PART.01
为啥要用“树莓派”？
Raspberry Pi(中文名为“树莓派”)是为学生计算机编程教育而设计，只有信用卡大小的卡片式电脑。树莓派基于开放式Linux系统，可以自由进行C/C++、Python、Javascript等等编程语言的开发，为众多编程爱好者提供了的学习测试平台。借助于开放式的软硬件资源，让我们快速实现IEC61131-3标准的边缘计算PLC产品成为了可能。
什么是边缘计算PLC？
正式介绍实现树莓派边缘计算PLC之前我们还是需要看看边缘计算PLC的概念提出的背景。在工业4.0时代，传统的控制技术OT(Operation Technology)与信息技术IT(Information Technology)的边界越来越模糊，目前在工业自动化领域如果需要将传统PLC控制器与IT系统进行结合，大量使用网关产品，在目前阶段也许这是无奈之举。
系统架构的复杂化大大增加了工业数据的延时，降低了大数据的采集效率，从而制约了未来的工业大数据分析的性。所有的工业原始数据将由云平台服务器进行收集以及分析，随着工厂应用越来越复杂，云平台的算力限制以及数据库的臃肿不堪都将使得未来工业智能面临极大的挑战。
我们需要尽可能简化工业4.0时代的系统设计，需要一种新型的PLC产品能够将OT与IT技术相融合，既能高速处理工业现场OT数据，能够承担与IT系统的开放式交互，并且具有一定的运算能力可以对大量的工业现场OT数据进行预处理，仅仅交付云平台需要的数据，而不是所有的数据处理功能都在云平台上完成，这就是我们理想中的边缘计算PLC。
为了实现这一目标，除了强大的数据处理能力，大容量的存储器等等硬件支持以外，在软件上需要支持开放式OT与IT平台，例如：IEC61131-3编程、PLCopen MC运动控制、EtherCAT、CANopen、Modbus等等传统OT技术，开放式物联网编程平台Node-RED、本地嵌入式数据库、OPC-UA、MQTT等等IT技术。
而树莓派作为的主角是一个非常不错的硬件平台，基于x86架构的PC based解决方案则会为我们开启一扇窗，本部分文章中，我们将聚焦分析树莓派实现边缘计算PLC的关键技术点。
树莓派硬件用于工业控制可能会有啥问题？
稳定可靠的硬件是工业控制器的基础，有强大的开源社区软硬件资源的支持，由于标准的树莓派（包括新的树莓派3B/3B+/4B）产品硬件不是面对工业级的应用而设计，仅仅适用于实验、学习与测试，而不适合于在环境较复杂以及对可靠性要求较高的工业现场进行使用。面对工业级产品应用，树莓派官方社区发布了新的树莓派3B+ Compute Module核心板（后面统一简称树莓派CM核心板），通过DDR2 SODIMM接口连接扩展板信号，可以用于工业级控制器产品设计：
这里我们也为大家初步整理了下树莓派3B+ Compute Module核心板的相关技术参数：
处理器：Broadcom BCM2837B0, Cortex-A53 (ARMv8) 64-bit SoC @ 1.2GHz
RAM存储器：1GB LPDDR2 SDRAM
Flash存储器：8GB/16GB/32GB eMMC Flash
工作温度范围：-25℃ - 80℃
硬件认证：
Electromagnetic Compatibility Directive (EMC) 2014/30/EU
Restriction of Hazardous Substances (RoHS) Directive 2011/65/EU
维护截止日期：2026年1月
从整体硬件规格来看，树莓派CM核心板在硬件设计上保持比较高的规格，处理器性能较高，存储器空间非常大，成本较低，符合工业级的温度以及硬件认证要求，并且其硬件设计原理图完全都公开，基于树莓派CM核心板实现的PLC产品可以有极高的运算性能与超大的存储器空间。
经过全面分析，我们认为树莓派CM核心板处理器面向工业控制应用时，其外设接口上依然偏少，比如实现工业控制器的RS232/RS485/RS422接口的UART外设只有2个，没有CAN总线接口，以太网必须通过USB接口的芯片扩展出，大大限制网络交互实时性，对于一些速度要求较快的现场总线将会是较大的挑战：如EtherCAT，主要受限于该模块内部的USB转以太网接口芯片的带宽以及USB芯片处理以太网报文的实时性。
