基于SH7137嵌入式控制器的研究與開發(fā)

摘要：文中針對(duì)工業(yè)控制器的發(fā)展需求，主要面向工業(yè)控制領(lǐng)域構(gòu)建和開發(fā)基于瑞薩單片機(jī)和μC／OS-II操作系統(tǒng)的嵌入式控制器。在分析瑞薩單片機(jī)的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)以瑞薩公司的SH7137芯片為核心的嵌入式控制器硬件平臺(tái)。本嵌入式控制器采用核心板+底板的方式設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)上以SH7137微處理器作為控制器的核心，并設(shè)計(jì)了電源電路、RS232、RS485串行接口和JTAG接口電路、人機(jī)界面電路以及輸入輸出模塊。
關(guān)鍵詞：嵌入式；控制器；瑞薩；嵌入式操作系統(tǒng)；μC／OS-II

    現(xiàn)今，工業(yè)控制設(shè)備主要分為兩種：工業(yè)控制機(jī)和可編程控制器(PLC)。工業(yè)控制機(jī)是由通用的微機(jī)推廣應(yīng)用而發(fā)展起來的。目前，可編程控制器正朝著兩個(gè)方向發(fā)展。一是朝著小型、簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉的方向發(fā)展，主要用于單機(jī)控制和規(guī)模比較小的自動(dòng)化生產(chǎn)線控制。二是朝著大型、高速、多功能和多層分布式全自動(dòng)化方向發(fā)展。近幾年來，不論是工業(yè)控制機(jī)技術(shù)還是可編程控制器技術(shù)向嵌入式領(lǐng)域滲透的步伐逐漸加大，嵌入式的工業(yè)控制器以極小的體積、極低的功耗散熱和軟硬件的可裁剪性，而受到用戶的歡迎，因而具有巨大的應(yīng)用潛力。

1 嵌入式控制器硬件設(shè)計(jì)
    本論文所做的基于瑞薩SH7137的嵌入式控制器的設(shè)計(jì)，采用了核心模板(System On Module)+底板的設(shè)計(jì)方式。在設(shè)計(jì)上考慮在工業(yè)控制器的設(shè)計(jì)中既要保留傳統(tǒng)的控制器特點(diǎn)，又要在設(shè)計(jì)中有所開發(fā)自身控制器的特色，為此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了核心板模塊化的設(shè)計(jì)思想，底板多功能集成。而且核心模塊接口定義統(tǒng)一，可以根據(jù)控制MCU的功能做出不同的核心模塊，例如8位核心模塊、16位控制模塊、32位控制模塊。本控制器采用瑞薩公司生產(chǎn)的32位單位機(jī)，基于SH2核的SH7137單片機(jī)作為核心控制芯片，實(shí)現(xiàn)32位控制模塊。核心模塊是整個(gè)控制器的核心部分，由以單片機(jī)SH7137核心，加上RTC實(shí)時(shí)電路、PC電路和JTAG調(diào)試電路構(gòu)成一個(gè)小系統(tǒng)，通過總線擴(kuò)展、IO外接等功能模塊構(gòu)成了以單片機(jī)為基礎(chǔ)的復(fù)雜工業(yè)控制系統(tǒng)的核心模塊。核心模塊的組成框圖如圖1所示。

    嵌入式控制器的底板主要集成了人機(jī)界面控制(HMI)、通訊模塊、外部總線接口以及輸入輸出(I／O)模塊。底板主要實(shí)現(xiàn)的功能是根據(jù)核心模塊處理好的信號(hào)通過底板的輸出模塊或者人機(jī)界面的顯示屏輸出，或者根據(jù)外部輸入信號(hào)通過底板的輸入模塊或者人機(jī)界面的按鍵輸入到核心模塊進(jìn)行運(yùn)算然后輸出。底板的組成框圖如圖2所示。

