Блог компании 32-битный микроконтроллер NXP MCF51JM64 50MHz Flexis V1 ColdFire USB

Компания Shenzhen Mingjiada Electronics Co., Ltd. поставляет NXP MCF51JM64 32-битный микроконтроллер Flexis V1 ColdFire USB с частотой 50 МГц.

I. MCF51JM64 Позиционирование продукта: 32-битный среднечастотный сегмент в линейке Flexis Controller Continuum
MCF51JM64 относится к 32-битному семейству NXP’s Flexis Controller Continuum. Эта архитектура была разработана для максимально тесного согласования 8-битных S08 и 32-битных ColdFire V1 по конфигурации периферии, выводам и инструментам разработки, чтобы при переходе инженеров с MC9S08JM60 на серию MCF51JM модификации оборудования были минимальны, а путь миграции кода — ясен.

В семействе MCF51JM существует три варианта, различающихся объемом Flash-памяти: MCF51JM128 (128 КБ), MCF51JM64 (64 КБ) и MCF51JM32 (32 КБ). Все три имеют 16 КБ SRAM и практически идентичные ресурсы периферии. MCF51JM64 занимает промежуточное положение, предлагая больше места для стеков протоколов и прошивки, чем 32-килобайтный вариант, при этом избегая относительно высокой стоимости 128-килобайтного варианта; поэтому он хорошо подходит для приложений, сочетающих USB-связь со среднемасштабной логикой управления.

II. MCF51JM64 Архитектура ядра: ядро V1 ColdFire и конфигурация памяти
MCF51JM64 использует 32-битное ядро RISC V1 ColdFire с максимальной частотой ядра 50,33 МГц и частотой шины 25 МГц. Ядро работает в диапазоне напряжений от 2,7 В до 5,5 В и в диапазоне температур окружающей среды от –40 °C до +105 °C, что соответствует полным промышленным спецификациям и делает его пригодным для прямого использования в полевых устройствах, требующих широких температурных диапазонов и диапазонов напряжения.

По памяти он сконфигурирован с 64 КБ Flash и 16 КБ SRAM. Flash поддерживает операции чтения, программирования и стирания во всем диапазоне рабочих напряжений и температур и не требует снижения характеристик при работе в условиях низких температур или низкого напряжения. SRAM оснащена схемой защиты для защиты критически важных областей данных, предотвращая случайную перезапись в случае сбоя программы. Для стеков протоколов USB-устройств, буферизации сообщений CAN и кэширования данных для многоканальной выборки 16 КБ представляют собой достаточный объем для этого класса устройств.

Канал отладки ядра — это однопроводной интерфейс BDM (Background Debug Mode); при использовании с отладочным зондом OSBDM или P&E он обеспечивает эмуляцию в цепи, точки останова и операции чтения/записи памяти без необходимости использования дополнительных коммуникационных периферийных устройств.

Система тактирования управляется многоцелевым генератором тактовых импульсов MCG, который включает FLL и PLL. Использование внутреннего опорного тактового генератора устраняет необходимость во внешнем кварцевом генераторе, тем самым сокращая время загрузки; однако после включения USB требуется высокоточный внешний источник тактовых импульсов для обеспечения достаточного запаса по времени для полноскоростной связи 12 Мбит/с.

III. MCF51JM64 Подсистема USB: двусторонний OTG — главное преимущество этого чипа
MCF51JM64 интегрирует двусторонний USB OTG контроллер, соответствующий спецификации USB 2.0 Full-Speed и способный переключаться между тремя конфигурациями: Device, Host и OTG. Это означает, что один чип может функционировать как USB-устройство, подключенное к хост-компьютеру, и, наоборот, принимать на себя роль хоста для чтения USB-накопителей или подключения HID-периферии, тем самым устраняя необходимость в отдельном чипе USB-хост-контроллера.

Чип интегрирует USB-трансивер и схему регулятора напряжения 3,3 В (достаточно подключить внешний конденсатор к выводу VUSB33); внешне необходимо только обработать дифференциальные линии USB, обнаружение VBUS и защиту от ESD, что приводит к относительно упрощенному перечню материалов.

Программная экосистема — еще одно сильное преимущество этого чипа. NXP предоставляет полный стек протоколов USB для серии JM: стек устройства, стек хоста, стек OTG, а также библиотеку PHDC и библиотеку файловой системы MSD FATFS для медицинской связи. Официальные технические заметки также предоставляют два готовых решения: дизайн моста CAN-to-USB в AN3690 и загрузчик USB в AN3748; их можно реализовать, следуя руководству.

