专利名称：一种可独立或接插使用的单片机数字核心子板的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种可独立或者接插使用的单片机数字核心子板，尤其涉及PowerPC555单片机的数字核心子板，可用于工业现场控制领域，尤其适用于实验室的相关控制开发以及工业现场的实际控制实施等领域。
背景技术：
现代工业现场控制中往往需要用控制器。工程技术人员常常需要针对不同的控制要求，使用合适的单片机设计不同的数字核心部分电路和外围信号处理电路，从而构成整个控制器完成控制的目的。
PowerPC555是Motorola公司于近年推出的一种新型单片机。该单片机集成了26K的RAM、448K的Flash Rom存储器和诸如AD、CAN、TPU、MIOS、QSM等周边模块，特别适合于汽车电子控制或者其他类似相关工业现场控制等领域。
然而在应用中，PowerPC555单片机在应用中存在以下问题一是PowerPC555的引脚比较复杂，数字部分的周边支持电路比较复杂，通常只有对该单片机硬件数字内核比较熟悉的开发人员才能够设计出完整而准确的周边支持电路，从而进一步提高了开发难度；二是PowerPC555集成的26K Ram和448K Flash Rom通常不能满足实际使用的需要。而对存储器进行扩展又将增加硬件开发难度。
一般来说，控制器开发会有一个反复调整和更新换代的过程。而由于上述的PowerPC555的一些具体特点，造成其硬件开发难度比较大，重复性的开发必然将耗费大量的人力物力资源。
然而在大多数应用中，该单片机的数字核心部分具有在结构和电路连接上相对比较稳定，变化不大等特点。所以针对该单片机，设计一种可以接插使用的通用的单片机数字核心子板，将上述开发中的难点问题集中起来解决，从而降低整体设计难度。同时，由于平台的通用性，该数字核心子板可以在跨平台、跨项目的使用，具有即插即用的特性，从而避免重复的设计。
目前市场已有的集成PowerPC555单片机的硬件大多都是一个完整的控制器产品，难以跨平台的直接使用。而同时一些公司推出的PowerPC555开发板在尺寸和结构上仅仅适用于实验室尝试性质的开发，并且没有采取特殊的电磁兼容措施，不能用作实际的工业控制用途。
实用新型内容本实用新型的目的是针对现有PowerPC555单片机在应用方面的电路复杂、难度大等特点，通过对该单片机芯片支持电路、存储器扩展电路、通讯电路以及接插件电路的完整设计，完成PowerPC555单片机的数字部分所需要的硬件支持，从而使该单片机数字核心子板既可以在独立使用时作为实验室开发以及控制软件和算法调试的工具，又可以在接插配合使用时作为工业现场控制的载体，在一定程度上解决了该单片机电路设计难的问题。
本实用新型的技术方案如下一种可独立或接插使用的单片机数字核心子板，含有PowerPC555单片机，其特征在于该核心板还含有芯片支持电路、存储器扩展与走马灯电路、CAN通讯和串口通讯电路和接插件连接电路；所述的芯片支持电路分别通过控制总线和数据总线与含有PowerPC555单片机连接；所述的存储器扩展电路和走马灯电路分别通过数据总线、地址总线和控制总线与所述芯片相连，所述的CAN通讯和串口通讯电路通过资源总线与所述的芯片连接，所述的插接电路通过资源总线与所述的芯片连接。
所述的芯片支持电路包括晶振电路、BDM调试接口、上拉电路、配置电路以及复位电路，它们分别通过控制总线和数据总线与PowerPC555单片机连接；所述的配置电路采用了两片74LCX573和1片74HC125芯片，其中74LCX573与PowerPC555单片机的地址线相连，74HC125芯所述的存储器扩展电路采用了两片29LV800系列Flash芯片和两片62256系列的Ram芯片，其中29LV800芯片的地址线与数据线分别和PowerPC555单片机地址线和数据线相连接，所述的62256系列芯片的地址线与数据线分别和PowerPC555单片机地址线和数据线相连接；所述的走马灯电路采用了74LV273芯片，该芯片的数据输入端与PowerPC555单片机的地址线连接。
