Coldfire内核的MCU通用工业控制平台

摘要：为了解决我国中小企业高效、低成本通用控制平台的需求，设计了基于Freescale公司推出的MCF5225x系列MCU作为控制核心的工业控制板卡，采用了模块化思想，实现了以太网接口、USB接口、隔离数字量输入／输出、RS 485接口。在该控制板卡的基础上，采用MQX实时操作系统平台，根据具体对象的控制要求，编写了相应的应用程序。
关键词：控制器；工业控制平台；实时操作系统；USB接口

0 引言
    在我国，中小型企业以及准大型企业走的是低成本的工业控制自动化道路。工业控制自动化主要基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是前面两者。传统的自动化系统中，基础自动化部分基本被ECS和PLC所垄断，过程自动化和管理自动化部分主要是由各种进口的过程计算机或小型机组成，但其价格高，是一种高投资、高效益、高风险的发展模式，令众多企业望而却步。本文针对目前工业控制器存在的问题设计了一款性价比高的通用工业控制平台，经测试该通用控制平台能满足工业控制参数的要求，并能够达到良好的效果。

1 控制平台硬件设计
1．1 控制平台的整体设计
   控制平台的核心芯片采用Freescale半导体公司推出的32位高效能微控制器MCF5225x，该产品具有良好的工业连接性，具有USB OTG、10／100以太网，CAN总线和加密功能，其在工业控制、机器人研究、家电控制等领域被广泛采用。可拥有的开发工具包括MQX RTOS(带源码)和通信软件堆栈。MCF5225x系列产品具有SPI，2条I2C总线，3个UART，1个12位A／D转换器，1个密码加速器单元和1个随机数发生器。MCF5225x的加密模块支持DES，3DES，AES，MD5和SHA-1算法。V2 coldfire内核时钟频率为60 MHz或80 MHz，并具有容量高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM。增强型乘法累加控制器(EMAC)具有硬件除法功能和1个DMA控制器，增强了系统效能。控制平台系统功能框图如图1所示。

    该控制平台主要由以下部分组成，MCF52259控制器、RS 485接口、USB接口、隔离数字信号输出／输入接口、以太网口、模拟信号输入接口及电源接口。
1．2 MCU主电路设计
    MCU主电路设计如图2所示。

1．3 以太网和USB接口设计
    以太网接口芯片采用国家半导体公司的DP83848，具体电路如图3所示。

1．4 隔离数字输入／输出接口
    本文设计的隔离数字输入、隔离数字输出、模拟信号输入电路，如图4所示。

2 控制平台软件设计
2．1 飞思卡尔MQX RTOS 3．0
    系统移值了飞思卡尔MQX RTOS．MQXRTOS操作系统。该操作系统是一个可以裁剪的操作系统，可以根据用户的需要配置相应的内核。飞思卡尔MQX RTOS为基于飞思卡尔处理器和MCU的嵌入式设计提供了先进的软件技术。
    Freescale MQx软件提供了一个应用编程接口(API)，其模块化的、基于组件的架构使微调定制式应用非常简单。此外，它还允许设计人员在他们的设计中增加Web服务器、电子邮件、网络管理、安全和路由。组件只有在需要时连接，从而防止了未使用的功能占用内存空间。利用其直接API，飞思卡尔MQX RTOS的解决方案实现了飞思卡尔日益壮大的软件和工具在网络中的轻松扩展，如安全、工业协议和图形插件等。与专为桌面系统设计的通用操作系统不同，飞思卡尔MQX RTOS专为实现嵌入式系统的速度和规模效率而设计。它的软件拥有强大的、先占式实时性能，上下文切换和中断时间的优化实现了快速、可预测的响应时间。其很小的可配置外形保护了嵌入式应用的内存空间，在经过配置后ROM只有6 KB，包括内核、中断、信号量、队列和内存管理器。
    系统的内核构成包括系统初始化、轻量级信号量、堆栈使用、错误任务管理、任务队列切换、自动的任务产生和内核内存管理。可裁剪部分为队列、命名服务、中断、消息、事件、信号量、互拆信号量、处理器内部通讯、例外处理、内核日志、I／O子系统、格式I／O和定时器等。
2．2 飞思卡尔MQX RTOS 3．0．0的移植
    MQX RTOS 3．0．0具体应用在内核中的外层或高层，而位于内核底层的则是MCF52259。这两者之间由“硬件抽象层”(HAL)来连接。因为是第三方专门提供的软件服务，对特定的芯片不用改BSP包，只要进行如下的步骤就可以顺利进行二次开发：从飞思卡尔官方网站下载Code-Warrior for ColdFire v7．1 Professional edition(30天试用)和MQX 3．0．0。安装MQX 3．0．0进行编译一些演示程序，如can、以太网到串口的数据链路、USB主机和器件功能演示、提供HTTP，FTP，TFTP服务等，用户可以在它的基础上扩展自己的应用程序。

3 结语
    本文基于Freescale半导体公司的32位高效能微控制器系列MCF5225x设计了485接口、USB接口、隔离数字信号输出／输入接口、以太网口、模拟信号输入接口及电源接口电路，实现了中小企业生产制造和工业控制中所需大部分通用功能。根据本方案设计出的工控通用开发平台具有一定的市场前景，在一定的场合能够进行特定的功能控制，可以代替PLC，DCS构成的系统稳定和低成本的是这个平台的一个最大的亮点。