IV. MCF51JM64 Аналоговые и временные ресурсы: для выборки и замкнутого управления
Аналоговый фронт-энд состоит из 12-битного АЦП последовательного приближения, поддерживающего до 12 входных каналов. Он имеет режимы однократной и непрерывной выборки и поддерживает функцию автоматического сравнения, которая может напрямую вызывать прерывание при превышении порогового значения выборки, тем самым снижая нагрузку на ЦП по опросу. Количество каналов варьируется в зависимости от корпуса; 80-выводная версия предлагает наиболее полный набор, в то время как 64-выводная и 44-выводная версии имеют уменьшенное количество в зависимости от мультиплексирования выводов. Он также имеет один аналоговый компаратор (ACMP), который может использоваться для обнаружения пересечения нуля, мониторинга источника питания или простого сравнения с порогом.

Временные ресурсы состоят из двух блоков: TPM1, 6-канальный 16-битный таймер, и TPM2, 2-канальный таймер; вместе они предоставляют в общей сложности восемь каналов, которые могут быть независимо сконфигурированы как захват входа, сравнение выхода или ШИМ с выравниванием по краю. Такое количество каналов достаточно для таких приложений, как драйверы малых двигателей, диммирование светодиодов, драйверы зуммеров и многоканальные измерения импульсов. Кроме того, имеется таймер модуляции несущей CMT, специально разработанный для генерации несущей частоты 38 кГц и сигналов протокола для инфракрасных пультов дистанционного управления; часы реального времени RTC отвечают за низкопотребляющее таймирование и приложения, основанные на календаре.

V. MCF51JM64 Интерфейсы связи: CAN, два последовательных порта, два SPI, два I²C
Периферийные устройства связи — еще одна область, в которой это семейство преуспевает. Контроллер MSCAN поддерживает связь по шине CAN, а производитель предоставляет решение для загрузчика CAN AN4511, которое позволяет обновлять прошивку по воздуху. Обратите внимание, что 44-выводной корпус не включает выводы CAN; при выборе устройства важно проверить тип корпуса.

Другие интерфейсы включают два асинхронных последовательных порта SCI, два порта SPI, два порта I²C и до восьми линий прерывания клавиатуры (KBI). Количество выводов GPIO варьируется в зависимости от корпуса: 66 (80-выводной), 51 (64-выводной) и 33 (44-выводной). Также имеется 16-битный порт быстрого GPIO (RGPIO); 80-выводной корпус предоставляет все 16 бит, 64-выводной корпус предоставляет 6 бит, в то время как 44-выводной корпус не имеет этой функции, что делает его подходящим для приложений, требующих переходов состояний с низкой задержкой.

VI. MCF51JM64 Безопасность и надежность системы
Механизмы защиты системы включают независимый сторожевой таймер (COP), детектор низкого напряжения (LVD) и схему безопасности Flash, которая обеспечивает защиту от чтения памяти на кристалле для предотвращения внешнего считывания прошивки.

Есть ключевая деталь относительно возможностей шифрования: CAU (Cryptographic Acceleration Unit) и RNGA (Random Number Generator Array) не являются стандартными функциями для всего ассортимента продукции; только версии с буквой ‘E’ в номере модели (например, MCF51JM64EVLH) оснащены этими аппаратными компонентами. CAU ускоряет выполнение таких алгоритмов, как AES, DES и SHA, в то время как RNGA предоставляет аппаратный источник случайных чисел, что делает его подходящим для проектов, требующих зашифрованной связи, хранения ключей или безопасной аутентификации. Стандартные версии (например, MCF51JM64VLH) не включают ускорение шифрования; шифрование должно быть реализовано программно, что приводит к снижению производительности и безопасности.

VII. MCF51JM64 Корпуса и заказываемые версии: 8 различных номеров деталей
MCF51JM64 доступен в 8 заказываемых версиях, охватывающих 4 комбинации типов корпусов и возможностей шифрования:
Во-первых, MCF51JM64VLK, 80-выводной LQFP без ускорения шифрования.

Во-вторых, MCF51JM64EVLK, 80-выводной LQFP с CAU и RNGA.

В-третьих, MCF51JM64VLH, 64-выводной LQFP (10×10 мм) без ускорения шифрования.

Четвертый вариант: MCF51JM64EVLH, 64-выводной LQFP с CAU и RNGA.

