Freescale PXD20微控制器：工业HMI应用的理想之选

在工业人机界面（HMI）应用领域，对微控制器的性能、功能和可靠性有着极高的要求。Freescale的PXD20微控制器正是为满足这些需求而设计的一款产品。下面，我们就来深入了解一下PXD20微控制器的特点和优势。

文件下载：MPXD2020VLT125.pdf

1. 概述

PXD20代表了新一代32位微控制器，专为单芯片工业HMI应用而设计。它属于基于Power Architecture的PX系列设备，着重提供具有成本效益和高质量的图形功能。

1.1 器件比较

PXD20有176 LQFP、208 LQFP和416 MAPBGA三种封装形式，不同封装在功能上有一定差异。例如，在DRAM控制器方面，176 LQFP封装没有该控制器，而208 LQFP和416 MAPBGA封装则具备。此外，不同封装在GPIO数量、模拟 - 数字转换器（ADC）通道数等方面也存在不同。这些差异为工程师在设计不同需求的工业HMI系统时提供了更多选择。

1.2 框图

PXD20的框图展示了其内部结构，包含了多个关键模块，如e200z4d核心、2D GFX、TCON、FMPLL、RTC等。这些模块协同工作，实现了PXD20的各种功能。例如，e200z4d核心负责执行指令和数据处理，2D GFX模块则提供图形加速功能，使得PXD20能够高效地处理图形显示任务。

1.3 特性列表

PXD20具有丰富的特性，涵盖了处理器核心、内存、外设等多个方面。

• 处理器核心：采用双发射、32位Power Architecture Book E兼容的CPU核心（e200z4d），配备4KB的2/4路指令缓存和16项内存管理单元（MMU），提供了强大的处理能力。
• 内存：拥有2MB的片上ECC闪存内存、64KB的片上ECC SRAM和1MB的片上非ECC图形SRAM，满足了不同数据存储和处理的需求。
• 外设：具备多种外设，如两个显示控制单元（DCU3和DCULite）可直接驱动多达两个TFT LCD显示器；2D OpenVG 1.1和光栅图形加速器（GFX2D）提供了高效的图形处理能力；视频输入单元（VIU2）支持多种视频输入格式和处理功能。

1.4 特性细节

1.4.1 低功耗操作

PXD20针对低功耗操作进行了优化，具有三种低功耗模式（STANDBY、STOP、HALT）和五种动态功率模式（RUN[0..3]和DRUN）。在STANDBY模式下，大部分芯片的电源被关闭，可实现最低的功耗；而STOP模式则能保持所有片上寄存器和内存的内容，恢复速度较快。这种灵活的低功耗模式设计，使得PXD20在不同的应用场景下都能有效地降低功耗。

1.4.2 e200z4d核心

e200z4d核心具有多种特性，如双发射、32位Power Architecture Book E兼容、VLE APU以减少代码占用空间、精确的异常处理等。它还支持独立的指令和数据访问，以及SIMD固定点和浮点运算，为复杂的工业应用提供了强大的计算能力。

1.4.3 交叉开关（XBAR）

XBAR多端口交叉开关支持七个主端口和八个从端口之间的同时连接，允许并发事务的发生。它还提供了可编程的仲裁优先级，确保了数据传输的高效性和可靠性。

1.4.4 增强型直接内存访问（eDMA）

eDMA模块能够通过16个可编程通道执行复杂的数据移动，减少了主机处理器的干预。它支持多种数据传输模式，可在系统内存、QuadSPI、RLE解码器等之间进行数据传输，提高了数据传输的效率。

1.4.5 中断控制器（INTC）

INTC提供了基于优先级的抢占式中断请求调度，适用于静态调度的硬实时系统。它为每个中断请求源提供了唯一的向量，能够快速确定需要执行的中断服务例程（ISR），并可通过软件配置每个中断请求的优先级，确保了系统的实时性和稳定性。

