Freescale PXD20微控制器：工業(yè)HMI應(yīng)用的理想之選

在工業(yè)人機(jī)界面（HMI）應(yīng)用領(lǐng)域，對微控制器的性能、功能和可靠性有著極高的要求。Freescale的PXD20微控制器正是為滿足這些需求而設(shè)計(jì)的一款產(chǎn)品。下面，我們就來深入了解一下PXD20微控制器的特點(diǎn)和優(yōu)勢。

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1. 概述

PXD20代表了新一代32位微控制器，專為單芯片工業(yè)HMI應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它屬于基于Power Architecture的PX系列設(shè)備，著重提供具有成本效益和高質(zhì)量的圖形功能。

1.1 器件比較

PXD20有176 LQFP、208 LQFP和416 MAPBGA三種封裝形式，不同封裝在功能上有一定差異。例如，在DRAM控制器方面，176 LQFP封裝沒有該控制器，而208 LQFP和416 MAPBGA封裝則具備。此外，不同封裝在GPIO數(shù)量、模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）通道數(shù)等方面也存在不同。這些差異為工程師在設(shè)計(jì)不同需求的工業(yè)HMI系統(tǒng)時(shí)提供了更多選擇。

1.2 框圖

PXD20的框圖展示了其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，包含了多個(gè)關(guān)鍵模塊，如e200z4d核心、2D GFX、TCON、FMPLL、RTC等。這些模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)了PXD20的各種功能。例如，e200z4d核心負(fù)責(zé)執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)處理，2D GFX模塊則提供圖形加速功能，使得PXD20能夠高效地處理圖形顯示任務(wù)。

1.3 特性列表

PXD20具有豐富的特性，涵蓋了處理器核心、內(nèi)存、外設(shè)等多個(gè)方面。

• 處理器核心：采用雙發(fā)射、32位Power Architecture Book E兼容的CPU核心（e200z4d），配備4KB的2/4路指令緩存和16項(xiàng)內(nèi)存管理單元（MMU），提供了強(qiáng)大的處理能力。
• 內(nèi)存：擁有2MB的片上ECC閃存內(nèi)存、64KB的片上ECC SRAM和1MB的片上非ECC圖形SRAM，滿足了不同數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理的需求。
• 外設(shè)：具備多種外設(shè)，如兩個(gè)顯示控制單元（DCU3和DCULite）可直接驅(qū)動(dòng)多達(dá)兩個(gè)TFT LCD顯示器；2D OpenVG 1.1和光柵圖形加速器（GFX2D）提供了高效的圖形處理能力；視頻輸入單元（VIU2）支持多種視頻輸入格式和處理功能。

1.4 特性細(xì)節(jié)

1.4.1 低功耗操作

PXD20針對低功耗操作進(jìn)行了優(yōu)化，具有三種低功耗模式（STANDBY、STOP、HALT）和五種動(dòng)態(tài)功率模式（RUN[0..3]和DRUN）。在STANDBY模式下，大部分芯片的電源被關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)最低的功耗；而STOP模式則能保持所有片上寄存器和內(nèi)存的內(nèi)容，恢復(fù)速度較快。這種靈活的低功耗模式設(shè)計(jì)，使得PXD20在不同的應(yīng)用場景下都能有效地降低功耗。

1.4.2 e200z4d核心

e200z4d核心具有多種特性，如雙發(fā)射、32位Power Architecture Book E兼容、VLE APU以減少代碼占用空間、精確的異常處理等。它還支持獨(dú)立的指令和數(shù)據(jù)訪問，以及SIMD固定點(diǎn)和浮點(diǎn)運(yùn)算，為復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用提供了強(qiáng)大的計(jì)算能力。

1.4.3 交叉開關(guān)（XBAR）

XBAR多端口交叉開關(guān)支持七個(gè)主端口和八個(gè)從端口之間的同時(shí)連接，允許并發(fā)事務(wù)的發(fā)生。它還提供了可編程的仲裁優(yōu)先級，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝院涂煽啃浴?/p>

