嵌入式微處理器MCF5249及其應(yīng)用

摘要：文中介紹了MOTOROLA公司的嵌入式微處理器MCF5249的原理、特點(diǎn)和引腳功能，說(shuō)明了基于該處理器和嵌入式操作系統(tǒng)UCLINUX的網(wǎng)絡(luò)相機(jī)結(jié)構(gòu)，給出了用MCF5249進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)相機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的資源分配情況及電路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。

關(guān)鍵詞：MCF5249；嵌入式微處理器；JPEG

１　概述

ＭＣＦ５２４９是ｍｏｔｏｒｏｌａ公司推出的３２位嵌入式微處理器，該器件以ＣｏｌｄＦｉｒｅ ３２ 位微處理機(jī)體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并帶有９６ｋＢ 的片內(nèi)ＳＲＡＭ、８ｋＢ 指令高速緩存、兩個(gè)獨(dú)立ＵＡＲＴ 和１６ 位定時(shí)器以及一個(gè)ＰＬＬ 時(shí)鐘，同時(shí)還帶有軟件監(jiān)視時(shí)鐘、ＧＰＩＯ 線路、兩個(gè)Ｉ２Ｃ接口、ＱＳＰＩ口、４通道ＤＭＡ和一個(gè)非粘合性ＳＤＲＡＭ 控制器。此外，該器件還集成了一個(gè)１２位ＤＡＣ和一個(gè)增強(qiáng)型累積乘法?ＥＭＡＣ?單元，可用來(lái)為音頻和其它應(yīng)用提供快速運(yùn)算和信號(hào)處理所需的ＤＳＰ 功能。ＭＣＦ５２４９的最高工作頻率為１４０ＭＨｚ，性能可達(dá)１２５Ｄｈｒｙｓｔｏｎｅ ２．１ ＭＩＰＳ，而功耗僅為每兆赫１．３ｍＷ。因而可廣泛用于音頻設(shè)備、成像、生物統(tǒng)計(jì)學(xué)和工業(yè)控制等領(lǐng)域。

２　性能特點(diǎn)及引腳說(shuō)明

ＭＣＦ５２４９內(nèi)含Ｖ２ ＣｏｌｄＦｉｒｅ 處理器核、９６ｋＢ 靜態(tài)ＳＲＡＭ、８ｋＢ 指令緩存、ＥＭＡＣ增強(qiáng)型累積乘法單元、２ 個(gè)獨(dú)立的通用異步收發(fā)器?ＵＡＲＴｓ?、２ 個(gè)獨(dú)立的１６ 位定時(shí)器、兩個(gè)獨(dú)立的Ｉ２Ｃ 接口、以及１６－ｂｉｔ寬度的四通道的ＳＤＲＡＭ控制器等模塊，另外ＭＣＦ５２４９還集成了ＰＬＬ和軟件看門狗?Ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｔｃｈｄｏｇ?、數(shù)字音頻傳輸和接收口（符合ＩＥＣ９５８音頻協(xié)議）及ＩＤＥ和ＳｍａｒｔＭｅｄｉａ接口等。圖１所示是ＭＣＦ５２４９的主要功能框圖。

ＭＣＦ５２４９能夠支持ＣＤ－ＲＯＭ和ＣＤ－ＲＯＭ ＸＡ塊編碼和解碼功能，并具有４個(gè)可編程選擇的后臺(tái)實(shí)時(shí)處理Ｄｅｂｕｇ模塊。

圖1

ＭＣＦ５２４９芯片的內(nèi)核電壓為１．８Ｖ，Ｉ／Ｏ電壓為３．３Ｖ，具有１６０腳ＭＡＰＢＧＡ（１４０ＭＨｚ的最高頻率）和１４４腳ＱＦＰ（１２０ＭＨｚ的最高頻率）兩種封裝形式。其中１６０腳的ＭＣＦ５２４９比１４４腳增加了ＱＳＰＩ ＣＳ１等功能管腳.

