际工作过程：系统首先自动将所有用户设定的变量注册，并将每个变量都与相应模块关联。随后，任意变量值的改变将触发信号，进而触发相应模块的槽函数。这种更新也可产生新信号，触发新的模块更新。控制过程具体流程如图2所示。

图2 控制流程

3 测 试

本文分别在Windows7 （简称Win7）和Linux2.6.32操作系统下进行了测试和对比。所用Win7操作系统的硬件平台 为：处 理 器Inter （R）Core （TM）i5－2400 CPU ＠3.01GHz，内存4G，硬盘300G。Linux 系统的硬件平台为：处理器Cortex A8，600MHz，RAM DDR2 SDRAM 128MByte，Flash 128MB nand flash。

3.1 响应时间测试

本文模拟了软PLC的循环扫描工作模式，以及收发信号工作模式。考虑到实际应用中的复杂性，本文进行了多种测试对比。所有测试都采用gettimeofday函数记录时间点，并都获取了两万组测试结果。

如图3 （a）部分是模拟循环扫描i个变量变化的测试框图。图3中次线程i代表第i个任务模块，每个线程拥有自己的变量m＿num。次线程i不断产生一到三倍扫描周期之间的随机时间，并按照随机时间休息，休息完就刷新成员m＿num 的值，并记录时间点；主线程中的数组thread－Num ［N］是各次线程m ＿num 的映射表。主线程在扫描周期开始时刻遍历所有次线程的m＿num。若某m＿num 改变，则刷新映射表数组，并记录时间点。将检测到m＿num值变化的主次线程时间点相减，再加上扫描周期，即得到一组循环扫描响应时间。

图3 （b）部分是模拟i个变量改变的收发信号模式测试框图。M ＿flag 是线程和QWidget对象的唯一标识。主线程中将线程i的信号与QWidget对象i的槽连接。线程i在1s至5s之间随机发信号，模拟数据更新，并记录时间点和M ＿flag。QWidget对象在槽中同样记录时间点和M ＿flag。将具有相同M ＿flag 的收发信号时间点相减，即得到一组收发信号的响应时间。

图3 测试流程

表1、表2中的测试种类分别代表两种平台下单个信号槽的连接测试、单个信号与100个槽的连接测试、200个信号与200个槽分别连接测试 （信号都在1～5s内随机发出）、循环扫描1 个对象的随机更新测试、以及循环扫描200个对象的随机更新测试。软件PLC 对于不同的PLC 程序扫描周期一般在10－100ms之间。因此在模拟循环扫描工作模式时，分别选择了10ms和100ms两个比较有代表性的扫描周期。收发信号模式中的200个信号，即对应循环扫描工作模式中的200个扫描对象。选择200个信号槽是基于实验平台处理速度的考虑，以保证测试过程中扫描周期大于检测更新时间。

图4、图5是有代表性的响应时间测试结果。纵坐标为该响应时间占总测试结果的百分比，横坐标从左到右依次为单个信号与100个槽连接的响应时间、200个信号槽分别连接的响应时间、200 个对象以100ms 为扫描周期的响应时间。

表1 Linux响应时间测试结果

表2 Win7响应时间测试结果

对于周期性的任务，最能反应系统实时性的是响应时间方差。如图4、图5所示，收发信号模式的响应时间集中分布在0～2ms左右，而循环扫描模式的响应时间则在一到两倍扫描周期内接近平均分布。从表1、表2中可以看出，在信号槽一一对应的情况下，收发信号模式的响应时间方差比循环扫描工作模式的方差小了3到4个数量级。因此，不论从响应时间快慢，还是从响应时间可预测性来看，收发信号模式相对于循环扫描模式都有一定的优势。

但值得注意的是，如果与同一个信号关联的槽过多，则会影响降低系统的实时性，如图4、图5 最左边的两曲线。因此在设计过程中应当尽量避免信号槽一对多的情况。

3.2 CPU 占用率测试

在获得响应时间的同时测得两种平台下CPU 占用率。在Win7 平台下通过任务管理器查看CPU 占用率，在Linux下通过top命令查看CPU 占用率。数据稳定后的观察结果如表1、2 最后一行所示。可见相对于循环扫描模式，收发信号模式能在监控200个对象随机变化时明显减少CPU 占用率。

4 结束语

进一步增强系统实时性是软PLC 系统重要的发展方向。本文在共享资源的基础上，运用了收发信号模式代替传统循环扫描模式实现实时数据交互。测试结果表明，相对于传统的循环扫描模式，该模式实现简单、响应时间短、可预测性高、CPU 占用率低，是一种性能良好的实时交互模式，能满足大多数实际场合的需求。但因Qt实现原理限制，使用该模式需要注意避免信号槽的一对多使用。另外该模式在实际使用过程中可能存在信号－槽形成死循环等状况，有待进一步改进。

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