1.4.4 增強(qiáng)型直接內(nèi)存訪問（eDMA）

eDMA模塊能夠通過16個(gè)可編程通道執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)移動(dòng)，減少了主機(jī)處理器的干預(yù)。它支持多種數(shù)據(jù)傳輸模式，可在系統(tǒng)內(nèi)存、QuadSPI、RLE解碼器等之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

1.4.5 中斷控制器（INTC）

INTC提供了基于優(yōu)先級的搶占式中斷請求調(diào)度，適用于靜態(tài)調(diào)度的硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)。它為每個(gè)中斷請求源提供了唯一的向量，能夠快速確定需要執(zhí)行的中斷服務(wù)例程（ISR），并可通過軟件配置每個(gè)中斷請求的優(yōu)先級，確保了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。

1.4.6 QuadSPI串行閃存內(nèi)存控制器

QuadSPI模塊支持單、雙和四模式的外部串行閃存內(nèi)存操作，具有高達(dá)80MHz的串行時(shí)鐘頻率和高達(dá)80MB/s的讀取帶寬。它還支持同時(shí)讀取兩個(gè)外部串行閃存，提高了數(shù)據(jù)讀取的效率。

1.4.7 系統(tǒng)集成單元精簡版（SIUL）

SIUL控制著MCU的復(fù)位配置、引腳配置、外部中斷、通用I/O（GPIO）等功能。它提供了高度的靈活性，允許對每個(gè)引腳進(jìn)行獨(dú)立配置，以滿足不同的應(yīng)用需求。

1.4.8 片上閃存內(nèi)存與ECC

PXD20的片上閃存內(nèi)存具有2MB的容量，典型的閃存內(nèi)存訪問時(shí)間在不同情況下表現(xiàn)良好。它還配備了64位ECC，可實(shí)現(xiàn)單比特糾錯(cuò)和雙比特檢測，確保了數(shù)據(jù)的完整性。

1.4.9 靜態(tài)隨機(jī)存取內(nèi)存（SRAM）

64KB的通用片上SRAM具有單比特糾錯(cuò)和雙比特檢測功能，支持多種數(shù)據(jù)寫入方式，并且在STANDBY模式下可保留內(nèi)容，提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

1.4.10 片上圖形SRAM

1MB的片上圖形SRAM具有兩個(gè)交叉開關(guān)從端口，可用于通用SRAM，支持多種數(shù)據(jù)寫入方式，并具備硬件RAM填充功能，優(yōu)化了系統(tǒng)性能。

1.4.11 內(nèi)存保護(hù)單元（MPU）

MPU具有16個(gè)區(qū)域描述符，可對每個(gè)主設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。它支持重疊區(qū)域，提供了多種保護(hù)屬性，確保了不同代碼和數(shù)據(jù)之間的分離。

1.4.12 2D圖形加速器（GFX2D）

GFX2D支持原生向量圖形渲染，兼容OpenVG1.1標(biāo)準(zhǔn)，具有16樣本邊緣抗鋸齒、3D透視紋理、陰影等功能，相比軟件或基于3D GPU的OpenVG實(shí)現(xiàn)，性能有顯著提升。

1.4.13 顯示控制單元（DCU3）

DCU3是一個(gè)顯示控制器，可驅(qū)動(dòng)TFT LCD顯示器，支持高達(dá)24位的RGB數(shù)據(jù)總線和多種圖形層的混合。它還具備安全模式，可檢查關(guān)鍵數(shù)據(jù)的完整性，確保了顯示內(nèi)容的安全性。

1.4.14 顯示控制單元精簡版（DCULite）

DCULite是一個(gè)簡化版的顯示控制器，可驅(qū)動(dòng)第二個(gè)TFT LCD顯示器，具備DCU3的基本功能，但在某些方面進(jìn)行了簡化，如減少了平面混合數(shù)量和層的數(shù)量。

1.4.15 時(shí)序控制器（TCON）和RSDS接口

TCON可直接驅(qū)動(dòng)顯示面板的行和列驅(qū)動(dòng)器，RSDS接口用于RGB數(shù)據(jù)和像素時(shí)鐘傳輸，提供了高度的靈活性和兼容性。