当然我们需要给予基于树莓派CM核心板开发的工业控制器产品一个合适的定位，充分发挥出其硬件特点。通常传统工业控制器使用的处理器主频较低，存储器空间非常有限，对于树莓派CM工业控制器来说，就是应该发挥出其高性能运算以及大存储容量的特点，原来传统工业控制需要上到云端进行的运算以及数据存储，可以根据需要下放到树莓派CM工业控制器上实现，这就是我们在前面介绍的边缘计算PLC的概念，其还可以通过工业现场总线以及通讯协议与其他工业控制器或者传感器进行通讯，如：Modbus、CANopen、EtherCAT、OPC-UA等等。
关于硬件部分，后需要特别说明的一点：树莓派CM核心板处理器发热较严重，设计需要做好散热工作，同样其功耗较高，并不适合一些低功耗或者对控制器发热量有要求的应用场景。
PART.02
树莓派提供了标准开源Linux系统Raspbian（基于Debian的发行版）支持，标准的Linux用于工业控制系统时，我们永远绕不开一个话题：实时性Realtime。
工业控制器到底是否需要实时性？
工业控制器到底是否需要实时性？这是在开发工业控制器产品时很常见的问题。实时性的定义就是系统在规定时间内的响应能力，这里的“规定时间”没有明确的定义，实时性的要求是与实际现场应用紧密结合的。
举个例子，例如：我们使用手机过程中，点击一个界面后，手机响应快一点或者慢一点，我们的使用者感觉是不一样的，这个就是一种实时性的体现。
安卓系统手机使用时间越长，响应速度会越慢，实时性就越低，而苹果手机相对安卓手机的实时性就要高很多，感觉更流畅，我们对手机的实时性是有要求的。日常生活中的应用要求实时性要求并不高，并且出现了偶然性的超时，并不会造成严重的后果，多体验上稍稍差了点，这就是软实时的概念。
在咱们工业自动化领域的控制器则有些小目标，有些工业应用场景要求非常高，在接收到外部信号后需要立即进行处理并输出信号，通常使用PLC中断子程序来进行处理。而要求不是很高的场景通常使用指定的周期进行循环即可：读取I/O信号->进行逻辑处理->输出I/O信号，通常根据应用场景不同达到jingque的1-500ms的PLC程序执行循环周期，PLC工作原理如下图所示：
无论是触发外部信号中断立即执行PLC程序逻辑，还是jingque定时从而可以达到jingque的1-200ms循环周期执行PLC程序逻辑，本文中涉及树莓派的Linux操作系统实时性就是非常关键的因素，而实时性与操作系统的定时精度、中断响应时间、任务切换时间等等因素的确定性都息息相关，相关因素的时间需要具有严格确定性才可以称之为硬实时。
不同场景以及对PLC循环周期的要求
这里我们通过下面的例子讲解不同的应用场景对于实时性以及PLC循环周期的要求：
运动控制场景
控制器通过EtherCAT总线控制驱动器，PLC系统通常需要在收到数据50us以内就做出总线数据处理，这样才能实现稳定的1ms周期循环发送位置指令给驱动器。
工厂自动化场景
智能制造工厂内的实时数据需要稳定实现4-32ms的周期性数据通讯。
过程控制场景
而过程控制应用场景（如水处理、油气、化工、电力等等行业）控制周期则在100-500ms范围。
无论如何，工业控制器作为工业自动化的核心大脑，是不允许出现任何偶发性超出实时性要求的情况发生，不然会对整个复杂的工业现场造成极大的风险，这就是硬实时的概念，也是一些国产品牌工业控制器不稳定的源头之一（在研发工业控制器产品前，操作系统选型上可以参考国外类似控制器产品的选型，尽可能选用稳定可靠的实时操作系统，如：FreeRTOS、embOS、Keil RTX、RT-Thread、uCOSIII、VxWorks、QNX、RTX64、INtime等等。如果一定需要用到Linux系统，那么请注意开发面向运动控制的产品尽量选用RTAI与Xenomai而不是PREEMPT-RT实时内核补丁，关于实时操作系统分析与Linux实时内核的扩展，我们可以在以后的文章中再详细与大家一起分享）。
对于开发工业控制器的工程师与产品经理而言，一定不能抱有侥幸心理，一定要选择稳定可靠的实时操作系统（RTOS）构建工业控制器的基础平台，除非是现场的实际应用需求只有软实时的要求，系统实时性出现问题不会造成重大的现场问题，例如：智能楼宇商用应用场合，灯光、风机、空调开关偶然性慢一点好能够及时响应，偶然超出设计指标也不会造成什么问题，那么这种场合下软实时的要求就可以了。
回到树莓派的话题上，树莓派支持的传统的Linux系统Raspbian是没有任何硬实时的支持，将树莓派CM核心板用于实现工业控制器时，一定需要对标准的Linux其进行升级改造才能提高其实时性。这里我们对标准的树莓派Linux系统进行了升级改造，集成Linux的PREEMPT-RT实时内核补丁，将树莓派上标准的控制差的响应延时从不确定的>200us（通常在200-500us，随着处理器负荷提高，偶发性的响应延迟将达到ms级别以上）控制在确定的