CN115857418B - 一种基于耦合设计的可编程逻辑控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于耦合设计的可编程逻辑控制系统；所述控制系统包括处理模块、接口模块、输入/输出模块以及电源模块；所述处理模块包括一个或以上的处理单元，以及与所述处理单元连接的存储器；所述存储器包括存储一个或以上在所述处理单元中执行的线程的执行效率指数；所述执行效能指数用于评价线程执行的效率；所述处理模块还包括线程调度单元，用于根据所述执行效率指数对线程进行调度到指定的多个所述处理单元以平衡运算负载；并且，当执行中的线程的效能处于警告级别时，包括调度一个或以上线程到所述输出模块中的所述微控制器继续执行；以上设置有效降低用户在对控制系统进行升级和扩展性的技术局限和成本，同时提高控制系统的性能冗余。

Description

一种基于耦合设计的可编程逻辑控制系统

技术领域

本发明涉及数字处理装置领域。具体而言，涉及一种基于耦合设计的可编程逻辑控制系统。

背景技术

我国市场上绝大部分的可编程逻辑控制器（PLC）产品都是进口设备。在实际应用中，大中型产品欧美品牌占据优势，小型应用日本品牌占据优势，而我国自主的PLC产品市场份额十分微小。另外，在所有的国产PLC中，所采用的核心芯片均为国外产品，真正做到芯片级国产化的基本没有，芯片级安全无法保障。工业自动化领域的自动控制系统方面被外国垄断，对我国工业体系的独立和安全造成了巨大的不利。为了实现工业控制系统的自主可控，从根本上避免芯片后门，产品漏洞等安全威胁，确保国家重大型工业的安全生产，跟踪当前国际先进的PLC设计理念，基于自主知识产权国产CPU芯片，研制出具有高性能，高可靠，满足我国工控安全需要的PLC系统具有重大战略意义。在工业控制现场，控制系统需要长期连续运行，对系统中各个模块的稳定性和可靠性有着严苛的要求，同时数字输出模块（DO模块）作为控制信号的输出单元，其数据传输的实时性对控制行为的实时响应起着极为关键的作用。

根据已公开的技术方案，公开号为CN201220572296的技术方案公开了一种基于总线的防水型数字量输出模块，通过设置多个防护组件实现输出模块的防护等级为IP65，可在室外或者环境较为恶劣的环境下使用；并且该技术方案的数字输出模块具有硬件冗余功能，当主板出现故障，从板可以继续工作。公开号为CN201220235266的技术方案公开了一种可热插拔的PLC数字量输出模块，其属于PLC数字量输出装置技术领域；所要解决的技术问题是提供一种带热插拔保护功能的PLC数字量输出模块；公开号为CN200820219632的技术方案公开了一种不用CPU的MVB数字量输出模块，包括DO隔离电路和MVB物理接口，其内部设有曼彻斯特编解码单元、逻辑控制单元的FPGA；所述MVB总线通过MVB物理接口将信号传送给FPGA进行处理后，通过DO隔离电路传出；另外，还配有MVB地址配置器输入模块分配设备地址和逻辑地址。该MVB数字量输出模块符合IEC-61375的标准，具有高可靠性和高稳定性，其中CPU和MVB协议控制器由一片FPGA完成，简化了电路结构特别适合在机车领域广泛使用。

以上技术方案均提及对于PLC控制系统中输出模块的输出处理优化以及稳定性优化，而对于PLC控制系统的整体优化方面，输出模块还可以作出更多的表现。

背景技术的前述论述仅意图便于理解本发明。此论述并不认可或承认提及的材料中的任一种公共常识的一部分。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于耦合设计的可编程逻辑控制系统；所述控制系统包括处理模块、接口模块、输入/输出模块以及电源模块；所述处理模块包括一个或以上的处理单元，以及与所述处理单元连接的存储器；所述存储器包括存储一个或以上在所述处理单元中执行的线程的执行效率指数；所述执行效能指数用于评价线程执行的效率；所述处理模块还包括线程调度单元，用于根据所述执行效率指数对线程进行调度到指定的多个所述处理单元以平衡运算负载；并且，当执行中的线程的效能处于警告级别时，包括调度一个或以上线程到所述输出模块中的所述微控制器继续执行；以上设置有效降低用户在对控制系统进行升级和扩展性的技术局限和成本，同时提高控制系统的性能冗余。