1.4.6 QuadSPI串行闪存内存控制器

QuadSPI模块支持单、双和四模式的外部串行闪存内存操作，具有高达80MHz的串行时钟频率和高达80MB/s的读取带宽。它还支持同时读取两个外部串行闪存，提高了数据读取的效率。

1.4.7 系统集成单元精简版（SIUL）

SIUL控制着MCU的复位配置、引脚配置、外部中断、通用I/O（GPIO）等功能。它提供了高度的灵活性，允许对每个引脚进行独立配置，以满足不同的应用需求。

1.4.8 片上闪存内存与ECC

PXD20的片上闪存内存具有2MB的容量，典型的闪存内存访问时间在不同情况下表现良好。它还配备了64位ECC，可实现单比特纠错和双比特检测，确保了数据的完整性。

1.4.9 静态随机存取内存（SRAM）

64KB的通用片上SRAM具有单比特纠错和双比特检测功能，支持多种数据写入方式，并且在STANDBY模式下可保留内容，提高了数据存储的可靠性。

1.4.10 片上图形SRAM

1MB的片上图形SRAM具有两个交叉开关从端口，可用于通用SRAM，支持多种数据写入方式，并具备硬件RAM填充功能，优化了系统性能。

1.4.11 内存保护单元（MPU）

MPU具有16个区域描述符，可对每个主设备进行保护。它支持重叠区域，提供了多种保护属性，确保了不同代码和数据之间的分离。

1.4.12 2D图形加速器（GFX2D）

GFX2D支持原生向量图形渲染，兼容OpenVG1.1标准，具有16样本边缘抗锯齿、3D透视纹理、阴影等功能，相比软件或基于3D GPU的OpenVG实现，性能有显著提升。

1.4.13 显示控制单元（DCU3）

DCU3是一个显示控制器，可驱动TFT LCD显示器，支持高达24位的RGB数据总线和多种图形层的混合。它还具备安全模式，可检查关键数据的完整性，确保了显示内容的安全性。

1.4.14 显示控制单元精简版（DCULite）

DCULite是一个简化版的显示控制器，可驱动第二个TFT LCD显示器，具备DCU3的基本功能，但在某些方面进行了简化，如减少了平面混合数量和层的数量。

1.4.15 时序控制器（TCON）和RSDS接口

TCON可直接驱动显示面板的行和列驱动器，RSDS接口用于RGB数据和像素时钟传输，提供了高度的灵活性和兼容性。

1.4.16 RLE解码器

RLE解码器可对压缩图像数据进行无损解压缩，支持多种像素格式，提高了数据处理的效率。

1.4.17 DRAM控制器

DRAM控制器支持SDR、LPDDR1、DDR - 1和DDR - 2内存，可同时监听七个总线的请求，并根据优先级发送命令，确保了内存访问的高效性。

1.4.18 视频输入单元（VIU2）

VIU2可接受ITU656兼容的视频输入流，将像素数据转换为RGB或YUV格式，并将视频图像传输到内部帧缓冲内存或外部DRAM，支持视频下采样、对比度和亮度调整等功能。