1.4.16 RLE解碼器

RLE解碼器可對壓縮圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行無損解壓縮，支持多種像素格式，提高了數(shù)據(jù)處理的效率。

1.4.17 DRAM控制器

DRAM控制器支持SDR、LPDDR1、DDR - 1和DDR - 2內(nèi)存，可同時(shí)監(jiān)聽七個(gè)總線的請求，并根據(jù)優(yōu)先級發(fā)送命令，確保了內(nèi)存訪問的高效性。

1.4.18 視頻輸入單元（VIU2）

VIU2可接受ITU656兼容的視頻輸入流，將像素?cái)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RGB或YUV格式，并將視頻圖像傳輸?shù)絻?nèi)部幀緩沖內(nèi)存或外部DRAM，支持視頻下采樣、對比度和亮度調(diào)整等功能。

1.4.19 啟動(dòng)輔助模塊（BAM）

BAM是一個(gè)只讀內(nèi)存塊，支持多種啟動(dòng)模式，如從內(nèi)部閃存內(nèi)存啟動(dòng)、串行啟動(dòng)加載和從外部內(nèi)存啟動(dòng)，確保了系統(tǒng)的可靠啟動(dòng)。

1.4.20 增強(qiáng)型模塊化輸入/輸出系統(tǒng)（eMIOS）

PXD20有兩個(gè)eMIOS模塊，每個(gè)模塊具有16個(gè)通道，支持多種功能，如輸入捕獲、輸出比較、脈沖寬度調(diào)制和正交解碼等，為工業(yè)應(yīng)用提供了豐富的I/O功能。

1.4.21 模擬 - 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）

ADC具有10位的分辨率，支持高達(dá)1μs的轉(zhuǎn)換速度和多個(gè)內(nèi)部和外部通道，可實(shí)現(xiàn)高精度的模擬信號轉(zhuǎn)換。

1.4.22 串行外設(shè)接口（SPI）

SPI模塊提供了同步串行接口，支持全雙工、同步傳輸，可實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的高效通信。

1.4.23 控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）模塊

PXD20包含多達(dá)三個(gè)CAN模塊，符合CAN協(xié)議規(guī)范，提供了64個(gè)可配置的郵箱，支持多種通信功能，適用于工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)。

1.4.24 串行通信接口模塊（UART）

UART模塊支持多種模式，可處理UART幀的傳輸和接收，無需CPU干預(yù)，提供了可靠的串行通信功能。

1.4.25 內(nèi)部集成電路（I2C）控制器模塊

四個(gè)I2C模塊提供了雙向串行總線通信功能，支持多主操作，可實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信。

1.4.26 系統(tǒng)時(shí)鐘和時(shí)鐘生成模塊

系統(tǒng)時(shí)鐘可由外部振蕩器、片上FMPLL或內(nèi)部16MHz振蕩器提供，通過可編程時(shí)鐘分頻器可改變時(shí)鐘頻率。兩個(gè)片上FMPLL提供了穩(wěn)定的時(shí)鐘源，確保了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

1.4.27 周期性中斷定時(shí)器（PIT）

PIT具有八個(gè)通用中斷定時(shí)器和兩個(gè)專用中斷定時(shí)器，可用于觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換，提供了精確的定時(shí)功能。

1.4.28 實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器（RTC）

RTC支持從低功耗模式喚醒或生成實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可配置不同的分辨率和時(shí)鐘源，滿足了工業(yè)應(yīng)用對時(shí)間的精確需求。

1.4.29 系統(tǒng)定時(shí)器模塊（STM）

STM是一個(gè)32位定時(shí)器，支持系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的定時(shí)功能，提供了獨(dú)立的中斷源，確保了系統(tǒng)的定時(shí)準(zhǔn)確性。

1.4.30 軟件看門狗定時(shí)器（SWT）

SWT支持軟件激活或復(fù)位時(shí)啟用，可配置多種模式和響應(yīng)方式，確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