本发明采用如下技术方案：

一种基于耦合式设计的可编程逻辑控制系统，所述控制系统包括处理模块、输入/输出模块以及电源模块；其中，

所述处理模块被配置为运行监控程序检测内部所述控制系统内各模块的工作状态，并控制各模块进行工作；并且包括采集外部设备的工作数据，根据采集获得的数据基于用户已编写的程序，执行对外部设备的控制；

所述输入/输出模块包括至少一个输入模块以及至少一个输出模块；所述输入模块被配置为采集外部设备的工作数据；所述输出模块被配置为将所述处理模块的控制指令转换为外部设备的可读格式并发送到指定的外部设备；

所述电源模块，被配置为向所述控制系统中的各模块提供工作电源；

其中，所述输出模块应用一种输出电路；所述输出电路包括电路连接的微控制器、输入端电路、耦合器、输出端电路；所述微控制器通过数据总线与所述处理模块通讯连接；

所述处理模块包括一个或以上的处理单元，以及与所述处理单元连接的存储器；所述存储器包括存储一个或以上在所述处理单元中执行的线程的执行效率指数；所述执行效能指数用于评价线程执行的效率；

所述处理模块还包括线程调度单元，用于根据所述执行效率指数对线程进行调度到指定的多个所述处理单元以平衡运算负载；并且，当执行中的线程的效能处于警告级别时，包括调度一个或以上线程到所述输出模块中的所述微控制器继续执行；

优选地，所述输出模块中的所述微控制器为龙芯3A5000处理器；

优选地，所述耦合器为数字耦合隔离器；

优选地，所述处理模块的每个所述处理单元以及所述微控制器的负载状态数据；监测到的所述负载状态数据将被存储到所述存储器中，所述线程调度单元周期性地获取所述负载状态数据；

优选地，所述输入/输出模块基于耦合式设计，其安装尺寸和安装方式具有一致性，适合快速安装到原有的控制系统的机柜和层架中；并且在接入所述控制系统后，与所述处理模块进行主动握手通讯，从而被所述处理模块快速识别并且并入原有控制系统；

优选地，线程的所述执行效率指数E基于以下计算方式计算：

，式1；

其中，E_n代表第n号线程的执行效率指数；k为设备权重系数，A为线程的优先等级，k和A由线程所在任务的所属外部设备而定，并由相关管理人员进行初始设置；t_w为线程已等待时长，t_e为完成该线程的预估需要运算的时长；z_n为偏置数，由负责第n 号线程的所述处理单元的负载实时调整；

优选地，所述存储器包括存储多组k和A参数的组合，并且存储多个所述执行效率指数E_n的上限值E_limit；所述上限值E_limit由任务在分解为线程进行运算时，根据任务的紧急程度生成并赋予每个线程；

进一步的，所述线程调度单元通过实时地计算每个线程的所述执行效率指数E_n，并且将E_n与上限值E_limit进行比较，当E_n>E_limit时，评价该线程处于警告级别；

优选地，所述线程调度单元根据以下调度方法，对处于警告级别的线程从所述处理模块调度到所述微控制器：

S100：确定线程的优先等级是否低于可调度等级；若是，则执行S200；若否则停止对该线程的调度操作；

S200：确定线程所控制的外部设备连接的所述输出模块作为目标调度模块，并确定其地址；

S300：确定所述目标调度模块是否处于可用状态；

S400：将待调度的线程以及相关的程序代码通过总线传输到所述微控制器。

本发明所取得的有益效果是：

本发明的控制系统通过设置线程调度单元，通过对处理线程的实时监控，平衡处理模块中多个处理单元的负载，防止重要线程处于长期等待，或被低优先级线程过多占用运算资源的情况；

