卡斯柯信號(hào)有限公司 劉 暢 耿進(jìn)龍 宋志堅(jiān) 潘 雷

基于Coldfire V4內(nèi)核的通用工業(yè)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)

卡斯柯信號(hào)有限公司 劉 暢 耿進(jìn)龍 宋志堅(jiān) 潘 雷

基于Coldfire V4內(nèi)核處理器的一款通用型工業(yè)級(jí)控制平臺(tái)設(shè)計(jì)，并為提高平臺(tái)的硬件可靠性，在器件選型、電源設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)方法上提供了一些解決方案，文中還補(bǔ)充了器件手冊(cè)中沒有說明但又易出錯(cuò)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。該方案已在實(shí)際產(chǎn)品中驗(yàn)證可行，并在鐵路信號(hào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

Coldfire V4；工業(yè)級(jí)；可靠性；平臺(tái)

前言

隨著工業(yè)4.0的迅猛發(fā)展，作為其中的一個(gè)環(huán)節(jié)，以往的工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)很難以滿足現(xiàn)有的需求，而給每個(gè)控制設(shè)備的末端都安裝一個(gè)“大腦”變得越來越迫切。但在實(shí)現(xiàn)中，“大腦”與“肌肉”的電路設(shè)計(jì)要求有著很大的不同，合并在一塊電路板上會(huì)帶來PCB設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝等方面的問題。

本文討論的就是通過設(shè)計(jì)一種通用型工業(yè)控制平臺(tái)，來解決兩者難以兼容的問題，通過在傳統(tǒng)工業(yè)設(shè)計(jì)上簡(jiǎn)單添加一個(gè)子板式的“大腦”來實(shí)現(xiàn)智能化的控制操作。

1.控制平臺(tái)系統(tǒng)概述

通用控制平臺(tái)需要實(shí)現(xiàn)通信、控制、計(jì)算等功能，又需要盡量實(shí)現(xiàn)電路板體積的精簡(jiǎn)，并且需要合理平衡控制平臺(tái)的功耗與處理能力。

根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)，控制平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 控制平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)圖

控制平臺(tái)包含了一個(gè)微處理器的最小系統(tǒng)，并向母板提供了豐富的控制接口以及通信總線接口，母板上可以根據(jù)最終產(chǎn)品的通訊需求搭建相應(yīng)的接口電路。將接口電路放置在母板上而非控制平臺(tái)板卡上可以精簡(jiǎn)使用不到的接口電路，避免浪費(fèi)空間和成本。

2.CPU選型及關(guān)鍵外圍電路

2.1 CPU選型

Coldfire單片機(jī)是NXP（原Motorola公司半導(dǎo)體產(chǎn)品部）公司在M68K基礎(chǔ)上開發(fā)出來的微處理器芯片。它具有工控領(lǐng)域針對(duì)性強(qiáng)、發(fā)展歷史悠久穩(wěn)定可靠、豐富的總線接口及平衡的功耗和運(yùn)算性能，特別適合應(yīng)用于高可靠性的工業(yè)控制領(lǐng)域。從M68K發(fā)展至今Coldfire已有V1、V2、V3、V4四代產(chǎn)品同時(shí)在售。Coldfire系列芯片在海外擁有大量的使用量，是非常成熟的工業(yè)控制主控芯片的一種選擇。

圖2 MCF5441X系列芯片架構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)方案中根據(jù)對(duì)芯片的外部接口及處理能力的要求，最終選擇32位V4M內(nèi)核的MCF5441X微處理器。MCF5441X微處理器的最高工作頻率為250MHz片內(nèi)集成了16K Cache、64K字節(jié)的SRAM及MMU單元，可以外接一片DDR2內(nèi)存芯片。類似DSP的增強(qiáng)型乘累加單元（EMAC）及密鑰加速單元（CAU）賦予了處理器額外的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力。

MCF5441X同時(shí)還擁有豐富的片上外接單元（見圖1）此處不再累述。比較有特色的是，除了與DDR2及Flash的接口外，其他外設(shè)引腳均可以復(fù)用為GPIO，這為控制電路的設(shè)計(jì)提供了很大的靈活性。

