基于Coldfire V4内核的通用工业控制平台设计

卡斯柯信号有限公司 刘 畅 耿进龙 宋志坚 潘 雷

基于Coldfire V4内核的通用工业控制平台设计

卡斯柯信号有限公司 刘 畅 耿进龙 宋志坚 潘 雷

基于Coldfire V4内核处理器的一款通用型工业级控制平台设计，并为提高平台的硬件可靠性，在器件选型、电源设计及设计方法上提供了一些解决方案，文中还补充了器件手册中没有说明但又易出错的设计细节。该方案已在实际产品中验证可行，并在铁路信号系统中得到了广泛应用。

Coldfire V4；工业级；可靠性；平台

前言

随着工业4.0的迅猛发展，作为其中的一个环节，以往的工业控制系统已经很难以满足现有的需求，而给每个控制设备的末端都安装一个“大脑”变得越来越迫切。但在实现中，“大脑”与“肌肉”的电路设计要求有着很大的不同，合并在一块电路板上会带来PCB设计、生产工艺等方面的问题。

本文讨论的就是通过设计一种通用型工业控制平台，来解决两者难以兼容的问题，通过在传统工业设计上简单添加一个子板式的“大脑”来实现智能化的控制操作。

1.控制平台系统概述

通用控制平台需要实现通信、控制、计算等功能，又需要尽量实现电路板体积的精简，并且需要合理平衡控制平台的功耗与处理能力。

根据系统的特点，控制平台系统设计框图如图1所示。

图1 控制平台系统架构图

控制平台包含了一个微处理器的最小系统，并向母板提供了丰富的控制接口以及通信总线接口，母板上可以根据最终产品的通讯需求搭建相应的接口电路。将接口电路放置在母板上而非控制平台板卡上可以精简使用不到的接口电路，避免浪费空间和成本。

2.CPU选型及关键外围电路

2.1 CPU选型

Coldfire单片机是NXP（原Motorola公司半导体产品部）公司在M68K基础上开发出来的微处理器芯片。它具有工控领域针对性强、发展历史悠久稳定可靠、丰富的总线接口及平衡的功耗和运算性能，特别适合应用于高可靠性的工业控制领域。从M68K发展至今Coldfire已有V1、V2、V3、V4四代产品同时在售。Coldfire系列芯片在海外拥有大量的使用量，是非常成熟的工业控制主控芯片的一种选择。

图2 MCF5441X系列芯片架构图

本设计方案中根据对芯片的外部接口及处理能力的要求，最终选择32位V4M内核的MCF5441X微处理器。MCF5441X微处理器的最高工作频率为250MHz片内集成了16K Cache、64K字节的SRAM及MMU单元，可以外接一片DDR2内存芯片。类似DSP的增强型乘累加单元（EMAC）及密钥加速单元（CAU）赋予了处理器额外的数据运算能力。

MCF5441X同时还拥有丰富的片上外接单元（见图1）此处不再累述。比较有特色的是，除了与DDR2及Flash的接口外，其他外设引脚均可以复用为GPIO，这为控制电路的设计提供了很大的灵活性。

2.2 BDM调试电路

Coldfire系列微处理器支持BDM和JTAG两种调试和烧录方式，其中NXP独有的BDM方式对软件调试提供了很大帮助，而JTAG模式更有利于在大批量生产时使用。因此，平台需要对两种方式均提供支持。在MCF5441X微处理器上BDM和JTAG信号共用了部分引脚（见表1）。

表1 BDM/JTAG引脚信号

这里NXP器件手册中没有清楚讲明的一点是接口中的PSTCLK/TCLK引脚在JTAG模式下作为TCLK信号时是作为输入引脚使用，而在BDM模式下作为PSTCLK时是作为输出引脚使用，且输出频率为主时钟的一半，即最大125MHz。此时就需要考虑到PSTCLK信号的信号完整性了，因为它关系到仿真器的连接是否稳定。

图3中展示了一种电路设计方式，74AUP1G125是带输出使能的Buffer芯片。Buffer芯片的使能信号由JTAG_EN来控制，当JTAG_EN信号为高时，表示MCF5441X处在JTAG工作模式下，此时PSTCLK/TCLK引脚作为TCLK，TCLK信号通过Buffer送往MCF5441X。而JTAG_EN信号为低电平时，Buffer的使能被关闭，PSTCLK通过33欧姆的匹配电阻送往BDM调试接口。