本发明的控制系统对线程的调度包括从处理模块向外部连接的输出模块进行调度；通过使用输出模块对特定数据部分的分担处理，降低了处理模块的负载压力，针对高优先级

本发明的控制系统通过配置包括有高效微处理器的输出模块，加强了输出模块对处理后数据的数据处理能力，降低控制系统在数据通讯线路上的延迟；

本发明的控制系统中各软、硬件部分采用了模块化设计，方便今后的升级或者更换相关的软、硬件环境，降低了使用的成本。

附图说明

从以下结合附图的描述可以进一步理解本发明。图中的部件不一定按比例绘制，而是将重点放在示出实施例的原理上。在不同的视图中，相同的附图标记指定对应的部分。

图1为本发明所述控制系统的整体示意图；

图2为本发明实施例中线程调度单元的调度步骤示意图；

图3为本发明实施例中线程的多个状态的示意图。

附图标号说明：

10-外部设备；110-处理模块；112-处理单元；114-存储器；116-线程调度单元；120-输出模块；122-微控制器；124-输入端电路；126-耦合器；128-输出端电路；130-输入模块。

具体实施方式

为了使得本发明的目的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明；应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明 ，并不用于限定本发明。对于本领域技术人员而言，在查阅以下详细描述之后，本实施例的其它系统、方法和/或特征将变得显而易见。旨在所有此类附加的系统、方法、特征和优点都包括在本说明书内。包括在本发明的范围内，并且受所附权利要求书的保护。在以下详细描述描述了所公开的实施例的另外的特征，并且这些特征根据以下将详细描述将是显而易见的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必须具有特定的方位。以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

实施例一：

如附图1所示，一种基于耦合式设计的可编程逻辑控制系统，所述控制系统包括处理模块110、输入/输出模块以及电源模块；其中，

所述处理模块110被配置为运行监控程序检测内部所述控制系统内各模块的工作状态，并控制各模块进行工作；并且包括采集外部设备10的工作数据，根据采集获得的数据基于用户已编写的程序，执行对外部设备10的控制；

所述输入/输出模块包括至少一个输入模块130以及至少一个输出模块120；所述输入模块被配置为采集外部设备10的工作数据；所述输出模块120被配置为将所述处理模块110的控制指令转换为外部设备10的可读格式并发送到指定的外部设备10；

所述电源模块，被配置为向所述控制系统中的各模块提供工作电源；

其中，所述输出模块120应用一种输出电路；所述输出电路包括电路连接的微控制器122、输入端电路124、耦合器126、输出端电路128；所述微控制器122通过数据总线与所述处理模块110通讯连接；

所述处理模块110包括一个或以上的处理单元112，以及与所述处理单元112连接的存储器114；所述存储器114包括存储一个或以上在所述处理单元112中执行的线程的执行效率指数；所述执行效能指数用于评价线程执行的效率；

所述处理模块110还包括线程调度单元116，用于根据所述执行效率指数对线程进行调度到指定的多个所述处理单元112以平衡运算负载；并且，当执行中的线程的效能处于警告级别时，包括调度一个或以上线程到所述输出模块120中的所述微控制器122继续执行；

优选地，所述输出模块120中的所述微控制器122为龙芯3A5000处理器；

优选地，所述耦合器为数字耦合隔离器；

优选地，所述处理模块110的每个所述处理单元112以及所述微控制器122的负载状态数据；监测到的所述负载状态数据将被存储到所述存储器114中，所述线程调度单元116周期性地获取所述负载状态数据；

优选地，所述输入/输出模块基于耦合式设计，其安装尺寸和安装方式具有一致性，适合快速安装到原有的控制系统的机柜和层架中；并且在接入所述控制系统后，与所述处理模块110进行主动握手通讯，从而被所述处理模块110快速识别并且并入原有控制系统；

优选地，线程的所述执行效率指数基于以下计算方式计算：

，式1；

其中，E_n代表第n号线程的执行效率指数；k为设备权重系数，A为线程的优先等级，k和A由线程所在任务的所属外部设备而定，并由相关管理人员进行初始设置；t_w为线程已等待时长，t_e为完成该线程的预估需要运算的时长；z_n为偏置数，由负责第n 号线程的所述处理单元112的负载实时调整；

