許燕

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 西安 710300)

0 引言

過去的20多年，8位微控制器廣泛用于各領(lǐng)域，并控制整個(gè)市場(chǎng)，并由用戶系統(tǒng)推動(dòng)8位、16位微控制器向32位過渡，后者的優(yōu)越性、功能也是先進(jìn)應(yīng)用必不可少的內(nèi)容。據(jù)相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，截止2011年，32位微控制器總出貨量或大于20億個(gè)，收入則以18%年率增長(zhǎng)。隨著行業(yè)不斷向著32位MCU過渡，設(shè)計(jì)者不單要增設(shè)相應(yīng)的功能，也要增加各種外用設(shè)備。而在產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代過程中，我們一般使用較低的代價(jià)把軟件、硬件轉(zhuǎn)移至另一個(gè)核上。使用者設(shè)計(jì)一些產(chǎn)品時(shí)，必然會(huì)同時(shí)用到8位、16位微處理器。加之，同一個(gè)產(chǎn)品或者系統(tǒng)內(nèi)可能涉及多個(gè)MCU，如：在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，主控制器運(yùn)用32位MCU，每一個(gè)探頭均為8位MCU等。因用戶同時(shí)需要8位及16位產(chǎn)品，希望研發(fā)一種完全兼容的開發(fā)系統(tǒng)。

基于此，本文以 32位控制器 當(dāng)做主控制器，對(duì)系統(tǒng)的主控及外圍實(shí)驗(yàn)?zāi)K展開設(shè)計(jì)，順利實(shí)現(xiàn)32位微控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以期為類似研究提供一定參考。

1 系統(tǒng)總框架

微控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要包含主控及外圍實(shí)驗(yàn)兩個(gè)部分，其中，主控模塊運(yùn)用可插拔式設(shè)計(jì)方案，便于設(shè)計(jì)人員及時(shí)更新微控制器，也有利于用戶挑選不同的微控制器開展實(shí)驗(yàn)。本次研究所用的Freescale 32位微控制器主控模塊，外圍實(shí)驗(yàn)?zāi)K由多數(shù)實(shí)驗(yàn)器件組成，他們能依托實(shí)驗(yàn)線與主控制器進(jìn)行連接，開展一系列的實(shí)驗(yàn)。系統(tǒng)總框架如圖1所示。

2 系統(tǒng)模塊功能設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

主控模塊主要由電源轉(zhuǎn)換、以太網(wǎng)通訊、電壓轉(zhuǎn)換等模塊組成，并采用MCF52234當(dāng)做主控制器，它屬于由Freescale公司生產(chǎn)出來的32位微控制器，其最高處理頻率設(shè)定為60 MHz，其內(nèi)部包含豐富的串行接口、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。

圖1 系統(tǒng)具體框圖

2.1.1 電源轉(zhuǎn)換模塊

因MCF52234通過3.3 V實(shí)現(xiàn)供電，因此，必須把系統(tǒng)5 V電源轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V電源。系統(tǒng)內(nèi)配置線性轉(zhuǎn)換電源芯片LM1117，可把所輸入的5 V電源轉(zhuǎn)變?yōu)?.3 V。LM1117作為低壓差線性調(diào)壓器，能夠輸出穩(wěn)定、波紋小的電壓，有助于主控器正常運(yùn)行。電源芯片連接原理,如圖2所示。

圖2 LM1117電源芯片實(shí)現(xiàn)連接原理

2.1.3 電壓轉(zhuǎn)換模塊

因微控制器與外部設(shè)計(jì)的電路邏輯電平并不兼容，必須實(shí)施電平轉(zhuǎn)換。74LVX4245屬于雙向總線收發(fā)器，利用它能順利實(shí)現(xiàn)邏輯電平3.3 V與5 V之間的轉(zhuǎn)換。A端口設(shè)定為5 V總線，B端口則為3.3 V總線，利用方向控制端(DIR)合理控制信號(hào)輸入輸出。如果DIR處于邏輯0電平狀態(tài)，A端與B端口分別為輸出、輸入端，能順利把邏輯電平3.3 V轉(zhuǎn)換為5 V。反之，若DIR是邏輯1電平，情況恰好相反。74LVX4245進(jìn)行連接,原理如圖3所示。

2.1.4 以太網(wǎng)設(shè)計(jì)

MCF52234主要特點(diǎn)在于，由于其內(nèi)部設(shè)置快速的以太網(wǎng)控制器(FEC),它提供10、100 Mbps這兩種以太網(wǎng)協(xié)議，把硬件與微程序融合起來，從而發(fā)揮以太網(wǎng)訪問控制器具體功能。FEC利用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)媒體獨(dú)立接口(MII)與片內(nèi)或外界EPHY實(shí)現(xiàn)通訊，并依托部分緩沖器與CPU內(nèi)核實(shí)施通信。FEC借助內(nèi)部集成的DMA控制器與緩沖區(qū)之間實(shí)施數(shù)據(jù)交換，能夠及時(shí)處理載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測(cè)協(xié)議，發(fā)送及接收操作均達(dá)到IEE802.3標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 74LVX4245連接操作原理

