基于ColdFire V4內(nèi)核的低成本現(xiàn)場(chǎng)通信管理機(jī)的實(shí)現(xiàn)

杜連賀

（北京六所和瑞科技發(fā)展有限公司，北京 100083）

伴隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子通信技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣，通信方式日新月異、通信速率越來(lái)越快。隨著在網(wǎng)絡(luò)、通信、控制等領(lǐng)域?qū)Υ罅繑?shù)據(jù)交換處理的需求，傳統(tǒng)8 bit處理器已無(wú)法滿足要求。為解決這一問(wèn)題，使用32 bit處理器構(gòu)成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。通常工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由于各個(gè)廠家研制的時(shí)代差異及應(yīng)用場(chǎng)合需求不同，常規(guī)通信方式基本有RS232、RS485、CAN總線、以太網(wǎng)等幾種。通常大部分工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由RS232、RS485、CAN等網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)信息的傳輸任務(wù)，而廠級(jí)上層調(diào)度傳輸任務(wù)基本上是由以太網(wǎng)來(lái)完成的。由于ColdFire V4內(nèi)核的MCF54418微處理器主頻達(dá)到250 MHz，指令處理能力達(dá)到385 MIPS，內(nèi)部具有64 KB SRAM并可擴(kuò)充DDR2 RAM內(nèi)存、外部Nand Flash存儲(chǔ)器，有可獨(dú)立工作帶有IEEE1588對(duì)時(shí)功能的雙以太網(wǎng) MAC、10個(gè) UART、兩個(gè)CAN（其中串口部分復(fù)用引腳以及）以及I2C等各種通信外設(shè)接口，非常適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)。更具有吸引力的是，該芯片是高度集成的片上系統(tǒng)處理器，擁有比ARM9性能更先進(jìn)的250 MHz ColdFire V4內(nèi)核，支持Linux、Windows CE和其他許多嵌入式操作系統(tǒng)的存儲(chǔ)器管理單元（MMU），可方便地完成10個(gè)串口驅(qū)動(dòng)及以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧和兩個(gè)CAN設(shè)備的驅(qū)動(dòng)及文件系統(tǒng)的開發(fā)。利用MCF54418微處理器設(shè)計(jì)的通信管理機(jī)具有集成度高、性能優(yōu)異和配置靈活等特點(diǎn)，可大大提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和可擴(kuò)展性。

1 現(xiàn)場(chǎng)通信管理機(jī)的原理框圖和設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信需求的通信管理機(jī)，其原理框圖如圖1所示。它有兩個(gè)以太網(wǎng)通道，可以組成雙以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)向上位機(jī)調(diào)度系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，IEEE1588對(duì)時(shí)功能可以保證傳輸數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。8個(gè)RS232/RS485通信接口可用來(lái)處理RS485網(wǎng)絡(luò)和RS232設(shè)備數(shù)據(jù)，每個(gè)RS485網(wǎng)絡(luò)可以連接128個(gè)RS485設(shè)備。兩個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)接口，每個(gè)可連接128個(gè)CAN設(shè)備。微處理器USB Host接口用來(lái)連接USB存儲(chǔ)設(shè)備，主要存儲(chǔ)一些通信管理協(xié)議和裝置配置數(shù)據(jù)。本裝置還有1 GB的DDR2 SDRAM和2 GB的Nand Flash存儲(chǔ)器，并且該處理器可以支持主流的6/8個(gè)Bank DDR2芯片。此外，該系統(tǒng)還具有看門狗、RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘、人機(jī)交換界面等接口。

圖1 通信管理機(jī)原理框圖

本設(shè)計(jì)的軟件采用2.6.29標(biāo)準(zhǔn)Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核及Jffs2文件系統(tǒng)，支持網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)調(diào)試。采用Nand Flash啟動(dòng)、雙以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)支持 NFS，Web Server，USB驅(qū)動(dòng)支持Mass Storage類設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)及主要芯片介紹

2.1 DDR2芯片設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的DDR2芯片采用1 GB容量8個(gè)Bank的DDR2芯片MT47H128M8，總線主頻為250MHz，總線數(shù)據(jù)寬度為 8 bit。DDR2電源為 1.8 V，采用 DDR2專用芯片LP2997MR供電以確保系統(tǒng)供電穩(wěn)定。在DDR2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于總線速度達(dá)250MHz，最需要注意的就是高速信號(hào)的完整性，所有的信號(hào)都需要加串行端接進(jìn)行阻抗匹配。此外，在布線時(shí)應(yīng)遵循以下的規(guī)則：差分時(shí)鐘信號(hào)的正負(fù)端在端接電阻前后都要按照差分走線方式嚴(yán)格匹配走線長(zhǎng)度，并且需要放大與其他信號(hào)線的間距，建議大于10 mil以上，并且最好有地線包裹，防止線間串?dāng)_。差分?jǐn)?shù)據(jù)選通線的正負(fù)端在端接電阻前后都要按照差分走線方式，其他的數(shù)據(jù)線（寫控制等信號(hào)）的走線必須和數(shù)據(jù)時(shí)鐘走線在端接電阻前后匹配，所有的信號(hào)都盡可能在內(nèi)層走線，且盡可能短。