所述的串口通讯电路采用了MAX232芯片，其中MAX232芯片的两路收发端口分别连接到PowerPC555单片机的SCI串口端口；所述的CAN通讯电路采用了光电隔离芯片6N137、收发器82C250和DCP010505芯片，其中CAN的收发器82C250与光电隔离芯片6N137连接，6N137与PowerPC555单片机的CAN收发端口相连接。
所述的接插件连接电路主要通过资源总线和PowerPC555单片机形成连接。该部分电路使用标准的接插件。
本实用新型通过围绕数字核心概念，以PowerPC555为作为单片机芯片设计了核心子板硬件，对单片机的和外界无关的数字部分周边电路进行了详尽的设计。该硬件既可以作为实验室开发以及控制软件和算法调试的工具单独使用，具有调试方便灵活的特点；又可以作为工业现场控制的载体和其他各种相关设计的母板接插配合使用，具有即插即用、灵活通用的特点。从而解决了该芯片开发应用中可能存在的难度大、电路复杂的问题，使得开发人员减小了开发难度，避免了重复开发，为快速的产品设计或者控制设计提供了可能
图1是PowerPC555最小系统数字核心子板电路结构的方框图。
图2是支持电路的电路原理图。
图3是存储器扩展和走马灯电路原理图。
图4是通讯模块电路原理图。
图5是接插件的电路原理图。
图6是其他部分电路电路原理图。
具体实施方式
图1所示，PowerPC555最小系统数字核心子板的框图包括如图四个部分，即芯片支持电路，存储器扩展以及走马灯电路，CAN和串口通讯电路以及接插件电路。所述的芯片支持电路分别通过控制总线(CONTROL)和数据总线(DATA[0:31])与含有PowerPC555单片机连接；所述的存储器扩展电路和走马灯电路分别通过数据总线(DATA[0:31])、地址总线(ADDR[8:31])和控制总线(CONTROL)与所述芯片相连，所述的CAN通讯和串口通讯电路通过资源总线(RESOURCE)与所述的芯片连接，所述的插接电路通过资源总线(RESOURCE)与所述的芯片连接。
图2所示为PowerPC555单片机的支持电路，包括晶振电路、BDM调试接口、上拉电路、配置电路以及复位电路，它们分别通过控制总线和数据总线与PowerPC555单片机连接；所述的配置电路采用了两片74LCX573和一片74HC125芯片，其中74LCX573与PowerPC555单片机的地址线相连，74HC125芯片与PowerPC555单片机的的控制线相连。图中U1A为PowerPC555单片机。
晶振电路包括CYO以及相关电阻电容构成的电路连接。其中CYO为标称值4M的晶振，C1、C2为10pF的电容，R1为1M欧姆的电阻。如图示连接后接入U1A的T20、U20，提供系统运行的晶振。
BDM接口包括BDM所标识的元件和相关电阻构成的电路连接。其中BDM为10针接插口，按照图示的网络标号连接后可以给系统提供BDM调试的功能。该部分其余元件特性图中均有标注。
复位电路包括UR1以及相关元件和网络标号所构成的连接。其中UR1芯片型号为MC34064，可以保证复位的准确性。PRST、SRST和HRST为普通按键开关。其余元件特性图中均有标注。
系统配置模块主要包括UL1～UL4、SW1～SW3以及相关电阻电容和网络标号构成硬件连接，包括定制开关电路(Config Switch)和模式开关电路(Mode Switch)的实现。
定制开关电路的电路主要包括UL3和SW3和部分电阻以及网络标号构成的连接，该电路实现了在启动和复位的时候，通过拨片开关SW3对锁相环，Flash供电电压和擦写电压，以及复位配置允许位等信息进行配置，实现对系统的定制。
锁相配置电路设计在该拨片开关SW3的1~3脚。由于锁相环电路在系统启动时需要从三个引脚PPC555的MDCLK[1:3](和IRQ[5:7]复用)读入锁相配置，即由此决定提供核心启动时的时钟频率。由于在设计中已经确定使用了4M的晶振，即MODCLK[1:3]一般需要在010的位置，故SW3的1～3脚应该配置为0、1、0。
PPC555的引脚EPEE(5V)提供内部FLASH的外部擦写电平，VPP(3V或者5V)决定是否允许内部FLASH擦写。将这两个引脚连接到拨片开关SW3的5、6脚，可以实现应用中的内部Flash读和写电压配置。