优选地，所述存储器114包括存储多组k和A参数的组合，并且存储多个所述执行效率指数E_n的上限值E_limit；所述上限值E_limit由任务在分解为线程进行运算时，根据任务的紧急程度生成并赋予每个线程；

进一步的，所述线程调度单元116通过实时地计算每个线程的所述执行效率指数E，并且将E_n与上限值E_limit进行比较，当E_n>E_limit时，评价该线程处于警告级别；

优选地，如附图2所示，所述线程调度单元116根据以下调度方法，对处于警告级别的线程从所述处理模块110调度到所述微控制器122：

S100：确定线程的优先等级是否低于可调度等级；若是，则执行S200；若否则停止对该线程的调度操作；

S200：确定线程所控制的外部设备连接的所述输出模块作为目标调度模块，并确定其地址；

S300：确定所述目标调度模块是否处于可用状态；

S400：将待调度的线程以及相关的程序代码通过总线传输到所述微控制器；

在计算机的处理模块110执行具体的任务时，会将任务处理为进程；一个进程指的是一个正在执行的应用程序；而在一个进程中，至少包括一个线程；线程的功能是执行应用程序中的某个具体任务，比如一段程序、一个函数等；线程和进程之间的关系，类似于工厂和工人之间的关系，进程好比是工厂，线程就如同工厂中的工人。一个工厂可以容纳多个工人，工厂负责为所有工人提供必要的资源（电力、产品原料、食堂、厕所等），所有工人共享这些资源，每个工人负责完成一项具体的任务，他们相互配合，共同保证整个工厂的平稳运行；

每个进程执行前，操作系统都会为其分配所需的资源，包括要执行的程序代码、数据、内存空间、文件资源等；一个进程至少包含 1 个线程，但更多情况下一个进程包含多个线程，所有线程共享进程的资源，各个线程也可以拥有属于自己的私有资源；进程仅负责为各个线程提供所需的资源，真正执行任务的是线程，而不是进程；

而在实际的工业化控制系统中，由于存在一个或多个的数据来源，同时存在一个或多个的待控制的外部设备，因此控制系统同时在运行中的进程数可能十分庞大，而这些进程对应的线程更为庞大和复杂；然而对于基于PLC模块的控制系统，需要在有限的运算能力下应对多个线程，则需要对线程进行高效的调配，以应对控制系统的需求；

另一方面，在实际的控制系统中，多个数据具有多个采集来源；部分的数据由于其具有重要性，因此需要确保控制系统需要及时对重要数据进行采集并且其后续处理需要及时且低延迟；类似地，对于重要的设备，控制系统需要及时作出控制处理；因此，在运行这些重要的任务时，则对对应于这些任务的进程或线程赋予较高的优先级；

如附图3所示，为一个线程在执行过程中的多个状态的示意图；线程在可执行状态302、执行中状态304、阻塞状态306以及消灭状态308之间切换；在可执行状态时，待执行的线程形成可执行队列，竞争处理单元112的运算资源；当线程获得运算资源后，线程切换到执行中状态304执行；执行中的线程需暂停等待某事件(例如，输入输出中断事件)，线程即切换到阻塞状态306；当线程所等待的事件发生但处理器资源已经被其他更高优先权的线程占据时（对应判断方块310，释放出来的线程仅为可执行但无法立即执行），释放出的线程切换至可执行状态302且被推入可执行队列；反之，释放出的线程切换回执行中状态304完成后续动作；当线程遭强制终止或系统程序结束，线程系切换到消灭状态308；

此外，执行中的线程会在面临更高优先权之线程时被夺走处理器资源，因而延滞执行；被延滞执行的线程应当脱离执行中状态304且再次被推入可执行队列成可执行状态302；

同时，基于本发明所需要解决的线程的调度问题，需要先对待处理的线程进行评价；如上述式1中所示，每个外部设备具有其自描述自身在控制系统中的优先程度的系数k，并且控制系统针对于每个外部设备的多个任务以及相应产生的多个线程的优先程度，以参数A进行描述；因此，所述存储器114中保存有多组参数k和参数A的数值，以囊括控制系统中已接入的外部设备的各种控制要求；并且这些参数都由相关管理人员进行设定；

