基于ColdFire V4內(nèi)核的低成本現(xiàn)場通信管理機的實現(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)域越來越廣，通信方式日新月異、通信速率越來越快。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處理器已無法滿足要求。為解決這一問題，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)場設(shè)備由于各個廠家研制的時代差異及應(yīng)用場合需求不同，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)，而廠級上層調(diào)度傳輸任務(wù)基本上是由以太網(wǎng)來完成的。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并可擴充DDR2 RAM內(nèi)存、外部Nand Flash存儲器，有可獨立工作帶有IEEE1588對時功能的雙以太網(wǎng) MAC、10個 UART、兩個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)場通信產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計。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)的存儲器管理單元（MMU），可方便地完成10個串口驅(qū)動及以太網(wǎng)TCP/IP協(xié)議棧和兩個CAN設(shè)備的驅(qū)動及文件系統(tǒng)的開發(fā)。利用MCF54418微處理器設(shè)計的通信管理機具有集成度高、性能優(yōu)異和配置靈活等特點，可大大提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和可擴展性。

1 現(xiàn)場通信管理機的原理框圖和設(shè)計

本文設(shè)計了面向工業(yè)現(xiàn)場通信需求的通信管理機，其原理框圖如圖1所示。它有兩個以太網(wǎng)通道，可以組成雙以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)向上位機調(diào)度系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，IEEE1588對時功能可以保證傳輸數(shù)據(jù)的實時性。8個RS232/RS485通信接口可用來處理RS485網(wǎng)絡(luò)和RS232設(shè)備數(shù)據(jù)，每個RS485網(wǎng)絡(luò)可以連接128個RS485設(shè)備。兩個CAN網(wǎng)絡(luò)接口，每個可連接128個CAN設(shè)備。微處理器USB Host接口用來連接USB存儲設(shè)備，主要存儲一些通信管理協(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存儲器，并且該處理器可以支持主流的6/8個Bank DDR2芯片。此外，該系統(tǒng)還具有看門狗、RTC實時時鐘、人機交換界面等接口。

圖1 通信管理機原理框圖

本設(shè)計的軟件采用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、雙以太網(wǎng)驅(qū)動支持 NFS，Web Server，USB驅(qū)動支持Mass Storage類設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計及主要芯片介紹

2.1 DDR2芯片設(shè)計

本設(shè)計中的DDR2芯片采用1 GB容量8個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)計中，由于總線速度達(dá)250MHz，最需要注意的就是高速信號的完整性，所有的信號都需要加串行端接進行阻抗匹配。此外，在布線時應(yīng)遵循以下的規(guī)則：差分時鐘信號的正負(fù)端在端接電阻前后都要按照差分走線方式嚴(yán)格匹配走線長度，并且需要放大與其他信號線的間距，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）的走線必須和數(shù)據(jù)時鐘走線在端接電阻前后匹配，所有的信號都盡可能在內(nèi)層走線，且盡可能短。

2.2 雙以太網(wǎng)PHY設(shè)計

以太網(wǎng)MAC采用了雙以太網(wǎng)接口的設(shè)計方案，因此采用了單芯片的DP83849雙以太網(wǎng)PHY芯片。微處理器通過RMII的接口與PHY芯片連接，主時鐘使用50 MHz，PHY芯片通過帶網(wǎng)絡(luò)變壓器的RJ45接口引出來，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)頁訪問等多種網(wǎng)絡(luò)通信功能。在硬件設(shè)計時需要注意EMI干擾和防雷增加共軛扼流線圈，以太網(wǎng) RX+、RX-，TX+、TX-信號線應(yīng)嚴(yán)格按差分信號線布線規(guī)則進行布線，以確保傳輸信號的完整性和可靠性。

2.3 RS232/RS485通信接口

MCF54418芯片集成了最多10個異步串行設(shè)備（U0～U9）和兩個CAN設(shè)備。由于一些串口與CAN設(shè)備信號復(fù)用，因此實際設(shè)計中只設(shè)計了8個RS232/RS485通信接口和兩個CAN總線接口。設(shè)計中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，又可以完全避免RS485通信中普遍存在的以下問題：（1）發(fā)送數(shù)據(jù)存在轉(zhuǎn)換延時，這無形中占用了系統(tǒng)處理時間；（2）發(fā)送狀態(tài)轉(zhuǎn)換若太快或太慢將會造成數(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)動芯片，其信號接收發(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)送信號輸出端。通常當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送完數(shù)據(jù)時，TX信號自動變?yōu)楦唠娖?，?jīng)U2反向變?yōu)榈碗娖?，RE引腳有效關(guān)閉發(fā)送電路自動轉(zhuǎn)換到接收狀態(tài)。

當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時，若發(fā)送0信號，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，輸出端A、B產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)低電平差分信號，0信號被送到RS485總線上。若發(fā)送1信號，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，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，從而使遠(yuǎn)端RS485接收器也能可靠地接收到1信號。

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可靠翻轉(zhuǎn)，保證轉(zhuǎn)換時間在幾個納秒之內(nèi)。這么短的切換時間相對微秒級波特率的RS485通信時間，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，即自動符合RS485半雙工傳傳輸協(xié)議。整個通信過程不需要讀寫轉(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.

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