2.2 BDM調(diào)試電路

Coldfire系列微處理器支持BDM和JTAG兩種調(diào)試和燒錄方式，其中NXP獨(dú)有的BDM方式對(duì)軟件調(diào)試提供了很大幫助，而JTAG模式更有利于在大批量生產(chǎn)時(shí)使用。因此，平臺(tái)需要對(duì)兩種方式均提供支持。在MCF5441X微處理器上BDM和JTAG信號(hào)共用了部分引腳（見表1）。

表1 BDM/JTAG引腳信號(hào)

這里NXP器件手冊(cè)中沒有清楚講明的一點(diǎn)是接口中的PSTCLK/TCLK引腳在JTAG模式下作為TCLK信號(hào)時(shí)是作為輸入引腳使用，而在BDM模式下作為PSTCLK時(shí)是作為輸出引腳使用，且輸出頻率為主時(shí)鐘的一半，即最大125MHz。此時(shí)就需要考慮到PSTCLK信號(hào)的信號(hào)完整性了，因?yàn)樗P(guān)系到仿真器的連接是否穩(wěn)定。

圖3中展示了一種電路設(shè)計(jì)方式，74AUP1G125是帶輸出使能的Buffer芯片。Buffer芯片的使能信號(hào)由JTAG_EN來控制，當(dāng)JTAG_EN信號(hào)為高時(shí)，表示MCF5441X處在JTAG工作模式下，此時(shí)PSTCLK/TCLK引腳作為TCLK，TCLK信號(hào)通過Buffer送往MCF5441X。而JTAG_EN信號(hào)為低電平時(shí)，Buffer的使能被關(guān)閉，PSTCLK通過33歐姆的匹配電阻送往BDM調(diào)試接口。

圖3 BDM PSTCLK接口電路

2.3 內(nèi)存及Flash電路

MCF5441X僅有一個(gè)DDR2片選信號(hào)，且數(shù)據(jù)總線位寬為8bit，地址線位寬為14bit，最多支持8個(gè)Bank，因此最大可以接1片2Gbit的DDR2。

MCF5441X可以支持Nor Flash或NAND Flash對(duì)于工業(yè)控制系統(tǒng)來說，NAND Flash的錯(cuò)誤率和數(shù)據(jù)保存的有效時(shí)間都難以滿足要求，因此需要選用Nor Flash作為程序存儲(chǔ)設(shè)備。

3.可靠性電路設(shè)計(jì)

工業(yè)控制的硬件平臺(tái)對(duì)可靠性有著較高的要求，因此在健壯的微處理外還需要增加一些特殊的電路設(shè)計(jì)來增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。

3.1 看門狗電路

看門狗是最常見的用于增強(qiáng)魯棒性的電路設(shè)計(jì)。雖然MCF5441X內(nèi)置了看門狗，但整合在微處理器內(nèi)的看門狗可能會(huì)由芯片自身的工藝或批次問題帶來失效。因此外置看門狗電路是必要的。

圖4 看門狗電路

本平臺(tái)選用的是Linear公司生產(chǎn)的LTC2917芯片，它除了可以提供看門狗的功能外，還在3.3V電源出現(xiàn)欠壓時(shí)輸出復(fù)位信號(hào)。這個(gè)功能會(huì)在電源異常或剛剛上電時(shí)禁止微處理錯(cuò)誤操作的可能性。

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

控制平臺(tái)硬件電路上一共需要5種電源，其中MCF5441X微處理器接口電壓3.3V，核電壓1.2V，DDR2分別需要1.8V、VTT和VREF三種電源。除3.3V電源需要從母板上獲取外，其他四種電源均在控制平臺(tái)上通過3.3V電源轉(zhuǎn)換而來?？紤]到盡量減少給母板帶來的負(fù)擔(dān)，生成1.2V和3.3V的電源均采用了開關(guān)電源。

圖5 板載1.2V開關(guān)電源

考慮到需要給預(yù)留一些電壓空間給電壓監(jiān)測(cè)功能，因此板載開關(guān)電源生成的并非標(biāo)準(zhǔn)的1.2V電源電壓，而是略上浮了約2%，為1.23V左右。同樣，1.8V電源電路的輸出電壓也做了微調(diào)。

3.3 電壓監(jiān)測(cè)功能

電壓監(jiān)測(cè)功能使用了ADM12914高精度電壓監(jiān)測(cè)芯片來監(jiān)測(cè)電源欠壓。當(dāng)檢測(cè)到電源電壓欠壓時(shí)芯片會(huì)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)將微處理器進(jìn)行復(fù)位。由于分壓電阻及芯片本身存在一定的誤差，因此電壓監(jiān)測(cè)功能會(huì)占用約2%的電壓裕量。

