Freescale ColdFire 32位微控制器MCF52234实验系统的模块设计及应用

许燕

(陕西国防工业职业技术学院, 西安 710300)

0 引言

过去的20多年，8位微控制器广泛用于各领域，并控制整个市场，并由用户系统推动8位、16位微控制器向32位过渡，后者的优越性、功能也是先进应用必不可少的内容。据相关调查数据表明，截止2011年，32位微控制器总出货量或大于20亿个，收入则以18%年率增长。随着行业不断向着32位MCU过渡，设计者不单要增设相应的功能，也要增加各种外用设备。而在产品进行升级换代过程中，我们一般使用较低的代价把软件、硬件转移至另一个核上。使用者设计一些产品时，必然会同时用到8位、16位微处理器。加之，同一个产品或者系统内可能涉及多个MCU，如：在工业网络设计中，主控制器运用32位MCU，每一个探头均为8位MCU等。因用户同时需要8位及16位产品，希望研发一种完全兼容的开发系统。

基于此，本文以 32位控制器 当做主控制器，对系统的主控及外围实验模块展开设计，顺利实现32位微控制器实验系统，以期为类似研究提供一定参考。

1 系统总框架

微控制器实验系统使用模块化设计方法，主要包含主控及外围实验两个部分，其中，主控模块运用可插拔式设计方案，便于设计人员及时更新微控制器，也有利于用户挑选不同的微控制器开展实验。本次研究所用的Freescale 32位微控制器主控模块，外围实验模块由多数实验器件组成，他们能依托实验线与主控制器进行连接，开展一系列的实验。系统总框架如图1所示。

2 系统模块功能设计

2.1 主控模块设计

主控模块主要由电源转换、以太网通讯、电压转换等模块组成，并采用MCF52234当做主控制器，它属于由Freescale公司生产出来的32位微控制器，其最高处理频率设定为60 MHz，其内部包含丰富的串行接口、模数转换器、实时时钟等。

图1 系统具体框图

2.1.1 电源转换模块

因MCF52234通过3.3 V实现供电，因此，必须把系统5 V电源转变为3.3 V电源。系统内配置线性转换电源芯片LM1117，可把所输入的5 V电源转变为3.3 V。LM1117作为低压差线性调压器，能够输出稳定、波纹小的电压，有助于主控器正常运行。电源芯片连接原理,如图2所示。

图2 LM1117电源芯片实现连接原理

2.1.3 电压转换模块

因微控制器与外部设计的电路逻辑电平并不兼容，必须实施电平转换。74LVX4245属于双向总线收发器，利用它能顺利实现逻辑电平3.3 V与5 V之间的转换。A端口设定为5 V总线，B端口则为3.3 V总线，利用方向控制端(DIR)合理控制信号输入输出。如果DIR处于逻辑0电平状态，A端与B端口分别为输出、输入端，能顺利把逻辑电平3.3 V转换为5 V。反之，若DIR是逻辑1电平，情况恰好相反。74LVX4245进行连接,原理如图3所示。

2.1.4 以太网设计

MCF52234主要特点在于，由于其内部设置快速的以太网控制器(FEC),它提供10、100 Mbps这两种以太网协议，把硬件与微程序融合起来，从而发挥以太网访问控制器具体功能。FEC利用工业标准媒体独立接口(MII)与片内或外界EPHY实现通讯，并依托部分缓冲器与CPU内核实施通信。FEC借助内部集成的DMA控制器与缓冲区之间实施数据交换，能够及时处理载波监听多路访问/冲突检测协议，发送及接收操作均达到IEE802.3标准。

图3 74LVX4245连接操作原理

2.2 设计外围实验模块

2.2.1 LED及LCD显示模块

LED显示模块设置8位8段数码管，运用共阴极的方式实现连接。系统依托ZLG7289BP与8位数码管及4×4键盘实现连接。其中，ZLG7289BP设置SPI串行接口，能够同时驱动8位共阴极数码管，可以与64键的键盘实现连接。同时，LCD显示模块以RT12864M当做LCD显示器件。RT12864M系统作为图形点阵型液晶显示模块，其主要功能在于显示128(列)×64(行)点阵，以此全面显示图形，。此外，也支持显示(8×8)个的汉字。此外，RT12864M设定7条控制指令，接口运用8位数据总线，采用并口输入输出的方法实施操作。