1.4.31 步進(jìn)電機(jī)控制器（SMC）

SMC模塊是一個(gè)PWM電機(jī)控制器，可驅(qū)動(dòng)多達(dá)6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，具有多種功能，適用于工業(yè)儀器控制等應(yīng)用。

1.4.32 步進(jìn)失速檢測（SSD）模塊

SSD模塊可測量和積分步進(jìn)電機(jī)非驅(qū)動(dòng)線圈的感應(yīng)電壓，提供了步進(jìn)電機(jī)的失速檢測功能。

1.4.33 聲音生成模塊（SGM）

SGM具有4通道音頻混合功能，支持音調(diào)生成和波形播放，可輸出PWM或I2S信號，為工業(yè)應(yīng)用提供了音頻功能。

1.4.34 IEEE 1149.1 JTAG控制器（JTAGC）

JTAGC支持邊界掃描測試，為系統(tǒng)的調(diào)試和測試提供了便利。

1.4.35 Nexus開發(fā)接口（NDI）

Nexus 3模塊符合IEEE - ISTO 5001 - 2008標(biāo)準(zhǔn)的Class 3，并具備額外的Class 4功能，可實(shí)現(xiàn)程序跟蹤、數(shù)據(jù)跟蹤、所有權(quán)跟蹤等功能，方便了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試。

2. 引腳排列和信號描述

PXD20有176 LQFP、208 LQFP和416 TEPBGA三種封裝形式，每種封裝的引腳排列和信號功能都有詳細(xì)的描述。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求選擇合適的封裝，并正確連接引腳，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。例如，不同封裝的電壓供應(yīng)引腳、系統(tǒng)引腳、Nexus引腳等的位置和功能都有所不同，需要仔細(xì)查閱數(shù)據(jù)手冊進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)信息

3.1 上電順序

PXD20的首選上電順序是先對通用IO電源或無噪聲電源進(jìn)行上電，然后對3.3V電源進(jìn)行上電，接著對其他I/O電源進(jìn)行上電，最后對調(diào)節(jié)器輸入電源（VDDR）進(jìn)行上電。如果Vreg處于旁路模式，1.2V的核心電源應(yīng)最后提供。正確的上電順序確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定啟動(dòng)。

4. 電氣特性

4.1 絕對最大額定值

文檔中給出了PXD20的絕對最大額定值，包括各種電壓、電流和溫度的限制。在使用PXD20時(shí)，必須確保各項(xiàng)參數(shù)不超過這些額定值，以避免對器件造成損壞。

4.2 推薦工作條件

推薦工作條件分為3.3V和5.0V兩種情況，詳細(xì)列出了各種電壓、溫度等參數(shù)的范圍。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量使系統(tǒng)工作在推薦工作條件下，以保證系統(tǒng)的性能和可靠性。

4.3 熱特性

熱特性對于確保器件的正常工作至關(guān)重要。文檔中給出了不同封裝形式（176 - pin LQFP、208 - pin LQFP和416 - pin TEPBGA）的熱特性參數(shù)，如結(jié)到環(huán)境的熱阻、結(jié)到板的熱阻等。通過合理的散熱設(shè)計(jì)，可以有效地降低器件的溫度升高，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.4 EMI（電磁干擾）特性

PXD20的EMI測試規(guī)格表明，在不同的時(shí)鐘頻率和調(diào)制條件下，其輻射發(fā)射水平符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要考慮如何降低電磁干擾，以確保系統(tǒng)的電磁兼容性。

4.5 電源管理

4.5.1 電壓調(diào)節(jié)器電氣特性

內(nèi)部電壓調(diào)節(jié)器需要外部NPN鎮(zhèn)流器和外部電容來提供穩(wěn)定的低電壓數(shù)字電源。文檔中給出了電壓調(diào)節(jié)器的各項(xiàng)電氣特性，如電源電壓范圍、電流消耗、輸出電壓等。在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，需要根據(jù)這些特性選擇合適的外部元件。

4.5.2 電壓監(jiān)測電氣特性

器件實(shí)現(xiàn)了電源復(fù)位模塊和四個(gè)低電壓檢測器，用于監(jiān)測VDD和VDD12電壓。這些監(jiān)測功能確保了系統(tǒng)在電源異常時(shí)能夠及時(shí)復(fù)位，保證了系統(tǒng)的可靠性。