2.2 雙以太網(wǎng)PHY設(shè)計(jì)

以太網(wǎng)MAC采用了雙以太網(wǎng)接口的設(shè)計(jì)方案，因此采用了單芯片的DP83849雙以太網(wǎng)PHY芯片。微處理器通過(guò)RMII的接口與PHY芯片連接，主時(shí)鐘使用50 MHz，PHY芯片通過(guò)帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口引出來(lái)，可以直接連接網(wǎng)線與外部網(wǎng)絡(luò)通信。它可以用作網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的調(diào)試更新，也可用于網(wǎng)絡(luò)軟件更新、網(wǎng)頁(yè)訪問(wèn)等多種網(wǎng)絡(luò)通信功能。在硬件設(shè)計(jì)時(shí)需要注意EMI干擾和防雷增加共軛扼流線圈，以太網(wǎng) RX+、RX-，TX+、TX-信號(hào)線應(yīng)嚴(yán)格按差分信號(hào)線布線規(guī)則進(jìn)行布線，以確保傳輸信號(hào)的完整性和可靠性。

2.3 RS232/RS485通信接口

MCF54418芯片集成了最多10個(gè)異步串行設(shè)備（U0～U9）和兩個(gè)CAN設(shè)備。由于一些串口與CAN設(shè)備信號(hào)復(fù)用，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中只設(shè)計(jì)了8個(gè)RS232/RS485通信接口和兩個(gè)CAN總線接口。設(shè)計(jì)中RS485通信接口采用了免控制零延遲RS485電路，其既可以節(jié)省RS485的收發(fā)控制信號(hào)，又可以完全避免RS485通信中普遍存在的以下問(wèn)題：（1）發(fā)送數(shù)據(jù)存在轉(zhuǎn)換延時(shí)，這無(wú)形中占用了系統(tǒng)處理時(shí)間；（2）發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)換若太快或太慢將會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失甚至通信崩潰；（3）在收發(fā)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)容易引入干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)收到雜亂數(shù)據(jù)引起數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤。免控制零延遲RS485電路如圖2所示。

圖2 免控制零延遲RS485電路

圖2中，U1為RS485驅(qū)動(dòng)芯片，其信號(hào)接收發(fā)送控制端DE和RE不經(jīng)微處理器控制，而是直接經(jīng)U2反向器接到收發(fā)送信號(hào)輸出端。通常當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送完數(shù)據(jù)時(shí)，TX信號(hào)自動(dòng)變?yōu)楦唠娖剑?jīng)U2反向變?yōu)榈碗娖剑琑E引腳有效關(guān)閉發(fā)送電路自動(dòng)轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，若發(fā)送0信號(hào)，則TX為低電平，經(jīng)U2反向后，DE為高電平，發(fā)送電路允許工作，接收電路禁止工作。此時(shí)，輸出端A、B產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)低電平差分信號(hào)，0信號(hào)被送到RS485總線上。若發(fā)送1信號(hào)，則TX為高電平，經(jīng)U2反向后，DE為低電平，接收電路允許工作，發(fā)送電路禁止工作。此時(shí)，輸出端A、B由于有R1、R2、R3電阻鉗位，總線產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)高電平差分信號(hào)，從而使遠(yuǎn)端RS485接收器也能可靠地接收到1信號(hào)。

綜上所述，本電路的關(guān)鍵在于U2和總線偏置電阻。其中U2選用單邏輯門電路SN74AHC1G14DBVT，與常規(guī)分離元件搭接的非門電路不同，其能夠確保控制信號(hào)可靠翻轉(zhuǎn)，保證轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾個(gè)納秒之內(nèi)。這么短的切換時(shí)間相對(duì)微秒級(jí)波特率的RS485通信時(shí)間，延遲幾乎為零。因此，本電路能夠準(zhǔn)確地保證系統(tǒng)工作在半雙工傳送模式，即自動(dòng)符合RS485半雙工傳傳輸協(xié)議。整個(gè)通信過(guò)程不需要讀寫轉(zhuǎn)換控制操作，轉(zhuǎn)換完全由硬件本身完成，并提高了系統(tǒng)通信效率。

本通信管理機(jī)已成功應(yīng)用到某礦山電力設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)中，且性能可靠，為用戶取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]李晶皎，王愛俠，張廣淵.ColdFire系列32位微處理器與嵌入式Linux應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]Freescale Semiconductor.MCF5441x reference manual，Rev 2[Z].2009.

[3]Micron Technology，Inc.MT47H128M8-DDR2 SDRAM Datasheet[Z].2004.