２．１ 采用ＭＣＦ５２４９構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)相機(jī)

基于ＭＣＦ５２４９的上述功能，筆者設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)Σ杉降膱D像進(jìn)行實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那度胧较鄼C(jī)系統(tǒng)。如圖３所示?它由圖像傳感器、幀存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)控制器、鍵盤(pán)、顯示模塊等部分組成。其中圖像傳感器采用ＯＭＮＩＶＩＳＩＯＮ公司的ＯＶ９６２０高分辨率ＣＭＯＳ圖像傳感器。該傳感器具有１２８０１０２４的分辨率和１０２４等級(jí)的色度信息。最高拍攝速度可達(dá)每秒十五幀。ＯＶ９６２０的控制端口與ＭＣＦ５２４９的Ｉ２Ｃ口直接相連。為了使輸出的圖像數(shù)據(jù)方便地同幀存儲(chǔ)器相連，筆者設(shè)計(jì)時(shí)只用了高八位數(shù)據(jù)。幀存儲(chǔ)器采用ＩＳＳＩ公司的１８Ｍｂｉｔ存儲(chǔ)器ＩＳ６１ＬＰＤ１０２４１８Ａ。該存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)讀取速率為７ｎｓ，且控制簡(jiǎn)單，易于使用。設(shè)置存儲(chǔ)器是由于像素的速率與ＭＣＦ５２４９的速率不匹配，而用其起緩存作用的。網(wǎng)絡(luò)控制器選用ＤＡＶＩＣＯＭ公司的ＤＭ９０００快速以太網(wǎng)控制處理器，該處理器配備有標(biāo)準(zhǔn)１０Ｍ以太網(wǎng)接口，包括ＭＡＣ和ＰＨＹ。物理層支持以太網(wǎng)接口協(xié)議。由于數(shù)據(jù)有時(shí)是以猝發(fā)形式收到的，因此，ＤＭ９０００還集成有接收緩沖區(qū)，以便在接收到數(shù)據(jù)時(shí)能把數(shù)據(jù)放到這個(gè)緩沖區(qū)中，然后由數(shù)據(jù)鏈路層直接從該緩沖區(qū)里取走數(shù)據(jù)。鏈路層通常包括操作系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和計(jì)算機(jī)中對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)接口卡，它們一起處理與電纜的物理接口細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)，它的緩沖區(qū)可用來(lái)暫時(shí)存儲(chǔ)要發(fā)送或接收的幀。ＭＣＦ５２４９在使用時(shí)還需輔以４Ｍ１６位數(shù)據(jù)寬度的ＳＤＲＡＭ和４ＭＢ的在線可擦除ＦＬＡＳＨ ＭＸ２９ＬＶ１６０ＢＴＣ。

該系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過(guò)ＦＬＡＳＨ自動(dòng)加載操作系統(tǒng)，然后由系統(tǒng)控制ＭＣＦ５２４９的Ｉ２Ｃ接口以控制傳感器曝光并將一幀圖像寫(xiě)入ＳＲＡＭ。采集結(jié)束后，ＭＣＦ５２４９通過(guò)ＧＰＩＯ口讀入像素?cái)?shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)部嵌入的ＪＰＥＧ圖像壓縮編碼模塊將其轉(zhuǎn)換成易于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牡蛿?shù)據(jù)量圖像數(shù)據(jù)流，然后輸出給ＤＭ９０００網(wǎng)絡(luò)控制器，最后傳輸至網(wǎng)絡(luò)。

針對(duì)不同要求，可將該相機(jī)的圖像分辨率分為３２０２４０、６４０４８０、１０２４７６９三種等級(jí)，不同等級(jí)分辨率對(duì)應(yīng)的圖像處理速度分別為１５ｆｐｓ（ｆｒａｍｅ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ） 、１０ｆｐｓ、３ｆｐｓ。圖２所示是該系統(tǒng)的總體框架。其中的顯示模塊采用６９６３系列１２８６４的ＬＣＤ，主要用來(lái)顯示系統(tǒng)時(shí)鐘、系統(tǒng)狀態(tài)以及卡的ＩＤ號(hào)等。

４　結(jié)束語(yǔ)

在采用ＭＣＦ５２４９設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸系統(tǒng)時(shí)，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

（１） 合理的地層和電源層隔離

建議使用較為完整的一個(gè)ＰＬＡＮＥ 作為地層，如果存在多個(gè)“地”（例如：數(shù)字地，模擬地，保護(hù)地等），則應(yīng)在同一個(gè)地層上適當(dāng)分割。其電源層也應(yīng)與之類似。此外，還應(yīng)當(dāng)注意低噪聲電路部分電源和高噪聲電路部分電源的隔離或?yàn)V波。

（２） 合理的去耦電容排布

在電源進(jìn)線端，各個(gè)數(shù)字芯片電源引腳的附近一般都分布有適當(dāng)?shù)娜ヱ铍娙?。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使之與核心板隔離，同時(shí)還應(yīng)在各個(gè)端口使用適當(dāng)?shù)妮斎胼敵鼍彌_。