图3 BDM PSTCLK接口电路

2.3 内存及Flash电路

MCF5441X仅有一个DDR2片选信号，且数据总线位宽为8bit，地址线位宽为14bit，最多支持8个Bank，因此最大可以接1片2Gbit的DDR2。

MCF5441X可以支持Nor Flash或NAND Flash对于工业控制系统来说，NAND Flash的错误率和数据保存的有效时间都难以满足要求，因此需要选用Nor Flash作为程序存储设备。

3.可靠性电路设计

工业控制的硬件平台对可靠性有着较高的要求，因此在健壮的微处理外还需要增加一些特殊的电路设计来增强整个系统的鲁棒性。

3.1 看门狗电路

看门狗是最常见的用于增强鲁棒性的电路设计。虽然MCF5441X内置了看门狗，但整合在微处理器内的看门狗可能会由芯片自身的工艺或批次问题带来失效。因此外置看门狗电路是必要的。

图4 看门狗电路

本平台选用的是Linear公司生产的LTC2917芯片，它除了可以提供看门狗的功能外，还在3.3V电源出现欠压时输出复位信号。这个功能会在电源异常或刚刚上电时禁止微处理错误操作的可能性。

3.2 电源电路设计

控制平台硬件电路上一共需要5种电源，其中MCF5441X微处理器接口电压3.3V，核电压1.2V，DDR2分别需要1.8V、VTT和VREF三种电源。除3.3V电源需要从母板上获取外，其他四种电源均在控制平台上通过3.3V电源转换而来。考虑到尽量减少给母板带来的负担，生成1.2V和3.3V的电源均采用了开关电源。

图5 板载1.2V开关电源

考虑到需要给预留一些电压空间给电压监测功能，因此板载开关电源生成的并非标准的1.2V电源电压，而是略上浮了约2%，为1.23V左右。同样，1.8V电源电路的输出电压也做了微调。

3.3 电压监测功能

电压监测功能使用了ADM12914高精度电压监测芯片来监测电源欠压。当检测到电源电压欠压时芯片会产生复位信号将微处理器进行复位。由于分压电阻及芯片本身存在一定的误差，因此电压监测功能会占用约2%的电压裕量。

图6 电源电压监测电路

譬如MCF5441X对于3.3V电压的范围要求为-5%～10%，电压监测功能会占用-5%～-3%的这部分电压范围。而正常的电源电压输出应该为3.3V的-3%～10%。若电源电压到达3.3V的-4%，即3.168V时，虽然微处理器还可以正常工作，但会触发欠压报警。

3.4 多系一致性比对功能

单一的微处理器还是存在故障的可能性。为了校验和纠错控制平台可以集成多组微处理器，每个微处理器运行相同的计算和操作，并通过相互之间的校对来判断故障。

4.控制及通讯总线

MCF5441X微处理器上集成了网络接口，可以灵活配置为一路MII或两路RMII，以及两路CAN总线接口，一个带5个片选信号的SPI总线接口，多个UART接口。

这些接口中CAN总线自带CRC校验，适合传输对误码更敏感的低速数据，而网络接口可以通过路由器用于连接更远的客户端进行远程控制。

控制平台与母板之间还可以通过多个GPIO来实现实时控制功能，在GPIO数量不足时可以增加可编程逻辑器件并连接到FlexBUS总线上进行I/O扩展。

5.软件操作系统平台

NXP为MCF5441X芯片提供了成熟的RTOS操作系统以及完整易用的库，没有特殊需求的用户可以在官方实例的基础上直接进行软件的开发。

6.结论

本文采用了基于Coldfire V4核心的MCF5441X芯片构建起了一个工业级的通用控制平台。并通过多种监测手段提高了控制平台本身的可靠性。

控制平台硬件上集成了多种通讯接口，包括：Ethernet、CAN Bus、FlexBUS、SPI、UART以及数量灵活可配的GPIO端口，充分满足了多种不同的通讯和控制需求。

[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/负电压监控器,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

刘畅（1979-），男，硕士研究生，工程师，现就职于卡斯柯信号有限公司，主要从事硬件电路开发方向。

耿进龙（1982-），男，硕士研究生，工程师，现就职于卡斯柯信号有限公司，主要从事系统安全设计方向。

宋志坚（1982-），男，硕士研究生，工程师，现就职于卡斯柯信号有限公司，主要从事嵌入式系统驱动开发方向。

潘雷（1976-），男，硕士研究生，高级工程师，现就职于卡斯柯信号有限公司，主要从事硬件电路开发和管理方向。