2.2.2 串行通信及存储模块

从串行通信功能分析，系统运用RS-232、RS-485这两个异步串行通信接口，模块电源通过MAX232、MAX485芯片与计算机实现串行通信。而串行存储模块内，系统运用2个EEPROM串行存储器，主要配置SPI及I2C接口。系统通过X5045开展SPI串行存储实验，其中，X5045作为配置SPI接口的串行EEPROM芯片，其存储量大大4KB。同时，X5045提供上电复位控制、降压管理等功能。X5045实现连接，如图4所示。

图4 X5045实施连接原理

2.2.3 串行A/D转换模块该模块应用TLC549这种8位逐次逼近式A/D转换器，内部主要由系统时钟、8位A/D转换器、控制逻辑电路等部分组成。TLC549共设置IOCLK及片选(CS*)这两个控制输入组成，如果CS*处在高电平状态，DOUT为高阻态且I/O时钟受到禁止。而当CS*转变成低电平，前次转换操作中最高有效位(MSB)会出现在DOUT端。A/D实施连接原理,如图5所示。

图5 A/D转换器连接操作原理

2.2.4 串行D/A转换模块

该模块采用的TLC5620作为具备缓冲基准输入端的四路8位电压输出D/A转换器，所输出的电压选取一倍或者两倍基准电压。器件具有上电复位功能，保障设备可以重复启动。DAC寄存器作为双缓冲模式，其包含两级锁存器，从而支持完整的新数值写入设备，随之DAC由LDAC端实现控制和更新操作。

2.2.5 并串转换模块

该模块采用74HC165芯片，如果移位/置入控制端(PL)处在低电平条件下，并行数据会被置入寄存器内，这种情况与时钟(CLK1、CLK2)、串行数据(SER)存在密切的联系。若PL属于高电平，并行置数功能遭到禁止。同时，CLK1与CLK2功能属于等价的，支持交换使用。如果CLK2、CLK1存在一个低电平，且PL处在高电平状态，另一个时钟能够进行输入。本系统通过CLK2实现接地，留出CLK1时钟输入，如图6所示。

图6 74HC165芯片连接实现原理

2.2.6 串并转换模块

这个模块所用74HC164作为8位边沿触发式寄存器，数据实现串行输入和并行输出。数据利用A或者B这两个输入端中的一个实施串行输入。任何一个输入端可当做高电平使用端，并对另一输入端数据输入进行恰当的控制。此外，也可以将两个输入端连接起来，或把不使用的输入端与高电平进行连接，不可处于悬空状态，74HC164连接原理,如图7所示。

图7 芯片连接原理图

3 总结

综上所述，本次研究所用Freescale 32位微控制器MCF52234当做主控制器，与外围实验器件相结合，设计相应的32位微控制器实验系统。本次设计的32位微控制器实验系统主要包含LCD显示模块、以太网通信模块、串行通信模块等，便于开发人员灵活选择和应用。同时，系统还通过直流电机、IC卡等设备进一步丰富实验内容，有利于开发人员公共实验系统熟练掌握32位微控制器相关开发技术。而开发的系统支持用于32位微控制器实验教学及课程设计方面，也支持8位和16位微控制器实验教学需求。

[1] 肖娟,张雯雾,王嵩，等.虚拟实验系统在计算机组成原理实验教学改革中的应用[J].计算机教育,2014(14):33-36.

[2] 张春明,杨天鸿,王青，等.主被动立体混合式虚拟现实实验教学系统的设计与实现[J].微型电脑应用,2015,31(9):60-62.

[3] 陆熊,黄晓梅,周翟和，等.基于MCS-51和ARM的通用嵌入式综合实验系统[J].中国现代教育装备,2017(15):5-7.