进一步的，设定参数t_w为线程已等待时长，t_e为完成该线程的预估需要运算的时长；当线程在已等待时长和预计等待时长逐渐增加的过程中，将其作为线程的执行效率的重要计算因素之一；将等待时长与外部设备的权重程度的积进行计算，可以有效描述线程的延滞对于系统的影响；

进一步的，使用z_n作为偏置数，由负责第n号线程的所述处理单元112的负载实时调整；其中z_n可以通过以下计算方式求得：

，式2；

其中，p为负责第n号线程的处理单元的预置权重，可以由控制系统的设计人员基于所述处理模块110的性质进行设定，例如基于采用的处理模块110的架构、功耗上限或者处理单元的数量等；η为该处理单元在最近10个单位时间（每个单位时间可以为1ms，或者2ms）的平均负载；M为该处理单元的预设处理能力；通过式2 计算，当该处理单元的持续负载较高，并且处理能力较低时，偏置数z_n的数值则相对较高，因此影响E_n将具有更大的起始数值；

同时，通过设定每个线程的执行效率指数上限值E_limit,当超过该上限值时，则代表该线程已到达较为紧急需要处理的状态了，需要作出特殊的调度优先进行。

实施例二：

本实施例应当理解为至少包含前述任意一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进：

进一步的，所述输出模块120采用的微控制器122为龙芯3A5000处理器；该处理器具有功耗较低，而单位功耗的处理能力较高的特点，适用于作为PLC系统中的处理器；同时，龙芯3A5000处理器的架构能适用于常见的控制系统指令集，能够与各类型的处理模块110以及其处理单元进行并行通讯同时兼容其控制程序；因此可作为处理模块110的辅助使用；

进一步的，在所述输出模块120亦优选地同样设置有随机存储器；当线程被安排调度到所述输出模块120进行处理时，其对应所需要的程序代码以及相关数据亦由所述处理模块110发送到指定的输出模块的随机存储器进行缓存，并随时被微控制器122进行调用和运算；

进一步的，需要对一个输出模块进行预判定，以判断其是否进行线程调度；

在一种示例的实施方式中，包括判定一个待调度的线程所相关的外部设备是否与目标调度模块相关；若该外部设备与目标调度模块不相关，或者相关性甚低，则不允许作出此次调度；

在一种示例的实施方式中，包括判定一个待调度的线程是否属于可调度的线程；若该线程的优先等级较高，或者对应的外部设备的权重较高；则应优先在所述处理模块110内部的处理单元中进行调度；

在一种示例的实施方式中，需要判定目标调度模块是否处于空闲状态；通常情况下，虽然大部分的控制系统的运算任务都将由所述处理模块完成，但当在偶然情况下，所述输出模块亦出现拥堵时，则不适合将线程调度到输出模块，这将进一步加重输出模块的延迟情况。

实施例三：

本实施例应当理解为至少包含前述任意一个实施例的全部特征，并在其基础上进一步改进：

为进一步提高所述控制系统的数据稳定性，以及更好地与外部设备实施电气隔离，因此所述输出模块优选地采用一种输出隔离电路；

一种示例性的实施方式中，所述输出模块可以为模拟量输出模块；其内部的输出隔离电路包括自带DAC模块的微控制器、输入端电路、耦合器以及输出端电路；微控制器通过总线接收所述处理模块110发送来的电压模拟量输出命令，经内部DAC模块运算产生电压模拟量；该电压模拟量输出给输入端运算放大器及其外围器件组成的输入端电路，经输入端电路运算放大后的电压加载到耦合器上，达到输入及输出电路间电流隔离的作用；输出端运算放大器及外围电路组成跨阻放大器，将耦合器输出电流或电压作进一步整理和放大，并统一转换为电压信号；根据输出电压范围要求，改变运算放大器外围电路参数，即可设置输出电压模拟量范围；当微控制器内部DAC模块产生满量程电压模拟量时，对应输出0V～5V或0V～10V等电压模拟量范围；