2.2 設(shè)計(jì)外圍實(shí)驗(yàn)?zāi)K

2.2.1 LED及LCD顯示模塊

LED顯示模塊設(shè)置8位8段數(shù)碼管，運(yùn)用共陰極的方式實(shí)現(xiàn)連接。系統(tǒng)依托ZLG7289BP與8位數(shù)碼管及4×4鍵盤實(shí)現(xiàn)連接。其中，ZLG7289BP設(shè)置SPI串行接口，能夠同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰極數(shù)碼管，可以與64鍵的鍵盤實(shí)現(xiàn)連接。同時(shí)，LCD顯示模塊以RT12864M當(dāng)做LCD顯示器件。RT12864M系統(tǒng)作為圖形點(diǎn)陣型液晶顯示模塊，其主要功能在于顯示128(列)×64(行)點(diǎn)陣，以此全面顯示圖形，。此外，也支持顯示(8×8)個(gè)的漢字。此外，RT12864M設(shè)定7條控制指令，接口運(yùn)用8位數(shù)據(jù)總線，采用并口輸入輸出的方法實(shí)施操作。

2.2.2 串行通信及存儲(chǔ)模塊

從串行通信功能分析，系統(tǒng)運(yùn)用RS-232、RS-485這兩個(gè)異步串行通信接口，模塊電源通過MAX232、MAX485芯片與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信。而串行存儲(chǔ)模塊內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)用2個(gè)EEPROM串行存儲(chǔ)器，主要配置SPI及I2C接口。系統(tǒng)通過X5045開展SPI串行存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)，其中，X5045作為配置SPI接口的串行EEPROM芯片，其存儲(chǔ)量大大4KB。同時(shí)，X5045提供上電復(fù)位控制、降壓管理等功能。X5045實(shí)現(xiàn)連接，如圖4所示。

圖4 X5045實(shí)施連接原理

2.2.3 串行A/D轉(zhuǎn)換模塊該模塊應(yīng)用TLC549這種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部主要由系統(tǒng)時(shí)鐘、8位A/D轉(zhuǎn)換器、控制邏輯電路等部分組成。TLC549共設(shè)置IOCLK及片選(CS*)這兩個(gè)控制輸入組成，如果CS*處在高電平狀態(tài)，DOUT為高阻態(tài)且I/O時(shí)鐘受到禁止。而當(dāng)CS*轉(zhuǎn)變成低電平，前次轉(zhuǎn)換操作中最高有效位(MSB)會(huì)出現(xiàn)在DOUT端。A/D實(shí)施連接原理,如圖5所示。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換器連接操作原理

2.2.4 串行D/A轉(zhuǎn)換模塊

該模塊采用的TLC5620作為具備緩沖基準(zhǔn)輸入端的四路8位電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器，所輸出的電壓選取一倍或者兩倍基準(zhǔn)電壓。器件具有上電復(fù)位功能，保障設(shè)備可以重復(fù)啟動(dòng)。DAC寄存器作為雙緩沖模式，其包含兩級(jí)鎖存器，從而支持完整的新數(shù)值寫入設(shè)備，隨之DAC由LDAC端實(shí)現(xiàn)控制和更新操作。

2.2.5 并串轉(zhuǎn)換模塊

該模塊采用74HC165芯片，如果移位/置入控制端(PL)處在低電平條件下，并行數(shù)據(jù)會(huì)被置入寄存器內(nèi)，這種情況與時(shí)鐘(CLK1、CLK2)、串行數(shù)據(jù)(SER)存在密切的聯(lián)系。若PL屬于高電平，并行置數(shù)功能遭到禁止。同時(shí)，CLK1與CLK2功能屬于等價(jià)的，支持交換使用。如果CLK2、CLK1存在一個(gè)低電平，且PL處在高電平狀態(tài)，另一個(gè)時(shí)鐘能夠進(jìn)行輸入。本系統(tǒng)通過CLK2實(shí)現(xiàn)接地，留出CLK1時(shí)鐘輸入，如圖6所示。

圖6 74HC165芯片連接實(shí)現(xiàn)原理

2.2.6 串并轉(zhuǎn)換模塊

這個(gè)模塊所用74HC164作為8位邊沿觸發(fā)式寄存器，數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)串行輸入和并行輸出。數(shù)據(jù)利用A或者B這兩個(gè)輸入端中的一個(gè)實(shí)施串行輸入。任何一個(gè)輸入端可當(dāng)做高電平使用端，并對(duì)另一輸入端數(shù)據(jù)輸入進(jìn)行恰當(dāng)?shù)目刂?。此外，也可以將兩個(gè)輸入端連接起來，或把不使用的輸入端與高電平進(jìn)行連接，不可處于懸空狀態(tài)，74HC164連接原理,如圖7所示。

圖7 芯片連接原理圖

3 總結(jié)

綜上所述，本次研究所用Freescale 32位微控制器MCF52234當(dāng)做主控制器，與外圍實(shí)驗(yàn)器件相結(jié)合，設(shè)計(jì)相應(yīng)的32位微控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的32位微控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包含LCD顯示模塊、以太網(wǎng)通信模塊、串行通信模塊等，便于開發(fā)人員靈活選擇和應(yīng)用。同時(shí)，系統(tǒng)還通過直流電機(jī)、IC卡等設(shè)備進(jìn)一步豐富實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，有利于開發(fā)人員公共實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)熟練掌握32位微控制器相關(guān)開發(fā)技術(shù)。而開發(fā)的系統(tǒng)支持用于32位微控制器實(shí)驗(yàn)教學(xué)及課程設(shè)計(jì)方面，也支持8位和16位微控制器實(shí)驗(yàn)教學(xué)需求。

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