[三菱] 【产品应用】用 AWTK 和 AWPLC 快速开发嵌入式应用程序 (4)- ...

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查看71658 | 回复0 | 2024-8-6 08:27:40 | 显示全部楼层 |阅读模式


AWPLC 是 ZLG 自主研发的 PLC 系统(兼容 IEC61131-3),本文用定时器为例介绍一下如何扩展自定义功能块。


  背景

AWTK 全称 Toolkit AnyWhere,是 ZLG 开发的开源 GUI 引擎,旨在为嵌入式系统、WEB、各种小程序、手机和 PC 打造的通用 GUI 引擎,为用户提供一个功能强大、高效可靠、简单易用、可轻松做出炫酷效果的 GUI 引擎。
AWPLC 是 ZLG 自主研发的 PLC 系统(兼容 IEC61131-3),其中 AWPLC 的运行时库 (Runtime) 基于 ZLG TKC 开发,可以移植到到任何主流 RTOS 和 嵌入式系统。AWPLC 的集成开发环境 (IDE) 基于 AWTK 开发,可以运行在 Windows、MacOS 和 Linux 系统之上。AWPLC 的主要目标之一是把 PLC 中低代码开发方法引入到嵌入式软件,从而提高嵌入式软件的开发效率和可靠性。


  简介

在前一篇文章中,我们说过,AWPLC 的重要特色之一就是高度可扩展,而且会内置 ZLG 多年在嵌入式系统开发中积累的功能块,包括各种算法、协议和实用功能,这将大大简化嵌入式软件的开发。

那怎么去开发自定义的功能块呢?本文以 ZTIMER 为例介绍一下开发自定义功能块的方法。ZTIMER 是一个带计数功能的定时器,在前一篇文章中,我们用它实现了一个走马灯的演示,其使用方法如下:



在 AWPLC 中,自定义功能块和内置功能块具有同等待遇,因为它们都是按同样的方式加入进来的。在进入正题前,我们先聊一下,系统的可扩展性以及实现方法。1. 可扩展性的好处在设计一个复杂软件的架构时,可扩展性是必须考虑的因素。可扩展性至少带来以下几个好处:

    可扩展性将软件的框架与具体的实现分离开来,有助于降低系统的复杂度。系统的复杂性太高,会带来一系列的问题,比如让可理解性、可维护性和可靠性的降低,很多项目因此陷入无法挣脱的焦油坑里,最后士气低落,人员流失,项目取消,公司蒙受巨大损失。在设计复杂软件时,一定要存有敬畏之心;可扩展性将软件变化的部分隔离开来,不但可以让扩展的功能独立变化,也可以方便的扩展新功能。在 AWPLC 中, 以后会扩展各种协议和算法的功能块,必须保证 AWPLC 框架和这些扩展的功能块是独立的,才能让开发工作顺利进行;可扩展性有利于团队的协作。 不同的通讯协议和算法,需要不同团队的专家去开发,可扩展性让大家只要按相应的接口去实现,就可以方便的集成起来,不需要太多跨团队的交互。

2. 如何保证可扩展性
让软件系统具有可扩展性,通常并不是什么难事,只要做到下面两点就可以了:

    针对接口编程。这个是大家都知道的,在《软件设计模式》等书里,都反复强调了,这里不再赘述;利用工厂模式隔离组件的创建。工厂模式也是人人都知道的,而且大家都觉得很"简单"。但是能把工厂模式用好的程序员其实并不多见,一个主要原因就是很多人只会套用《软件设计模式》的工厂模式,而《软件设计模式》里几个工厂模式在现实中并不实用。利用这些这些工厂模式,无法满足 SOLID 原则中的开放封闭原则,增加一个新的扩展时,仍然需要修改对应的工厂。