其中，常见于PLC系统上的耦合器为光电耦合器，但是由于光电耦合器使用来自LED的光通过隔离屏障传输数据，因此在数据传输应用中，LED打开时为逻辑高电平 （LogicHIGH），而关闭时为逻辑低电平（Logic LOW），这意味着在传输的过程中会持续产生功秏；然而，以CMOS为基础的数字耦合隔离器使用电感（磁性）或电容耦合来传输讯号，有较快速的传输响应，可以利用编码来表达逻辑高电平和逻辑低电平；同时，数字耦合隔离器能在长时间的高电平下减少功秏，同时能够处理复杂的双向接口，如485和I2C；因此对于提高电路的隔离效果，并且为了适应高效能的控制系统方案，优先地采用数字耦合隔离器；

数字耦合隔离器具有以下优点：能效有效提高数据速率和时序特性；集成多个隔离通道和其它功能，可缩小尺寸、降低成本；功耗比光学耦合器降低约70%至80%；连接其它数字器件所需的外部元件比光学耦合器更少；无需光学耦合器所用的LED，提高可靠性；此外， 数字耦合隔离器有较佳的共模瞬态抗扰度（CMTI）性能；CMTI对隔离效果非常重要，因为高摆率(高频率)瞬变可能会破坏隔离栅之间的数据传输；CMTI通常以千微伏每微秒(kV/us) 为单位进行测量，指的是隔离器介于输入和输出之间拒绝噪声的能力；高CMTI意味着较强的隔离能力，数字隔离器的CMTI可达 200kV/us ， 而光耦合器普遍较低；

通过在所述输出模块中采用数字耦合隔离器，使得所述控制系统能够同时连接并控制更多的外部设备，并且所述控制系统的内部模块与外部设备之间的数据通讯更为高效，而多个数据流之间的干扰情况得到更好的抑制；同时，在耦合更多的输出模块时，所述控制系统的整体功耗得到一定程度的下降，更有利于减少控制柜内部的功耗情况，减小热量产生，所述处理模块110能持续地以更高工作频率进行工作，而避免频繁地将线程运算调度到所述输出模块中进行；

其中，所述存储器114为一种计算机可读介质；存储器包括存储可由所述微处理器读取的计算机指令；在本公开中，计算机可读介质可以包括计算机存储介质和/或通信介质，其可以包括易失性存储器、非易失性存储器和/或其他永久和/或辅助计算机存储介质、可移动和非非易失性存储器中的一种或多种以任何方法或技术实现的可移动计算机存储介质，用于存储计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息；

进一步的，所述存储器包括但不限于随机的-存取存储器（“RAM”）、静态随机存取存储器（“SRAM”）、动态随机存取存储器（“DRAM”）、相变存储器（“PCM”）、只读存储器（“ROM”），可擦除可编程只读存储器（“EPROM”）、电可擦除可编程只读存储器（“EEPROM”）；

在更多的实施方式中，所述存储器可以包括用于数据存储，例如数据库、数据仓库或其他类型的结构化或非结构化数据存储；此外，数据存储可以包括语料库和/或具有一个或多个表、索引、存储过程等的关系数据库，以实现数据访问，包括一个或多个超文本标记语言（“HTML”）表、资源描述例如，框架（“RDF”）表、网络本体语言（“OWL”）表和/或 XML 表；此外，数据存储还可以存储用于存储在计算机可读介质中和/或由一个或多个处理单元和/或加速器执行的进程、应用程序、组件和/或模块的操作的数据；此外，每个计算机可读介质还可以包括操作系统和应用程序编程接口。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

虽然上面已经参考各种实施例描述了本发明，但是应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以进行许多改变和修改。也就是说上面讨论的方法，系统和设备是示例。各种配置可以适当地省略，替换或添加各种过程或组件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序执行方法，和/或可以添加，省略和/或组合各种部件。而且，关于某些配置描述的特征可以以各种其他配置组合，如可以以类似的方式组合配置的不同方面和元素。此外，随着技术发展其中的元素可以更新，即许多元素是示例，并不限制本公开或权利要求的范围。