此外，拨片开关SW3的引脚4连接到芯片软复位SRESET上，通过74HC125三态门形成系统配置信号RSTCNF接入PPC555芯片。
用软复位信号SRESET作为三态门UL3的使能输入，从而可以决定在复位的软复位时候拨片开关SW3所配置的信息能够输入到系统中。
上述电路中UL3芯片型号为74HC125，SW3为普通6路拨片开关。其余元件特性图中均有标注。
模式开关电路(Mode Switch)主要功能是在复位的一刹那时，将拨片开关上出现的配置信息通过三态门送到地址线上，从而实现系统的部分配置。该部分电路包括UL2、UL1、UL4以及SW1、SW2以及相关电阻和网络标号构成的电路。该部分电路在系统软复位的瞬间将下拉信号以及拨片开关上的相关信息通过三态门UL2、UL1和UL4锁存在数据线上，从而实现模式配置。该电路中UL2、UL1和UL4芯片为74LCX573，SW1、SW2为8路拨片开关。其余元件特性图中均有标注。
实际使用中定制开关和模式开关的开合可参考Motorola PowerPC555用户手册。
图2中的其他U1A附近的电阻电容功能如下提供QADC模块进行AD转换的参考电压(VRH，B7脚；VRL，A7脚)和参考电源与地(VDDA，C7脚；VSSA，D7脚)；提供锁相环参考电压(VSSSYN，T19脚；VDDSYN，R20脚)；提供内部Ram工作电压(R18脚，J4脚)；提供内部Flash Rom工作电压(VPP，P17脚)；提供芯片的低功耗电压(KAPWR，T18脚)以及R19脚和U18脚的部分特定连接。图中标称CIZHU的器件均为普通铁氧体磁珠，D1为耐压16V的普通二极管。网络标号VDDL为3.3V，VDDH为5V(图4，电源部分)。该部分其余元件特性图中均有标注。
图3所示为存储器扩展和走马灯电路电路原理图。该部分电路采用了两片29LV800系列Flash芯片和两片62256系列的Ram芯片，其中29LV800芯片的地址线与数据线分别和PowerPC555单片机地址线和数据线相连接，所述的62256系列芯片的地址线与数据线分别和PowerPC555单片机地址线和数据线相连接；所述的走马灯电路采用了74LV273芯片，该芯片的数据输入端与PowerPC555单片机的地址线连接。图中U1D为PowerPC555单片机。
存储器扩展电路包括UM1～UM4、FLSHSEL，RAMSEL以及相关电阻和网络标号构成的电路。从地址总线将网络标号A29～A10的地址信号，以及从数据总线将网络标号D0～D31连接到UM1～UM4的各个相关引脚，完成数据总线和地址总线的连接。UM1、UM2为Flash ROM，从图示的CONTROL总线上引入网络标号R/W*、HRESET和OE*到图示的UM1、UM2的相关引脚，产生读写和复位信号。另外从CONTROL总线上引出网络标号CS0～CS2，经过跳线FLSHSEL产生片选信号接入到UM1、UM2的相关引脚。UM3、UM4为RAM，将这其的41脚连接到网络标号OE*产生读信号，将其39、40脚分别连接到网络标号WE1、WE0和WE3、WE2上，完成写信号的连接。此外从CONTROL总线上引入网络标号CS0～CS2，经过跳线选择进入UM3、UM4的相关引脚形成了片选信号。该部分电路中UM1、UM2为Flash ROM存储器，型号为AM29LV800B；UM3、UM4型号为RAM存储器，型号为IS61LV25616。FLSHSEL，RAMSEL为6针双排跳线。网络标号VDDL为3.3V，VDDH为5V。其余元件特性图中均有标注。
走马灯电路主要包括RJ5，H9～H16，U9以及相关网络标号构成的电路。UM9的CLK(11脚)接入网络标号CS3的片选信号产生时钟，输入端输入网络标号D31～D24这8个地址信号，输出端连接到H9～H16，并且连接排阻上拉到VCC。其中UM9芯片型号为74LC273，H9～H16为发光二极管，RJ5为1K的共地排阻。网络标号VDDL为3.3V，VDDH为5V。其余元件特性图中均有标注。
存储器扩展电路和走马灯电路在实际使用中需要对PowerPC555内部的USIU模块中部分寄存器作出赋值定义，对其工作的地址空间进行分配。具体软件方法详见MotorolaPowerPC555用户手册。
