摘要：文中針對工業(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)基于瑞薩單片機和μC／OS-II操作系統(tǒng)的嵌入式控制器。在分析瑞薩單片機的基礎(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。本嵌入式控制器采用核心板+底板的方式設(shè)計，硬件設(shè)計上以SH7137微處理器作為控制器的核心，并設(shè)計了電源電路、RS232、RS485串行接口和JTAG接口電路、人機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)控制機和可編程控制器(PLC)。工業(yè)控制機是由通用的微機推廣應(yīng)用而發(fā)展起來的。目前，可編程控制器正朝著兩個方向發(fā)展。一是朝著小型、簡易、價格低廉的方向發(fā)展，主要用于單機控制和規(guī)模比較小的自動化生產(chǎn)線控制。二是朝著大型、高速、多功能和多層分布式全自動化方向發(fā)展。近幾年來，不論是工業(yè)控制機技術(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
本論文所做的基于瑞薩SH7137的嵌入式控制器的設(shè)計，采用了核心模板(System On Module)+底板的設(shè)計方式。在設(shè)計上考慮在工業(yè)控制器的設(shè)計中既要保留傳統(tǒng)的控制器特點，又要在設(shè)計中有所開發(fā)自身控制器的特色，為此，我們在設(shè)計中采用了核心板模塊化的設(shè)計思想，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，基于SH2核的SH7137單片機作為核心控制芯片，實現(xiàn)32位控制模塊。核心模塊是整個控制器的核心部分，由以單片機SH7137核心，加上RTC實時電路、PC電路和JTAG調(diào)試電路構(gòu)成一個小系統(tǒng)，通過總線擴展、IO外接等功能模塊構(gòu)成了以單片機為基礎(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。底板主要實現(xiàn)的功能是根據(jù)核心模塊處理好的信號通過底板的輸出模塊或者人機界面的顯示屏輸出，或者根據(jù)外部輸入信號通過底板的輸入模塊或者人機界面的按鍵輸入到核心模塊進行運算然后輸出。底板的組成框圖如圖2所示。
2 μC／OS-II的移植
移植就是使一個實時內(nèi)核能在某個微處理器或微控制器上運行。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、兩個宏定義和幾個函數(shù)說明。os_cpu_C．C包含與移植有關(guān)的10個C函數(shù)，除第一個任務(wù)堆棧初始化函數(shù)外的9個函數(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個匯編語言函數(shù)：OSStartHighRdy()、OSCtxSw ()、OSIntCtxSw ()、STickISR ()。
控制器采用瑞薩單片機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，指令可以對堆棧進行操作，因此，μC／OS-II可以移植到SH7137控制器上。
3 系統(tǒng)程序設(shè)計
實現(xiàn)了嵌入式控制器系統(tǒng)的硬件設(shè)計和μC／OS-II操作系統(tǒng)的移植，但這只是個嵌入式控制器的系統(tǒng)平臺。在實際應(yīng)用中還必須對相應(yīng)外圍功能模塊的操作達(dá)到控制目的。針對外圍功能模塊編寫一個接口函數(shù)，就可以在編寫應(yīng)用軟件時調(diào)用這些函數(shù)來傳遞數(shù)據(jù)，另外，能夠針對具體應(yīng)用編寫并調(diào)試一些具體有相對獨立性的、通用性的函數(shù)，將大大簡化編程結(jié)構(gòu)，并使程序模塊化，形成一個統(tǒng)一的接口的函數(shù)庫。如圖3所示。
在整個嵌入式控制器的設(shè)計上，硬件設(shè)計，為整個控制器最底層，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，主要是實現(xiàn)針對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)用開層包含了一個函數(shù)驅(qū)動庫，這是這個模塊函數(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)動庫主要集成了人機界面的控制、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)動庫具有統(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、良好的人機界面等特點。整個控制系統(tǒng)可以根據(jù)使用的場合和對象進行模塊配置，為其帶來靈活多變、成本低廉等優(yōu)勢。