1.4.19 启动辅助模块（BAM）

BAM是一个只读内存块，支持多种启动模式，如从内部闪存内存启动、串行启动加载和从外部内存启动，确保了系统的可靠启动。

1.4.20 增强型模块化输入/输出系统（eMIOS）

PXD20有两个eMIOS模块，每个模块具有16个通道，支持多种功能，如输入捕获、输出比较、脉冲宽度调制和正交解码等，为工业应用提供了丰富的I/O功能。

1.4.21 模拟 - 数字转换器（ADC）

ADC具有10位的分辨率，支持高达1μs的转换速度和多个内部和外部通道，可实现高精度的模拟信号转换。

1.4.22 串行外设接口（SPI）

SPI模块提供了同步串行接口，支持全双工、同步传输，可实现与外部设备的高效通信。

1.4.23 控制器区域网络（CAN）模块

PXD20包含多达三个CAN模块，符合CAN协议规范，提供了64个可配置的邮箱，支持多种通信功能，适用于工业通信网络。

1.4.24 串行通信接口模块（UART）

UART模块支持多种模式，可处理UART帧的传输和接收，无需CPU干预，提供了可靠的串行通信功能。

1.4.25 内部集成电路（I²C）控制器模块

四个I²C模块提供了双向串行总线通信功能，支持多主操作，可实现与其他设备的通信。

1.4.26 系统时钟和时钟生成模块

系统时钟可由外部振荡器、片上FMPLL或内部16MHz振荡器提供，通过可编程时钟分频器可改变时钟频率。两个片上FMPLL提供了稳定的时钟源，确保了系统的正常运行。

1.4.27 周期性中断定时器（PIT）

PIT具有八个通用中断定时器和两个专用中断定时器，可用于触发ADC转换，提供了精确的定时功能。

1.4.28 实时计数器（RTC）

RTC支持从低功耗模式唤醒或生成实时时钟，可配置不同的分辨率和时钟源，满足了工业应用对时间的精确需求。

1.4.29 系统定时器模块（STM）

STM是一个32位定时器，支持系统和应用软件的定时功能，提供了独立的中断源，确保了系统的定时准确性。

1.4.30 软件看门狗定时器（SWT）

SWT支持软件激活或复位时启用，可配置多种模式和响应方式，确保了系统的稳定性和可靠性。

1.4.31 步进电机控制器（SMC）

SMC模块是一个PWM电机控制器，可驱动多达6个步进电机，具有多种功能，适用于工业仪器控制等应用。

1.4.32 步进失速检测（SSD）模块

SSD模块可测量和积分步进电机非驱动线圈的感应电压，提供了步进电机的失速检测功能。

1.4.33 声音生成模块（SGM）

SGM具有4通道音频混合功能，支持音调生成和波形播放，可输出PWM或I²S信号，为工业应用提供了音频功能。

1.4.34 IEEE 1149.1 JTAG控制器（JTAGC）

JTAGC支持边界扫描测试，为系统的调试和测试提供了便利。

1.4.35 Nexus开发接口（NDI）

Nexus 3模块符合IEEE - ISTO 5001 - 2008标准的Class 3，并具备额外的Class 4功能，可实现程序跟踪、数据跟踪、所有权跟踪等功能，方便了系统的开发和调试。

2. 引脚排列和信号描述

PXD20有176 LQFP、208 LQFP和416 TEPBGA三种封装形式，每种封装的引脚排列和信号功能都有详细的描述。在设计电路时，工程师需要根据具体的应用需求选择合适的封装，并正确连接引脚，以确保系统的正常运行。例如，不同封装的电压供应引脚、系统引脚、Nexus引脚等的位置和功能都有所不同，需要仔细查阅数据手册进行设计。

3. 系统设计信息

3.1 上电顺序

PXD20的首选上电顺序是先对通用IO电源或无噪声电源进行上电，然后对3.3V电源进行上电，接着对其他I/O电源进行上电，最后对调节器输入电源（VDDR）进行上电。如果Vreg处于旁路模式，1.2V的核心电源应最后提供。正确的上电顺序确保了系统的稳定启动。

4. 电气特性

4.1 绝对最大额定值

文档中给出了PXD20的绝对最大额定值，包括各种电压、电流和温度的限制。在使用PXD20时，必须确保各项参数不超过这些额定值，以避免对器件造成损坏。

4.2 推荐工作条件

推荐工作条件分为3.3V和5.0V两种情况，详细列出了各种电压、温度等参数的范围。在实际应用中，应尽量使系统工作在推荐工作条件下，以保证系统的性能和可靠性。

4.3 热特性

热特性对于确保器件的正常工作至关重要。文档中给出了不同封装形式（176 - pin LQFP、208 - pin LQFP和416 - pin TEPBGA）的热特性参数，如结到环境的热阻、结到板的热阻等。通过合理的散热设计，可以有效地降低器件的温度升高，提高系统的稳定性。