Пятый вариант: MCF51JM64VQH, 64-выводной QFP, 14×14 мм, без ускорения шифрования.

Шестой вариант: MCF51JM64EVQH, 64-выводной QFP с CAU и RNGA.

Седьмой вариант — MCF51JM64VLD, 44-выводной LQFP, 10×10 мм, без ускорения шифрования или CAN.

Восьмой вариант — MCF51JM64EVLD, 44-выводной LQFP с CAU и RNGA, но без CAN.

Все варианты работают в промышленном температурном диапазоне от –40°C до +105°C. Соглашение о нумерации деталей можно разбить следующим образом: ‘MCF51’ обозначает семейство ColdFire V1 51; ‘JM’ — код серии; ‘64’ — 64 КБ Flash; ‘E’ указывает на включенное устройство ускорения шифрования; ‘V’ — промышленный класс температуры; ‘L’ и ‘Q’ различают корпуса LQFP и QFP; а последние буквы ‘K’, ‘H’ и ‘D’ соответствуют 80, 64 и 44 выводам соответственно. При закупке или замене компонентов, если вы распознаете эти суффиксы, вы не перепутаете номера деталей с шифрованием и без него.

VIII. Типичные сценарии применения MCF51JM64
Первая категория включает мосты USB-to-CAN и инструменты диагностики шин. Они подходят для бортового диагностического оборудования, шлюзов промышленных полевых шин и анализаторов CAN-сети; двусторонний USB в сочетании с MSCAN образует полное решение для моста.

Категория 2: Сбор данных и USB-подключение для медицинских устройств. Подходит для портативных медицинских приборов и терминалов мониторинга здоровья; официальная библиотека класса PHDC и библиотека медицинской связи могут быть напрямую повторно использованы, сокращая циклы сертификации и разработки.

Категория 3: Промышленные модули сбора данных. Подходит для многоканального аналогового сбора, концентраторов датчиков и удаленного ввода/вывода; 12-битный АЦП в сочетании с двумя последовательными портами и двумя интерфейсами I²C позволяет одновременно подключать различные устройства для сбора данных и хранения.

Четвертая категория включает периферийные устройства USB HID и человеко-машинного интерфейса. Подходит для промышленных клавиатур, сканеров штрих-кодов, адаптеров USB-to-serial и устройств безопасности, таких как ключи; в частности, версии с суффиксом ‘E’ могут поддерживать функции шифрования и аутентификации.

Пятая категория охватывает управление зданиями и маломасштабное управление движением. Подходит для регулирования скорости вентиляторов и насосов, приводов клапанов и диммирования освещения; восемь ШИМ-каналов и ACMP достаточны для создания недорогой системы с обратной связью.

Категория 6: Обслуживание устаревших платформ и образовательные эксперименты. Подходит для запасных частей при обслуживании старых производственных линий, университетских курсов по встраиваемым системам и учебных платформ архитектуры ColdFire; соответствие между архитектурой Flexis и S08 облегчает объяснение миграции с 8-битных на 32-битные системы.

IX. MCF51JM64 Соображения при проектировании и риски выбора
В разделе питания развязка должна осуществляться отдельно для VDD и VDDA, а аналоговая и цифровая земли должны сходиться в одной точке; вывод VUSB33 должен быть подключен к стабильному конденсатору указанной емкости, иначе USB-трансивер будет работать ненадежно. Для дифференциальных линий USB необходимо обеспечить контроль импеданса и защиту от ESD, а также достаточный запас для делителя напряжения обнаружения VBUS. Что касается проектирования тактового генератора, то при работе через USB необходимо использовать внешний кварцевый генератор; использование внутреннего RC-генератора не допускается.

Программирование Flash должно выполняться по секторам, так как количество циклов стирания/записи ограничено. Для приложений, связанных с частой записью параметров, рекомендуется использовать внешнюю EEPROM или использовать зарезервированную область ОЗУ в качестве кэша. На этапе отладки рекомендуется сначала использовать BDM-зонд для вывода BDM-пинов; после массового производства обновления в полевых условиях могут выполняться через загрузчики CAN или USB.

Наибольший риск связан с жизненным циклом продукта. Эта серия достигла статуса end-of-life, и доля новых и восстановленных запасов на рынке растет. Новые проекты должны оценить миграцию на серию ColdFire+ MCF51Jx или на платформы, которые еще производятся, такие как Kinetis и LPC; существующие производственные линии должны обеспечить стабильные каналы поставок и создать запасы запасных частей.