  AWPLC 功能块的接口

要让 AWPLC 支持扩展各种自定义的功能块,首要条件条件是定义好功能块的接口。
1. 功能块的基类在面向对象的 C 语言编程中,我们用结构 (struct) 来模拟类和接口。这里所说的接口是广义的接口,而不是 C++或其它语言中只包含纯虚函数的 interface,因为除了虚函数指针外,这里还有一些数据成员。
/**
* @class aw_plc_fb_t
* AWPLC 功能块接口。
*/
struct _aw_plc_fb_t {
  /**
   * @property {bool_t} en
   * 是否启用。
   */
  uint8_t en : 1;
  /**
   * @property {bool_t} eno
   * 是否启用输出。
   */
  uint8_t eno : 1;

  /*private*/
  const aw_plc_fb_vtable_t* vt;

};

2. 功能块的虚函数

在功能块的虚函数表中,还定义了一些描述性的常量,让对象具有一点反射的能力,方便在运行时查询它的一些状态。顺便说一下,在定义接口的虚函数时,通常不会有创建函数,因为创建之前对象之前,是拿不到这个虚表对象的。但也不是绝对的,有时为了方便 clone,也可能提供一个 clone 函数或者 create 函数。

任何接口都要定义析构函数 (destroy),在对象需要销毁时,框架可以以统一的方式销毁它。

typedef struct _aw_plc_fb_vtable_t {
  /*功能块的类型名*/
  const char* type;
  /*输入参数名称列表,以 NULL 结束的字符串数组*/
  const char* const* ins;
  /*输出参数名称列表,以 NULL 结束的字符串数组*/
  const char* const* outs;
  /*输入输出参数名称列表,以 NULL 结束的字符串数组*/
  const char* const* in_outs;
  /*执行函数*/
  aw_plc_fb_exec_t exec;
  /*执行函数(带参数)*/
  aw_plc_fb_exec_ex_t exec_ex;
  /*获取属性(输入输出参数)的值*/
  aw_plc_fb_get_prop_t get_prop;
  /*获取输出的值*/
  aw_plc_fb_get_output_t get_output;
  /*设置输出的值*/
  aw_plc_fb_set_input_t set_input;
  /*析构函数*/
  aw_plc_fb_destroy_t destroy;

} aw_plc_fb_vtable_t;
* 这个虚函数表和 AWTK/TKC 中的 object 虚函数表很相似,考虑到 object 为了做得通用,有点臃肿了,所以决定重新定义一套。


  AWPLC 功能块的工厂

前面我们说过,可扩展性除了针对接口编程外,离不开工厂模式的支持。功能块的工厂其任务当然是创建功能块了,所以提供了一个创建功能块的函数。参数 type 指定功能块的类型,函数返回对应类型的功能块:

/**
* @method aw_plc_fb_factory_create_fb
* 创建 fb。
* @param {const char*} type 类型。
*
* @return {aw_plc_fb_t*} 返回 fb 对象。
*/

aw_plc_fb_t* aw_plc_fb_factory_create_fb(const char* type);

有了这个创建函数,确实把创建任务与功能块的实现分开了。但是请想一下,如果每次增加新的功能块,都要修改这个创建函数,而这个函数又属于框架的一部分,框架是不是还是依赖于具体实现了呢?为了解决这个问题,我们需要提供一种注册机制来实现依赖倒置,让功能块的实现者主动将创建函数注册进来:

/**
* @method aw_plc_fb_factory_register
* 注册创建函数。
* @param {const char*} type 类型。
* @param {aw_plc_fb_create_t} create 创建函数。
*
* @return {ret_t} 返回 RET_OK 表示成功,否则表示失败。
*/

ret_t aw_plc_fb_factory_register(const char* type, aw_plc_fb_create_t create);

这种机制非常好用,真正满足了 SOLID 原则中的开放封闭原则 (OCP):扩展新的功能无需修改框架代码。在 ZLG 开源 GUI 引擎中,也大量使用了这种带注册功能的工厂模式,有兴趣的朋友可以去看看 AWTK 的代码。