图4所示为通讯模块电路原理图，该部分包括串口通讯电路和CAN通讯电路，通过资源总线(RESOURCE)与PowerPC555单片机连接。其中串口通讯电路采用了MAX232芯片，其中MAX232芯片的两路收发端口分别连接到PowerPC555单片机的SCI串口端口；CAN通讯电路采用了光电隔离芯片6N137、收发器82C250和DCP010505芯片，其中CAN的收发器82C250与光电隔离芯片6N137连接，6N137与PowerPC555单片机的CAN收发端口相连接。图中U1C为PowerPC555单片机。
CAN通讯电路实施方案如下将5V电平VDDH接入DC-DC隔离芯片UC1生成隔离的5V电源CANVCC和CANGND，为CAN通讯部分提供电源。CAN的收发部分由US1～US6按照图示连接构成，提供两路完全相同的CAN接口。外部CAN信号线由网络标号CANAH、CANAL，CANBH、CANBL引入信号子板，经US1、US2两个CAN收发器处理连接并驱动光隔器件US3、US4，生成相应的CAN信号CANRXA、CANTXA，CANRXB、CANTXB连接至单片机的相应引脚(图2，MPC)。此外设计了CAN电路的终端电阻跳线电路，即当CAN节点工作在CAN网络的端点时，需要将JPS1或者JPS2通过跳线帽短接，JPS1对应CANAH和CANAL，JPS2对应CANBH和CANBL。
串口通讯电路主要包括图2中US7、部分电容以及网络标号所标识的电路，提供两路串口驱动。外部RS232电平经过TXD2、RXD2，RXD1、TXD1进入RS232收发器US7，生成网络标号RD2、TD2，RD1、TD1连接到单片机的相应引脚(图2，MPC)。该部分主要芯片型号有UC1型号为DCP010505，LP5为普通铁氧体磁珠，US1，US2为CAN的收发器Phylips82C250，US3～US6为光电耦合器件6N137。US7为RS232收发器MAX232。其余元件特性图中均有标注。
图5是接插件的电路原理图，该部分电路使用标准的接插件，通过资源总线(RESOURCE)连接到PowerPC555单片机。图中U1B为PowerPC555单片机。
接插件主要包括COM1，HI1、HI2，SI1～SI4以及相关网络标号构成的连接。
COM1为标准DB9插头，提供PPC555的串口1的外部RS232连接，实际使用中可按照串口的标准DB9连接实现串口通讯。HI1、HI2为普通两针接插件，提供PPC555内部两路CAN的外部连接。
SI1～SI4为标准40针双排接插件。图中的网络标号主要包括MPC的网络连接和其他部分网络标号的连接。其中SI2的1～2，3～4分别通过滤波后连接到VDDH和GND，SI3的29～34，35～40分别通过滤波后连接到核心子板的VDDH和GND，这样的设计是为了使得该子板和母板协同工作时，能够从母板直接取电。经过收发器处理的两路CAN总线信号连接在SI1的1～4脚，故该核心子板在和母板接插配合使用时，可由母板提供从外部总接插件到核心子板的电路连接。串口的原始信号和处理后的RS232信号均在接插件SI1上有所标识，可以满足母板不同的要求。即既可以使用已经处理后的RS232电平，又可以使用原始的从单片机发出的串口信息，并且为之提供更好的信号调理或者隔离电路。该部分其余元件特性和电路连接图中均有标注。
图6为其他电路电路原理图，包括电源电路和旁路电容等。
电源部分由PWRINTFC、UP1、VP2以及电阻、磁珠以及其他相关网络标号构成的连接。外部使用9～15V直流供电，从接插件PWRINTFC导入到核心子板，经过电容CP1稳压和磁珠LP1、LP2滤波处理后进入UP1，生成5V电平VDDH给系统部分元件和网络标号供电，同时也作为VP2的输入端，通过稳压和滤波后得到3.3V电平VDDL，给系统中部分元件和网络标号供电。其中PWRINTFC为3脚标准接插件，UP1芯片型号为MC7805，VP2芯片型号为LT1587，LP1～LP4为铁氧体磁珠。其余元件特性图中均有标注。
旁路电容主要在具体布线时使用。在每一个芯片边放置一个旁路电容可以有效的提高芯片工作的稳定性。
对本实用新型的实验室开发可以以如下方式进行。