4.5.3 低電壓域功耗

文檔給出了不同應(yīng)用模式下的DC電氣特性，如RUN模式、HALT模式、STOP模式和STANDBY模式的電流消耗。這些數(shù)據(jù)為工程師在設(shè)計(jì)低功耗系統(tǒng)時(shí)提供了參考。

4.6 DC電氣規(guī)格

DC電氣規(guī)格根據(jù)不同的庫和電壓條件進(jìn)行了詳細(xì)描述，包括核心電源電壓、I/O電源電壓、輸入輸出電壓等參數(shù)。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要根據(jù)這些規(guī)格選擇合適的電源和負(fù)載，以確保系統(tǒng)的正常工作。

4.7 RESET電氣特性

RESET引腳具有特定的電氣特性，如輸入高電平、輸入低電平、輸入滯后等。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要正確處理RESET信號，以確保系統(tǒng)的可靠復(fù)位。

4.8 振蕩器電氣特性

PXD20具有快速外部晶體振蕩器、慢速外部晶體振蕩器、快速內(nèi)部RC振蕩器和慢速內(nèi)部RC振蕩器等多種振蕩器。文檔中給出了這些振蕩器的電氣特性，如振蕩頻率范圍、啟動(dòng)時(shí)間、時(shí)鐘質(zhì)量檢查超時(shí)等。在設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)的需求選擇合適的振蕩器，并確保其正常工作。

4.9 閃存內(nèi)存電氣特性

閃存內(nèi)存的電氣特性包括編程和擦除時(shí)間、模塊壽命等。這些特性對于確保數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和讀寫可靠性至關(guān)重要。在使用閃存內(nèi)存時(shí)，需要根據(jù)這些特性合理安排數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和操作。

4.10 ADC參數(shù)

ADC具有10位的分辨率，文檔中詳細(xì)描述了其輸入阻抗、精度、電氣特性等參數(shù)。在設(shè)計(jì)模擬信號采集系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)這些參數(shù)選擇合適的外部電路，以確保ADC的性能。

4.11 AC規(guī)格

AC規(guī)格描述了不同庫和電壓條件下的功能引腳的交流特性，如傳播延遲、上升/下降時(shí)間等。在設(shè)計(jì)高速電路時(shí)，需要考慮這些交流特性，以確保信號的傳輸質(zhì)量。

4.12 AC時(shí)序

AC時(shí)序包括IEEE 1149.1接口時(shí)序、Nexus調(diào)試接口時(shí)序、TFT LCD面板接口時(shí)序、RSDS接口時(shí)序、DRAM接口時(shí)序、視頻輸入單元時(shí)序、外部中斷和非屏蔽中斷時(shí)序、eMIOS時(shí)序、FlexCAN時(shí)序、DSPI時(shí)序、I2C時(shí)序、QuadSPI時(shí)序和TCON/RSDS時(shí)序等。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要嚴(yán)格按照這些時(shí)序要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5. 封裝機(jī)械數(shù)據(jù)和訂購信息

文檔提供了PXD20的封裝機(jī)械數(shù)據(jù)和訂購信息，包括不同封裝的尺寸、引腳排列等。工程師可以根據(jù)這些信息選擇合適的封裝，并進(jìn)行電路板的設(shè)計(jì)。同時(shí)，訂購信息也為采購提供了參考。

6. 總結(jié)

Freescale的PXD20微控制器以其豐富的功能、高性能和低功耗特性，為工業(yè)HMI應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。它的多種特性和靈活的配置選項(xiàng)，使得工程師能夠根據(jù)具體的應(yīng)用需求進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要仔細(xì)研究數(shù)據(jù)手冊中的各項(xiàng)參數(shù)和特性，合理進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)優(yōu)化，以充分發(fā)揮PXD20的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的工業(yè)HMI系統(tǒng)。你在使用PXD20微控制器的過程中遇到過哪些問題呢