Coldfire內(nèi)核的MCU通用工業(yè)控制平臺(tái)

摘要：為了解決我國(guó)中小企業(yè)高效、低成本通用控制平臺(tái)的需求，設(shè)計(jì)了基于Freescale公司推出的MCF5225x系列MCU作為控制核心的工業(yè)控制板卡，采用了模塊化思想，實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)接口、USB接口、隔離數(shù)字量輸入／輸出、RS 485接口。在該控制板卡的基礎(chǔ)上，采用MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)，根據(jù)具體對(duì)象的控制要求，編寫了相應(yīng)的應(yīng)用程序。
關(guān)鍵詞：控制器；工業(yè)控制平臺(tái)；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；USB接口

0 引言
    在我國(guó)，中小型企業(yè)以及準(zhǔn)大型企業(yè)走的是低成本的工業(yè)控制自動(dòng)化道路。工業(yè)控制自動(dòng)化主要基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化，其核心是前面兩者。傳統(tǒng)的自動(dòng)化系統(tǒng)中，基礎(chǔ)自動(dòng)化部分基本被ECS和PLC所壟斷，過程自動(dòng)化和管理自動(dòng)化部分主要是由各種進(jìn)口的過程計(jì)算機(jī)或小型機(jī)組成，但其價(jià)格高，是一種高投資、高效益、高風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)展模式，令眾多企業(yè)望而卻步。本文針對(duì)目前工業(yè)控制器存在的問題設(shè)計(jì)了一款性價(jià)比高的通用工業(yè)控制平臺(tái)，經(jīng)測(cè)試該通用控制平臺(tái)能滿足工業(yè)控制參數(shù)的要求，并能夠達(dá)到良好的效果。

1 控制平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
1．1 控制平臺(tái)的整體設(shè)計(jì)
   控制平臺(tái)的核心芯片采用Freescale半導(dǎo)體公司推出的32位高效能微控制器MCF5225x，該產(chǎn)品具有良好的工業(yè)連接性，具有USB OTG、10／100以太網(wǎng)，CAN總線和加密功能，其在工業(yè)控制、機(jī)器人研究、家電控制等領(lǐng)域被廣泛采用?？蓳碛械拈_發(fā)工具包括MQX RTOS(帶源碼)和通信軟件堆棧。MCF5225x系列產(chǎn)品具有SPI，2條I2C總線，3個(gè)UART，1個(gè)12位A／D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)密碼加速器單元和1個(gè)隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。MCF5225x的加密模塊支持DES，3DES，AES，MD5和SHA-1算法。V2 coldfire內(nèi)核時(shí)鐘頻率為60 MHz或80 MHz，并具有容量高達(dá)512 KB的閃存和64 KB的SRAM。增強(qiáng)型乘法累加控制器(EMAC)具有硬件除法功能和1個(gè)DMA控制器，增強(qiáng)了系統(tǒng)效能?？刂破脚_(tái)系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。

    該控制平臺(tái)主要由以下部分組成，MCF52259控制器、RS 485接口、USB接口、隔離數(shù)字信號(hào)輸出／輸入接口、以太網(wǎng)口、模擬信號(hào)輸入接口及電源接口。
1．2 MCU主電路設(shè)計(jì)
    MCU主電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

1．3 以太網(wǎng)和USB接口設(shè)計(jì)
    以太網(wǎng)接口芯片采用國(guó)家半導(dǎo)體公司的DP83848，具體電路如圖3所示。

1．4 隔離數(shù)字輸入／輸出接口
    本文設(shè)計(jì)的隔離數(shù)字輸入、隔離數(shù)字輸出、模擬信號(hào)輸入電路，如圖4所示。