实验室开发中，本数字核心子板的供电可由普通9V～18V的直流稳压电源供电，推荐使用9V稳压电源。
实验室开发中建议使用BDM调试电缆对目标进行开发。将BDM电缆一端连接到主机的并口、串口或者网口(视BDM电缆特性而定)，另一端连接到数字核心的BDM端口，通过上位调试主机(HOST)的调试界面对目标核心子板进行软件调试。
对本实用新型的工程开发或者使用可以以如下方式进行。
实际工程开发中，核心子板供电可以由接插件提供(图6，SI2，1～4脚；SI3，29～40脚)。从相应引脚引入5V电压和地，即完成对子板的供电。
实际工程开发中，为使得控制器整体具有很好的信号处理能力和控制实施能力，需要为该核心子板设计母板。母板和子板之间可以通过接插件按照图6中所示将所需要的引脚进行连接，从而实现即插即用的功能。
由于在核心子板的设计中，使用了部分电磁兼容手段，故接插配合使用后的电磁兼容品质可以得到保证。
本实用新型由于使用了上述独特的电路设计，完整的实现了PowerPC555单片机芯片的支持、配置、扩展和调试辅助和接插件电路，使得开发人员在应用中可以单独设计母板、并配合该核心子板接插配合使用成为可能，极大的降低了开发人员使用该单片机的难度，从而为快速的产品设计或者控制设计提供了可能。
权利要求1.一种可独立或接插使用的单片机数字核心子板，含有PowerPC555单片机，其特征在于该核心板还含有芯片支持电路、存储器扩展与走马灯电路、CAN通讯和串口通讯电路和接插件连接电路；所述的芯片支持电路分别通过控制总线和数据总线与含有PowerPC555单片机连接；所述的存储器扩展电路和走马灯电路分别通过数据总线、地址总线和控制总线与所述芯片相连，所述的CAN通讯和串口通讯电路通过资源总线与所述的芯片连接，所述的插接电路通过资源总线与所述的芯片连接。
2.按照权利要求1所述的单片机数字核心子板，其特征在于所述的芯片支持电路包括晶振电路、BDM调试接口、上拉电路、配置电路以及复位电路，它们分别通过控制总线和数据总线与PowerPC555单片机连接；所述的配置电路采用了两片74LCX573和一片74HC125芯片，其中74LCX573与PowerPC555单片机的地址线相连，74HC125芯片与PowerPC555单片机的的控制线相连。
3.按照权利要求1所述的单片机数字核心子板，其特征在于所述的存储器扩展电路采用了两片29LV800系列Flash芯片和两片62256系列的Ram芯片，其中29LV800芯片的地址线与数据线分别和PowerPC555单片机地址线和数据线相连接，所述的62256系列芯片的地址线与数据线分别和PowerPC555单片机地址线和数据线相连接；所述的走马灯电路采用了74LV273芯片，该芯片的数据输入端与PowerPC555单片机的地址线连接。
4.按照权利要求1所述的单片机数字核心子板，其特征在于所述的串口通讯电路采用了MAX232芯片，其中MAX232芯片的两路收发端口分别连接到PowerPC555单片机的SCI串口端口；所述的CAN通讯电路采用了光电隔离芯片6N137、收发器82C250和DCP010505芯片，其中CAN的收发器82C250与光电隔离芯片6N137连接，6N137与PowerPC555单片机的CAN收发端口相连接。
5.按照权利要求1所述的单片机数字核心子板，其特征在于所述的接插件连接电路使用标准的接插件。
专利摘要一种可独立或接插使用的单片机数字核心子板，涉及PowerPC555单片机的数字核心子板的硬件结构设计。该核心子板以PowerPC555单片机为核心，含有芯片支持电路、存储器扩展与走马灯电路、CAN通讯和串口通讯电路以及接插件连接电路。本实用新型通过对该单片机芯片支持电路、存储器扩展电路、通讯电路以及接插件电路的完整设计，从而使得该硬件既可以作为实验室开发以及控制软件和算法调试的工具单独使用，具有调试方便灵活的特点；又可以作为工业现场控制的载体和其他各种相关设计的母板接插配合使用，具有即插即用、灵活通用的特点。
文档编号G06F13/14GK2641719SQ03279780
公开日2004年9月15日 申请日期2003年9月19日 优先权日2003年9月19日
发明者刘原, 李建秋, 欧阳明高 申请人:清华大学