在说明书中给出了具体细节以提供对包括实现的示例性配置的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践配置例如，已经示出了众所周知的电路，过程，算法，结构和技术而没有不必要的细节，以避免模糊配置。该描述仅提供示例配置，并且不限制权利要求的范围，适用性或配置。相反，前面对配置的描述将为本领域技术人员提供用于实现所描述的技术的使能描述。在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

综上，其旨在上述详细描述被认为是例示性的而非限制性的，并且应当理解，以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (8)

1.一种基于耦合式设计的可编程逻辑控制系统，其特征在于，所述控制系统包括处理模块、接口模块、输入/输出模块以及电源模块；其中，

所述处理模块被配置为监测所述控制系统内各模块的工作状态，并控制各模块进行工作；并且包括采集外部设备的工作数据，根据采集获得的数据，执行对外部设备的控制；

所述输入/输出模块包括至少一个输入模块以及至少一个输出模块；所述输入模块被配置为采集外部设备的工作数据；所述输出模块被配置为将所述处理模块的控制指令转换为外部设备的可读格式并发送到指定的外部设备；

所述电源模块，被配置为向所述控制系统中的各模块提供工作电源；

其中，所述输出模块应用一种输出电路；所述输出电路包括电路连接的微控制器、输入端电路、耦合器和输出端电路；所述微控制器通过数据总线与所述处理模块通讯连接；

所述处理模块包括一个或以上的处理单元，以及与所述处理单元连接的存储器；所述存储器包括存储一个或以上在所述处理单元中执行的线程的执行效率指数；所述执行效率指数用于评价线程执行的效率；

所述处理模块还包括线程调度单元，用于根据所述执行效率指数对线程进行调度到指定的多个所述处理单元以平衡运算负载；并且，当执行中的线程的效能处于警告级别时，包括调度一个或以上线程到所述输出模块中的所述微控制器继续执行。

2.如权利要求1所述控制系统，其特征在于，所述输出模块中的所述微控制器为龙芯3A5000处理器。

3.如权利要求2所述控制系统，其特征在于，所述耦合器为数字耦合隔离器。

4.如权利要求3所述控制系统，其特征在于，所述处理模块的每个所述处理单元以及所述微控制器的负载状态数据将被周期性监测；监测到的所述负载状态数据将被存储到所述存储器中，所述线程调度单元周期性地获取所述负载状态数据。

5.如权利要求4所述控制系统，其特征在于，所述输入/输出模块基于耦合式设计，其安装尺寸和安装方式具有一致性，适合快速安装到原有的控制系统的机柜和层架中；并且在接入所述控制系统后，与所述处理模块进行主动握手通讯，从而被所述处理模块快速识别并且并入原有控制系统。

6.如权利要求5所述控制系统，其特征在于，线程的所述执行效率指数基于以下计算方式计算：

；

其中，E_n代表第n号线程的执行效率指数；k为设备权重系数，A为线程的优先等级，k和A由线程所在任务的所属外部设备而定，并由相关管理人员进行初始设置；t_w为线程已等待时长，t_e为完成该线程的预估需要运算的时长；z_n为偏置数，由负责第n 号线程的所述处理单元的负载实时调整。

7.如权利要求6所述控制系统，其特征在于，所述存储器包括存储多组k和A参数的组合，并且存储多个所述执行效率指数E_n的上限值E_limit；所述上限值E_limit由任务在分解为线程进行运算时，根据任务的紧急程度生成并赋予每个线程；

所述线程调度单元通过实时地计算每个线程的所述执行效率指数E_n，并且将E_n与上限值E_limit进行比较，当E_n>E_limit时，评价该线程处于警告级别。

8.如权利要求7所述控制系统，其特征在于，所述线程调度单元根据以下调度方法，对处于警告级别的线程从所述处理模块调度到所述微控制器：

S100：确定线程的优先等级是否低于可调度等级；若是，则执行S200；若否则停止对该线程的调度操作；

S200：确定线程所控制的外部设备连接的所述输出模块作为目标调度模块，并确定其地址；

S300：确定所述目标调度模块是否处于可用状态；

S400：将待调度的线程以及相关的程序代码通过总线传输到所述微控制器。

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