摘要：為了解決我國中小企業(yè)高效、低成本通用控制平臺的需求，設計了基于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，實現(xiàn)了以太網接口、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上，采用MQX實時操作系統(tǒng)平臺，根據(jù)具體對象的控制要求，編寫了相應的應用程序。
關鍵詞：控制器；工業(yè)控制平臺；實時操作系統(tǒng)；USB接口
0 引言
在我國，中小型企業(yè)以及準大型企業(yè)走的是低成本的工業(yè)控制自動化道路。工業(yè)控制自動化主要基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是前面兩者。傳統(tǒng)的自動化系統(tǒng)中，基礎自動化部分基本被ECS和PLC所壟斷，過程自動化和管理自動化部分主要是由各種進口的過程計算機或小型機組成，但其價格高，是一種高投資、高效益、高風險的發(fā)展模式，令眾多企業(yè)望而卻步。本文針對目前工業(yè)控制器存在的問題設計了一款性價比高的通用工業(yè)控制平臺，經測試該通用控制平臺能滿足工業(yè)控制參數(shù)的要求，并能夠達到良好的效果。
1 控制平臺硬件設計
1．1 控制平臺的整體設計
控制平臺的核心芯片采用Freescale半導體公司推出的32位高效能微控制器MCF5225x，該產品具有良好的工業(yè)連接性，具有USB OTG、10／100以太網，CAN總線和加密功能，其在工業(yè)控制、機器人研究、家電控制等領域被廣泛采用?？蓳碛械拈_發(fā)工具包括MQX RTOS(帶源碼)和通信軟件堆棧。MCF5225x系列產品具有SPI，2條I2C總線，3個UART，1個12位A／D轉換器，1個密碼加速器單元和1個隨機數(shù)發(fā)生器。MCF5225x的加密模塊支持DES，3DES，AES，MD5和SHA-1算法。V2 coldfire內核時鐘頻率為60 MHz或80 MHz，并具有容量高達512 KB的閃存和64 KB的SRAM。增強型乘法累加控制器(EMAC)具有硬件除法功能和1個DMA控制器，增強了系統(tǒng)效能?？刂破脚_系統(tǒng)功能框圖如圖1所示。
該控制平臺主要由以下部分組成，MCF52259控制器、RS 485接口、USB接口、隔離數(shù)字信號輸出／輸入接口、以太網口、模擬信號輸入接口及電源接口。
1．2 MCU主電路設計
MCU主電路設計如圖2所示。
1．3 以太網和USB接口設計
以太網接口芯片采用國家半導體公司的DP83848，具體電路如圖3所示。
1．4 隔離數(shù)字輸入／輸出接口
本文設計的隔離數(shù)字輸入、隔離數(shù)字輸出、模擬信號輸入電路，如圖4所示。
2 控制平臺軟件設計
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)是一個可以裁剪的操作系統(tǒng)，可以根據(jù)用戶的需要配置相應的內核。飛思卡爾MQX RTOS為基于飛思卡爾處理器和MCU的嵌入式設計提供了先進的軟件技術。
Freescale MQx軟件提供了一個應用編程接口(API)，其模塊化的、基于組件的架構使微調定制式應用非常簡單。此外，它還允許設計人員在他們的設計中增加Web服務器、電子郵件、網絡管理、安全和路由。組件只有在需要時連接，從而防止了未使用的功能占用內存空間。利用其直接API，飛思卡爾MQX RTOS的解決方案實現(xiàn)了飛思卡爾日益壯大的軟件和工具在網絡中的輕松擴展，如安全、工業(yè)協(xié)議和圖形插件等。與專為桌面系統(tǒng)設計的通用操作系統(tǒng)不同，飛思卡爾MQX RTOS專為實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的速度和規(guī)模效率而設計。它的軟件擁有強大的、先占式實時性能，上下文切換和中斷時間的優(yōu)化實現(xiàn)了快速、可預測的響應時間。其很小的可配置外形保護了嵌入式應用的內存空間，在經過配置后ROM只有6 KB，包括內核、中斷、信號量、隊列和內存管理器。
系統(tǒng)的內核構成包括系統(tǒng)初始化、輕量級信號量、堆棧使用、錯誤任務管理、任務隊列切換、自動的任務產生和內核內存管理?？刹眉舨糠譃殛犃?、命名服務、中斷、消息、事件、信號量、互拆信號量、處理器內部通訊、例外處理、內核日志、I／O子系統(tǒng)、格式I／O和定時器等。
2．2 飛思卡爾MQX RTOS 3．0．0的移植
MQX RTOS 3．0．0具體應用在內核中的外層或高層，而位于內核底層的則是MCF52259。這兩者之間由“硬件抽象層”(HAL)來連接。因為是第三方專門提供的軟件服務，對特定的芯片不用改BSP包，只要進行如下的步驟就可以順利進行二次開發(fā)：從飛思卡爾官方網站下載Code-Warrior for ColdFire v7．1 Professional edition(30天試用)和MQX 3．0．0。安裝MQX 3．0．0進行編譯一些演示程序，如can、以太網到串口的數(shù)據(jù)鏈路、USB主機和器件功能演示、提供HTTP，F(xiàn)TP，TFTP服務等，用戶可以在它的基礎上擴展自己的應用程序。
3 結語
本文基于Freescale半導體公司的32位高效能微控制器系列MCF5225x設計了485接口、USB接口、隔離數(shù)字信號輸出／輸入接口、以太網口、模擬信號輸入接口及電源接口電路，實現(xiàn)了中小企業(yè)生產制造和工業(yè)控制中所需大部分通用功能。根據(jù)本方案設計出的工控通用開發(fā)平臺具有一定的市場前景，在一定的場合能夠進行特定的功能控制，可以代替PLC，DCS構成的系統(tǒng)穩(wěn)定和低成本的是這個平臺的一個最大的亮點。
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