MC68300系列微控制器的特点和应用

随着各相关技术的发展和市场需求的拉动，微控制器出现了强劲的发展势头和广泛应用。据悉，1999年微控制器的市场将比1998年增长21%，2000年的增长率可能达到21.6%。Motorola是世界上最大的微控制器生产厂商，其产品具有种类全、可选择余地大、新产品多等特点，市场占有率达27%以上。MC68300系列是第一个推出的高性能微控制器，现已达几十个品种，近期又有了新的发展，适合于更广泛的应用范围。 MC68300系列微控制器的特点 MC68300系列微控制器采用模块化设计，可以根据用户的要求，选择不同的模块，以适应不同的应用场合。现在广泛使用的已有十余种产品，一般其组成如图1所示。 它们具有以下共同的特点或模块： ⑴ 中央处理单元（CPU）：采用在MC68020基础上形成的32位CPU，称作CPU32。它与MC68020的指令系统基本相同，并且还增加了多条适合于微控制器应用的指令，这样，在开发过程中就可以充分利用已有的成果。最高工作频率已达25MHz。 ⑵ 由于采用了全静态设计、高速互补金属氧化物半导体（HCMOS）工艺制造，所以MC68300系列微控制器都具有较低的功耗。工作频率可以从131kHz到25.17MHz变化。当使用低功耗停机指令完全停止系统时钟时，仍可保存所有寄存器的内容不变。 ⑶时钟频率较其它微控制器低很多。它采用32.768kHz的石英晶体，由片内的锁相环（PLL）电路产生所需的时钟频率，这就使得高频噪声低，抗干扰能力强，容易满足电磁兼容性（EMC）的要求。 ⑷ MC68300系列微控制器均有系统集成模块（SIM）。该模块由外部总线接口（EBI）、片选控制、系统保护子模块、测试子模块和系统时钟组成。 外部总线基于MC68020总线，提供24根地址线、16根数据线及用于数据传送和中断请求等功能的控制信号线。数据总线允许8位或16位访问方式，并允许动态改变总线宽度。 片选控制具有12根独立的可程控的片选信号输出，用于系统扩展、增加外部设备和外部芯片。 ⑸ 一般均有队列串行模块（QSM）。该模块为MC68300系列微控制器提供两个独立的串行通信接口，它们分别是队列串行外围接口QSPI和串行通信接口SCI。 除具有上述共同特点或模块外，MC68300系列微控制器的主要产品还分别有如下特点或模块： ⑴ MC68331 除包括CPU32、SIM和QSM模块外，还含有通用定时（GPT）单元。GPT可以实现输入捕捉（IC）、输出比较（OC）、脉冲宽度累加（PAI）、脉冲宽度调制（PWM）、辅助定时器时钟输入（PCLK）等功能。 近期Motorola还公布了MC68331的低电压（工作电压2.7V-3.6V）芯片MC68CK331。它的工作频率仍可达16MHz，但功耗已大大降低，特别适合于由电池供电的便携式产品。 ⑵ MC68332 MC68332除包括MC68300系列共有的模块外，还包括2KB RAM、半智能化的定时处理单元（TPU）。 TPU是MC68332最具特色的模块之一。它有自己的执行单元、3级优先级控制器、数据RAM、双定时基准和微程序ROM等。它可独立于CPU之外，执行各种定时、脉冲生成、电机（特别是步进电机）控制、频率测量等与时间有关的操作，可大大减轻CPU的负担。 Motorola最近已可提供MC68332的低电压（工作电压3.0V-3.6V）版本产品MC68LK332，在实现低功耗的同时，其工作频率仍可达16MHz，适合便携式产品。 ⑶ MC68336 除具有MC68332的所有模块和功能外，还有5.5k BRAM、可重构定时器模块4（CTM4）、16通道的10位队列化模/数转换器（QADC）。 MC68336共有7.5kB RAM，分为4kB和3.5kB两个部分，均具有MC68332的2kB RAM的全部特性。 ⑷ MC68376 除具有MC68336全部功能外，还包括8k BROM模块、CAN2.0B控制器模块（TouCAN）两个部分。 ⑸ MC68CK338 MC68CK338与MC68331相比，主要区别为：把MC68331中的GPT改为可重构定时模块6（CTM6）；中央处理单元CPU32和系统集成模块SIM均为低功耗模块，工作电压为2.7V-3.6V，工作频率上限为14.4MHz，所以较适合于用电池供电的便携式产品。 ⑹ MC68F333 MC68F333与上述产品相比，主要区别为：增加了64k E2PROM。 ⑺ MC68334 MC68334与前述的微控制器相比，其主要差别是：把2kB RAM改为1kB RAM；去掉了串行外围接口（QSM）模块；但输入输出引脚增加到47。 ⑻ MC68360 MC68360适合于通信类产品应用。与其它产品相比，它有较大变化：使用增强型CPU32，即CPU32+；带4个高速同步HDLC接口，2个异步串行口，14路DMA，32条地址线；4个定时器，8个片选端。 除上述产品外，还有MC68340、MC68349、MC68328、MC68356等产品，在此不再一一列举。 MC68300系列微控制器的开发 MC68300系列微控制器普遍采用了流水线结构、24位地址线和16位数据线，寻址能力可达16M～32M。有些片内的各种存储器可做到68kB以上。所以，程序复杂程度和开发难度都有较大的增加。为此，开发工具和开发手段都必须相应变化。 用于开发MC68300系列微控制器的开发工具主要有如下几种： ⑴ CDS32高性能仿真系统 CDS32包括仿真器和总线状态分析器，可对MC68300系列微控制器的性能进行实时仿真。在PC机上开发的目标码能装入到CDS32上运行。它有1M字节以上的仿真存储器，8k%26;#215;64位分析器缓冲器具有跟踪实时事件的能力。CDS32还具有断点操作灵活、硬件调试简单等特点，仿真速度高达33MHz。CDS32有一个仿真头，用该仿真头取代目标系统上的MCU。 ⑵ MMDS1632 它是一种较高级的仿真器，提供了高速、实时的软件和硬件仿真，可以完全替代MCU。 ⑶ M68MEVB1632 该系统的硬件由底板M68MPFB1632和名片卡计算机M68MPB33X组成，软件包括ICD32、IASM32、PROG32等部分。ICD32是在线调试程序，界面友好，可同时显示6个窗口，系统运行情况一目了然。支持多种运行方式和丰富的调试命令，并可进行反汇编，对调试程序很方便。IASM32是针对CPU32的交叉汇编程序，具有丰富的汇编命令、宏指令和控制运算，支持多窗口程序编辑和多层子程序嵌套，可以进行模块化程序设计。PROG32是对MCU片内的E2PROM进行编程，利用程序也可对片外的EPROM进行编程。 在实际开发时，首先在开发器上进行程序编写和调试，然后利用事先在目标板上设置的BDM（10Pin）插座和开发器所带的扁平电缆，把目标系统和PC机连接起来就可以用ICD32对系统进行调试。我们在用MC68332研制经济型数控系统时就采用了这种方法和工具，完成了项目的开发。 基于MC68332的经济型机床数控系统 以MC68332为主组成的经济型数控系统如图2所示。 在这个系统中，64K RAM采用非易失RAM，128K ROM选用EPROM，它们与MC68332的SIM模块相连，各种接口控制信号均由SIM产生。ROM中存放各种系统程序，RAM中存放系统参数和用户编写的加工程序。 I/O口是该系统的离散输入输出口，它由MC68B21实现。键盘由8279键盘专用控制电路控制，它由48个薄膜键组成。LCD采用256%26;#215;128点阵的图形液晶显示器，其控制器为SED1330。MC68B21、8279和LCD均连接到SIM模块，所需片选信号和其它接口信号由SIM产生。 驱动电路连接到TPU模块，由TPU模块根据CPU32写入的数据对步进电机的旋转速度、转动方向进行控制。TPU可以同时控制4台4相步进电机，提供的信号最高频率为22.5kHz，而且加减速度、旋转方向和速度都可以编程控制，应用十分方便。 通信接口由QSM模块实现。电平转换分别由MAX3232和MAX487完成，前者是TTL/232电平转换电路，后者是TTL/485电平转换电路，这样就使系统具有RS－232C和RS－485通信能力，可以方便的与上位计算机或其它设备通信，提高了系统的性能。 复位电路由IMP811等组成，可以接受面板上的手动复位信号。由于MC68332的RESET信号是双向信号，所以IMP811的输出经过74HC03隔离。IMP811可以提供可靠的上电和手动复位信号，因此可以提高系统的可靠性。 结束语 MC68300系列微控制器采用全静态设计、模块化结构、HCMOS工艺制造，因此，具有结构清晰、功耗低、功能强、抗干扰性能好、可靠性高、开发简单、容易满足电磁兼容性、数据处理能力强、价格较低等优点，值得推广应用。 由于MC68300系列微控制器具有许多优点，所以应用范围十分广泛。例如，使用较普遍的惠普激光打印机中就采用了这类微控制器；在汽车及其发动机控制、数控系统和智能测硫仪中采用了MC68332；在机器人中，可以采用MC68376或MC68332，利用其CAN或QSM模块实现多MCU控制,提高控制系统并行处理能力、控制性能和可靠性；在通信领域，广泛采用了MC68356、MC68360等。