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2 μC／OS-II的移植
    移植就是使一個(gè)實(shí)時(shí)內(nèi)核能在某個(gè)微處理器或微控制器上運(yùn)行。為了便于內(nèi)核的移植，μC／OS-II的大部分代碼用C語言編寫。移植工作主要集中在os_cpu．h，os_cpu_C．C、os_cpu_a．a(chǎn)sm三個(gè)文件上。os_cpu．h主要涉及到與編譯器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型的定義、堆棧類型定義、兩個(gè)宏定義和幾個(gè)函數(shù)說明。os_cpu_C．C包含與移植有關(guān)的10個(gè)C函數(shù)，除第一個(gè)任務(wù)堆棧初始化函數(shù)外的9個(gè)函數(shù)，需要聲明，由系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用，方便用戶可以在操作系統(tǒng)中加入自己需要的功能。os_cpu_a．a(chǎn)sm包含與移植有關(guān)的4個(gè)匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw ()、OSIntCtxSw ()、STickISR ()。
    控制器采用瑞薩單片機(jī)SH7137，具有SH2的內(nèi)核，支持集成開發(fā)環(huán)境HEW，可以生成重入代碼，有足夠的寄存器來關(guān)、開中斷，指令可以對(duì)堆棧進(jìn)行操作，因此，μC／OS-II可以移植到SH7137控制器上。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)
    實(shí)現(xiàn)了嵌入式控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和μC／OS-II操作系統(tǒng)的移植，但這只是個(gè)嵌入式控制器的系統(tǒng)平臺(tái)。在實(shí)際應(yīng)用中還必須對(duì)相應(yīng)外圍功能模塊的操作達(dá)到控制目的。針對(duì)外圍功能模塊編寫一個(gè)接口函數(shù)，就可以在編寫應(yīng)用軟件時(shí)調(diào)用這些函數(shù)來傳遞數(shù)據(jù)，另外，能夠針對(duì)具體應(yīng)用編寫并調(diào)試一些具體有相對(duì)獨(dú)立性的、通用性的函數(shù)，將大大簡(jiǎn)化編程結(jié)構(gòu)，并使程序模塊化，形成一個(gè)統(tǒng)一的接口的函數(shù)庫(kù)。如圖3所示。

    在整個(gè)嵌入式控制器的設(shè)計(jì)上，硬件設(shè)計(jì)，為整個(gè)控制器最底層，其中包括SOM核心板、底板以及輸入輸入的IO模塊，操作系統(tǒng)的處于控制器的第二層，負(fù)責(zé)與處理底層硬件的接口，同時(shí)為處理上層應(yīng)用程序提供接口，本控制器移植的是開源的嵌入式操作系統(tǒng)：μC／OS-II。本系統(tǒng)的第三層為應(yīng)用開發(fā)層，主要是實(shí)現(xiàn)針對(duì)用戶所要求處理問題的應(yīng)用程序，這一層主要面向用戶，其中應(yīng)用開層包含了一個(gè)函數(shù)驅(qū)動(dòng)庫(kù)，這是這個(gè)模塊函數(shù)接口，為二次開發(fā)人員提供的，方便其調(diào)用系統(tǒng)的模塊函數(shù)接口，同時(shí)也方便用戶調(diào)用，便于開發(fā)，減少用戶利用本控制器開發(fā)產(chǎn)品的周期。
    硬件驅(qū)動(dòng)庫(kù)主要集成了人機(jī)界面的控制、RS232串口通信訊模塊、RS485通信模塊、CAN接口通信模塊以及IO輸入輸出等模塊的數(shù)據(jù)處理。硬件驅(qū)動(dòng)庫(kù)具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)定義和統(tǒng)一的函數(shù)接口。

4 結(jié)束語
    本文基于SH7137嵌人式控制器采用核心板+底板的開發(fā)模式，實(shí)現(xiàn)功能模塊化、可配置化的功能，具有通用性、可編程、良好的人機(jī)界面等特點(diǎn)。整個(gè)控制系統(tǒng)可以根據(jù)使用的場(chǎng)合和對(duì)象進(jìn)行模塊配置，為其帶來靈活多變、成本低廉等優(yōu)勢(shì)。