圖6 電源電壓監(jiān)測(cè)電路

譬如MCF5441X對(duì)于3.3V電壓的范圍要求為-5%～10%，電壓監(jiān)測(cè)功能會(huì)占用-5%～-3%的這部分電壓范圍。而正常的電源電壓輸出應(yīng)該為3.3V的-3%～10%。若電源電壓到達(dá)3.3V的-4%，即3.168V時(shí)，雖然微處理器還可以正常工作，但會(huì)觸發(fā)欠壓報(bào)警。

3.4 多系一致性比對(duì)功能

單一的微處理器還是存在故障的可能性。為了校驗(yàn)和糾錯(cuò)控制平臺(tái)可以集成多組微處理器，每個(gè)微處理器運(yùn)行相同的計(jì)算和操作，并通過相互之間的校對(duì)來判斷故障。

4.控制及通訊總線

MCF5441X微處理器上集成了網(wǎng)絡(luò)接口，可以靈活配置為一路MII或兩路RMII，以及兩路CAN總線接口，一個(gè)帶5個(gè)片選信號(hào)的SPI總線接口，多個(gè)UART接口。

這些接口中CAN總線自帶CRC校驗(yàn)，適合傳輸對(duì)誤碼更敏感的低速數(shù)據(jù)，而網(wǎng)絡(luò)接口可以通過路由器用于連接更遠(yuǎn)的客戶端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

控制平臺(tái)與母板之間還可以通過多個(gè)GPIO來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制功能，在GPIO數(shù)量不足時(shí)可以增加可編程邏輯器件并連接到FlexBUS總線上進(jìn)行I/O擴(kuò)展。

5.軟件操作系統(tǒng)平臺(tái)

NXP為MCF5441X芯片提供了成熟的RTOS操作系統(tǒng)以及完整易用的庫，沒有特殊需求的用戶可以在官方實(shí)例的基礎(chǔ)上直接進(jìn)行軟件的開發(fā)。

6.結(jié)論

本文采用了基于Coldfire V4核心的MCF5441X芯片構(gòu)建起了一個(gè)工業(yè)級(jí)的通用控制平臺(tái)。并通過多種監(jiān)測(cè)手段提高了控制平臺(tái)本身的可靠性。

控制平臺(tái)硬件上集成了多種通訊接口，包括：Ethernet、CAN Bus、FlexBUS、SPI、UART以及數(shù)量靈活可配的GPIO端口，充分滿足了多種不同的通訊和控制需求。

[1]Freescale Semiconductor,MCF5441x Reference Manual,Rev.4, January 2012.

[2]Linear Technology, LTC2917/LTC2918 - Low Voltage Supervisor with 27 Selectable Thresholds and Watchdog Timer, LT 0208 REV B.

[3]Texas Instrument,LM3671/-Q1 2-MHz,600-mA Step-Down DC-DC Converter,SNVS294R–NOVEMBER 2004–REVISED NOVEMBER 2014.

[4]Analog Device,ADM12914 ±0.8%精度、四通道UV/OV 正/負(fù)電壓監(jiān)控器,Rev.C.

Research of General Industrial Control Platform Based on Coldfire V4 Core

CHANG LIU1JINLONG GENG1ZHIJIAN SONG1LEI PAN1
(1.CASCO Signal Co., Shanghai, 200071)

General-purpose industrial-grade control platform project, based on Coldfire V4 core processor. To improve the hardware reliability of the platform, some solution are provided in the device selection, power supply design and design methods. The contain also add some guides that are not referred by manual, but error-prone. The scheme has been proven in practical products and has been widely used in railway signaling systems.

Coldfire V4; industrial; reliability; platform

劉暢（1979-），男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于卡斯柯信號(hào)有限公司，主要從事硬件電路開發(fā)方向。

耿進(jìn)龍（1982-），男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于卡斯柯信號(hào)有限公司，主要從事系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)方向。

宋志堅(jiān)（1982-），男，碩士研究生，工程師，現(xiàn)就職于卡斯柯信號(hào)有限公司，主要從事嵌入式系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)開發(fā)方向。

潘雷（1976-），男，碩士研究生，高級(jí)工程師，現(xiàn)就職于卡斯柯信號(hào)有限公司，主要從事硬件電路開發(fā)和管理方向。