  ZTIMER

前面我们说过,可扩展性除了针对接口编程外,离不开工厂模式的支持。功能块的工厂其任务当然是创建功能块了,所以提供了一个创建功能块的函数。参数 type 指定功能块的类型,函数返回对应类型的功能块:
1. ZTIMER 的结构
在 C 语言中,一般用结构来模拟类,把基类作为结构的第一个成员来模拟继承。这里必须让 aw_plc_fb_t 作为 aw_plc_fb_ztimer_t 的第一个成员。

/**
* @class aw_plc_fb_ztimer_t
* @parent aw_plc_fb_t
* @annotation ["fb"]
* 循环定时器。
*
* > 当输入 IN 为 TRUE 时,开始计时,输出 Q 为 FALSE,ET 开始记录过去的时间。
* > 定时时间到时,COUNT 增加 1, 输出 Q 在本次循环为 TRUE,ET 重置为 0。
* > 输入 IN 为 FALSE 时重置定时器。
*/
typedef struct _aw_plc_fb_ztimer_t {
  aw_plc_fb_t fb;

  /**
   * @property {bool_t} in
   * @annotation ["in"]
   * 为 TRUE 开始计时,为 FALSE 时重置定时器。
   */
  bool_t in : 1;

  /**
   * @property {iec_time_t} pt
   * @annotation ["in"]
   * 预设时间 (ms)。
   */
  iec_time_t pt;

...

} aw_plc_fb_ztimer_t;

这里的 API 注释采用了 AWTK 中定义的格式,但是对 annotation 做了一点扩展,增加了 3 个新的取值:


    fb 表示这是一个功能块;

    in 表示这是一个输入参数;

    out 表示这是一个输出参数。

2. ZTIMER 的实现
每个功能块必须提供虚函数表中定义的函数,不过主要代码集中 exec 函数里(其它函数可以自动生成出来):
static ret_t aw_plc_fb_ztimer_exec(aw_plc_fb_t* fb) {
  aw_plc_fb_ztimer_t* ztimer = AW_PLC_FB_ZTIMER(fb);

  if (aw_plc_fb_before_exec(fb) == RET_OK) {
    ztimer->current_time = aw_plc_now_ms();
    if (ztimer->state == 0 && !ztimer->prev_in && ztimer->in) {
      ztimer->state = 1;
      ztimer->q = FALSE;

      ztimer->et = 0;
      ztimer->count = 0;
      ztimer->start_time = ztimer->current_time;
    } else {
      if (!ztimer->in) {
        ztimer->q = FALSE;
        ztimer->state = 0;

        ztimer->et = 0;
        ztimer->count = 0;
        ztimer->start_time = ztimer->current_time;
      } else if (ztimer->state == 1) {
        if ((ztimer->start_time + ztimer->pt) <= ztimer->current_time) {
          ztimer->q = TRUE;

          ztimer->et = 0;
          ztimer->count++;
          ztimer->start_time = ztimer->current_time;
        } else {
          ztimer->q = FALSE;
          ztimer->et = ztimer->current_time - ztimer->start_time;
        }  
      }  
    }  
    ztimer->prev_in = ztimer->in;
  }

  return RET_OK;

}

3. 注册 ZTIMER
功能块需要注册到前面介绍的功能块工厂:
aw_plc_fb_factory_register(AW_PLC_FB_TYPE_ZTIMER, aw_plc_fb_ztimer_create);

坦白的讲,本文只是介绍了实现自定义功能块的关键步骤,实际工作要麻烦很多。如果手工去做这些工作,开发一个功能块还觉得好玩,而开发几十个甚至几百个功能块,人不会变疯就会变傻。下一篇文章会我们介绍一下,如何用代码生成器来完成这些单调的工作,让开发自定义功能块成为一项快乐的工作。

AWPLC 目前还处于开发阶段的早期,写这个系列文章的目的,除了用来验证目前所做的工作外,还希望得到大家的指点和反馈。如果您有任何疑问和建议,请在评论区留言。


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