4.4 EMI（电磁干扰）特性

PXD20的EMI测试规格表明，在不同的时钟频率和调制条件下，其辐射发射水平符合相关标准。在设计系统时，需要考虑如何降低电磁干扰，以确保系统的电磁兼容性。

4.5 电源管理

4.5.1 电压调节器电气特性

内部电压调节器需要外部NPN镇流器和外部电容来提供稳定的低电压数字电源。文档中给出了电压调节器的各项电气特性，如电源电压范围、电流消耗、输出电压等。在设计电源电路时，需要根据这些特性选择合适的外部元件。

4.5.2 电压监测电气特性

器件实现了电源复位模块和四个低电压检测器，用于监测VDD和VDD12电压。这些监测功能确保了系统在电源异常时能够及时复位，保证了系统的可靠性。

4.5.3 低电压域功耗

文档给出了不同应用模式下的DC电气特性，如RUN模式、HALT模式、STOP模式和STANDBY模式的电流消耗。这些数据为工程师在设计低功耗系统时提供了参考。

4.6 DC电气规格

DC电气规格根据不同的库和电压条件进行了详细描述，包括核心电源电压、I/O电源电压、输入输出电压等参数。在设计电路时，需要根据这些规格选择合适的电源和负载，以确保系统的正常工作。

4.7 RESET电气特性

RESET引脚具有特定的电气特性，如输入高电平、输入低电平、输入滞后等。在设计系统时，需要正确处理RESET信号，以确保系统的可靠复位。

4.8 振荡器电气特性

PXD20具有快速外部晶体振荡器、慢速外部晶体振荡器、快速内部RC振荡器和慢速内部RC振荡器等多种振荡器。文档中给出了这些振荡器的电气特性，如振荡频率范围、启动时间、时钟质量检查超时等。在设计时钟电路时，需要根据系统的需求选择合适的振荡器，并确保其正常工作。

4.9 闪存内存电气特性

闪存内存的电气特性包括编程和擦除时间、模块寿命等。这些特性对于确保数据的存储和读写可靠性至关重要。在使用闪存内存时，需要根据这些特性合理安排数据的存储和操作。

4.10 ADC参数

ADC具有10位的分辨率，文档中详细描述了其输入阻抗、精度、电气特性等参数。在设计模拟信号采集系统时，需要根据这些参数选择合适的外部电路，以确保ADC的性能。

4.11 AC规格

AC规格描述了不同库和电压条件下的功能引脚的交流特性，如传播延迟、上升/下降时间等。在设计高速电路时，需要考虑这些交流特性，以确保信号的传输质量。

4.12 AC时序

AC时序包括IEEE 1149.1接口时序、Nexus调试接口时序、TFT LCD面板接口时序、RSDS接口时序、DRAM接口时序、视频输入单元时序、外部中断和非屏蔽中断时序、eMIOS时序、FlexCAN时序、DSPI时序、I²C时序、QuadSPI时序和TCON/RSDS时序等。在设计系统时，需要严格按照这些时序要求进行设计，以确保系统的正常运行。

5. 封装机械数据和订购信息

文档提供了PXD20的封装机械数据和订购信息，包括不同封装的尺寸、引脚排列等。工程师可以根据这些信息选择合适的封装，并进行电路板的设计。同时，订购信息也为采购提供了参考。

6. 总结

Freescale的PXD20微控制器以其丰富的功能、高性能和低功耗特性，为工业HMI应用提供了一个理想的解决方案。它的多种特性和灵活的配置选项，使得工程师能够根据具体的应用需求进行定制化设计。在实际应用中，工程师需要仔细研究数据手册中的各项参数和特性，合理进行电路设计和系统优化，以充分发挥PXD20的优势，实现稳定、可靠的工业HMI系统。你在使用PXD20微控制器的过程中遇到过哪些问题呢