基于ColdFire V4内核的低成本现场通信管理机的实现

摘  要： ColdFire V4内核MCF54418微处理器集成内存管理单元MMU、双以太网MAC、10个UART串行接口以及两个CAN总线等各种通信外设接口，非常适用于工业现场通信产品的开发。利用MCF54418微处理器设计而成的通信管理机具有集成度高、性能优异、配置灵活等特点。
关键词： ColdFire V4内核；双以太网；通信管理机；RS485
   　伴随着电子技术的不断发展，电子通信技术应用领域越来越广，通信方式日新月异、通信速率越来越快。随着在网络、通信、控制等领域对大量数据交换处理的需求，传统8 bit处理器已无法满足要求。为解决这一问题，使用32 bit处理器构成嵌入式应用系统。通常工业现场设备由于各个厂家研制的时代差异及应用场合需求不同，常规通信方式基本有RS232、RS485、CAN总线、以太网等几种。通常大部分工业现场设备由RS232、RS485、CAN等网络完成数据信息的传输任务，而厂级上层调度传输任务基本上是由以太网来完成的。由于ColdFire V4内核的MCF54418微处理器主频达到250 MHz，指令处理能力达到385 MIPS，内部具有64 KB SRAM并可扩充DDR2 RAM内存、外部Nand Flash存储器，有可独立工作带有IEEE1588对时功能的双以太网MAC、10个UART、两个CAN（其中串口部分复用引脚以及）以及I2C等各种通信外设接口，非常适用于工业现场通信产品的开发设计。更具有吸引力的是，该芯片是高度集成的片上系统处理器，拥有比ARM9性能更先进的250 MHz ColdFire V4内核，支持Linux、Windows CE和其他许多嵌入式操作系统的存储器管理单元（MMU），可方便地完成10个串口驱动及以太网TCP/IP协议栈和两个CAN设备的驱动及文件系统的开发。利用MCF54418微处理器设计的通信管理机具有集成度高、性能优异和配置灵活等特点，可大大提高系统设计的灵活性和可扩展性。
1 现场通信管理机的原理框图和设计
　本文设计了面向工业现场通信需求的通信管理机，其原理框图如图1所示。它有两个以太网通道，可以组成双以太网环网向上位机调度系统传输数据，IEEE1588对时功能可以保证传输数据的实时性。8个RS232/RS485通信接口可用来处理RS485网络和RS232设备数据，每个RS485网络可以连接128个RS485设备。两个CAN网络接口，每个可连接128个CAN设备。微处理器USB Host接口用来连接USB存储设备，主要存储一些通信管理协议和装置配置数据。本装置还有1 GB的DDR2 SDRAM和2 GB的Nand Flash存储器，并且该处理器可以支持主流的6/8个Bank DDR2芯片。此外，该系统还具有看门狗、RTC实时时钟、人机交换界面等接口。
   
   　本设计的软件采用2.6.29标准Linux操作系统内核及Jffs2文件系统，支持网络文件系统调试。采用Nand Flash启动、双以太网驱动支持NFS，Web Server，USB驱动支持Mass Storage类设备。
2 系统硬件原理设计及主要芯片介绍
2.1 DDR2芯片设计
　本设计中的DDR2芯片采用1 GB容量8个Bank的DDR2芯片MT47H128M8，总线主频为250 MHz，总线数据宽度为8 bit。DDR2电源为1.8 V，采用DDR2专用芯片LP2997MR供电以确保系统供电稳定。在DDR2系统设计中，由于总线速度达250 MHz，最需要注意的就是高速信号的完整性，所有的信号都需要加串行端接进行阻抗匹配。此外，在布线时应遵循以下的规则：差分时钟信号的正负端在端接电阻前后都要按照差分走线方式严格匹配走线长度，并且需要放大与其他信号线的间距，建议大于10 mil以上，并且最好有地线包裹，防止线间串扰。差分数据选通线的正负端在端接电阻前后都要按照差分走线方式，其他的数据线（写控制等信号）的走线必须和数据时钟走线在端接电阻前后匹配，所有的信号都尽可能在内层走线，且尽可能短。
2.2 双以太网PHY设计
　以太网MAC采用了双以太网接口的设计方案，因此采用了单芯片的DP83849双以太网PHY芯片。微处理器通过RMII的接口与PHY芯片连接，主时钟使用50 MHz，PHY芯片通过带网络变压器的RJ45接口引出来，可以直接连接网线与外部网络通信。它可以用作网络文件系统的调试更新，也可用于网络软件更新、网页访问等多种网络通信功能。在硬件设计时需要注意EMI干扰和防雷增加共轭扼流线圈，以太网RX+、RX-，TX+、TX-信号线应严格按差分信号线布线规则进行布线，以确保传输信号的完整性和可靠性。
2.3 RS232/RS485通信接口
　MCF54418芯片集成了最多10个异步串行设备（U0~U9）和两个CAN设备。由于一些串口与CAN设备信号复用，因此实际设计中只设计了8个RS232/RS485通信接口和两个CAN总线接口。设计中RS485通信接口采用了免控制零延迟RS485电路，其既可以节省RS485的收发控制信号，又可以完全避免RS485通信中普遍存在的以下问题：（1）发送数据存在转换延时，这无形中占用了系统处理时间；（2）发送状态转换若太快或太慢将会造成数据丢失甚至通信崩溃；（3）在收发数据转换时容易引入干扰，导致系统收到杂乱数据引起数据处理错误。免控制零延迟RS485电路如图2所示。