2 控制平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)
2．1 飛思卡爾MQX RTOS 3．0
    系統(tǒng)移值了飛思卡爾MQX RTOS．MQXRTOS操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)是一個(gè)可以裁剪的操作系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶的需要配置相應(yīng)的內(nèi)核。飛思卡爾MQX RTOS為基于飛思卡爾處理器和MCU的嵌入式設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的軟件技術(shù)。
    Freescale MQx軟件提供了一個(gè)應(yīng)用編程接口(API)，其模塊化的、基于組件的架構(gòu)使微調(diào)定制式應(yīng)用非常簡(jiǎn)單。此外，它還允許設(shè)計(jì)人員在他們的設(shè)計(jì)中增加Web服務(wù)器、電子郵件、網(wǎng)絡(luò)管理、安全和路由。組件只有在需要時(shí)連接，從而防止了未使用的功能占用內(nèi)存空間。利用其直接API，飛思卡爾MQX RTOS的解決方案實(shí)現(xiàn)了飛思卡爾日益壯大的軟件和工具在網(wǎng)絡(luò)中的輕松擴(kuò)展，如安全、工業(yè)協(xié)議和圖形插件等。與專為桌面系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通用操作系統(tǒng)不同，飛思卡爾MQX RTOS專為實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的速度和規(guī)模效率而設(shè)計(jì)。它的軟件擁有強(qiáng)大的、先占式實(shí)時(shí)性能，上下文切換和中斷時(shí)間的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了快速、可預(yù)測(cè)的響應(yīng)時(shí)間。其很小的可配置外形保護(hù)了嵌入式應(yīng)用的內(nèi)存空間，在經(jīng)過配置后ROM只有6 KB，包括內(nèi)核、中斷、信號(hào)量、隊(duì)列和內(nèi)存管理器。
    系統(tǒng)的內(nèi)核構(gòu)成包括系統(tǒng)初始化、輕量級(jí)信號(hào)量、堆棧使用、錯(cuò)誤任務(wù)管理、任務(wù)隊(duì)列切換、自動(dòng)的任務(wù)產(chǎn)生和內(nèi)核內(nèi)存管理?？刹眉舨糠譃殛?duì)列、命名服務(wù)、中斷、消息、事件、信號(hào)量、互拆信號(hào)量、處理器內(nèi)部通訊、例外處理、內(nèi)核日志、I／O子系統(tǒng)、格式I／O和定時(shí)器等。
2．2 飛思卡爾MQX RTOS 3．0．0的移植
    MQX RTOS 3．0．0具體應(yīng)用在內(nèi)核中的外層或高層，而位于內(nèi)核底層的則是MCF52259。這兩者之間由“硬件抽象層”(HAL)來連接。因?yàn)槭堑谌綄ｉT提供的軟件服務(wù)，對(duì)特定的芯片不用改BSP包，只要進(jìn)行如下的步驟就可以順利進(jìn)行二次開發(fā)：從飛思卡爾官方網(wǎng)站下載Code-Warrior for ColdFire v7．1 Professional edition(30天試用)和MQX 3．0．0。安裝MQX 3．0．0進(jìn)行編譯一些演示程序，如can、以太網(wǎng)到串口的數(shù)據(jù)鏈路、USB主機(jī)和器件功能演示、提供HTTP，F(xiàn)TP，TFTP服務(wù)等，用戶可以在它的基礎(chǔ)上擴(kuò)展自己的應(yīng)用程序。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文基于Freescale半導(dǎo)體公司的32位高效能微控制器系列MCF5225x設(shè)計(jì)了485接口、USB接口、隔離數(shù)字信號(hào)輸出／輸入接口、以太網(wǎng)口、模擬信號(hào)輸入接口及電源接口電路，實(shí)現(xiàn)了中小企業(yè)生產(chǎn)制造和工業(yè)控制中所需大部分通用功能。根據(jù)本方案設(shè)計(jì)出的工控通用開發(fā)平臺(tái)具有一定的市場(chǎng)前景，在一定的場(chǎng)合能夠進(jìn)行特定的功能控制，可以代替PLC，DCS構(gòu)成的系統(tǒng)穩(wěn)定和低成本的是這個(gè)平臺(tái)的一個(gè)最大的亮點(diǎn)。