Коммуникационный процессор cmx850 с встроенным микроконтроллером производства компании CML Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Є

Компоненты и технологии, № 5'2004 Компоненты

Коммуникационный процессор CMX850 с встроенным микроконтроллером

производства компании CML

Некоторое время назад компания CML micro предложила заказчикам микросхему, совмещающую в себе микроконтроллер на основе ядра С51 и низкоскоростной модем V.22bis. После получения первых отзывов о работе этого модема компания CML micro внесла ряд усовершенствований, которые позволили упростить разработку устройств с применением этой микросхемы, сделать их более компактными и дешевыми.

СМХ850 объединяет в себе микроконтроллер 8051 с расширенными функциями и поддержкой стандартной системы команд, а также модем, работающий по протоколу У.22Ы8 (2400 бит/с), последовательный интерфейс и часы реального времени, что позволяет позиционировать эту платформу как гибкий телекоммуникационный процессор.

Коммуникационный контроллер (далее МС) содержит совместимый с 8051 микроконтроллер с 256x8 битами внутренней памяти и 8Кх8 битами дополнительной памяти. Предусмотрена адресация

Таблица. Различия между стандартным микроконтроллером на основе ядра 8051 и СМХ850

Сергей Орлов, к. т. н.

[email protected] Дмитрий Чоловский

[email protected]

Параметр Стандартный 8051 CMX850

ОЗУ 128 байт 256 байт

On-chip data XRAM 0 8 кбайт

Память программ > 4 кбайт 0

Адресное пространство для внешнего ОЗУ 64 кбайт 64 кбайт

Адресное пространство для внешнего ПЗУ 64 кбайт (может быть расширено при помощи доп. компонентов) 64 кбайт (может быть расширено до 4 Мбайт при помощи доп. компонентов)

Немультиплексируемый интерфейс памяти Нет Да

Линии портов ввода-вывода общего назначения 32 35

Порты ввода-вывода 4 6

Регистр контроля направления передачи данных (в контроллер или из него) для уменьшения энергопотребления Нет Да

Источники прерываний 5 13

Порт ввода-вывода с функцией наивысшего приоритета по прерыванию Нет Да

Указатель данных 1 2

Подстраивание под работу с медленной внешней памятью Нет Да

Количество тактов осциллятора для выполнения одного машинного такта 12 12

Количество таймеров-счетчиков 2 2 (+ часы реального времени и сторожевой таймер)

Декодер клавиатуры Нет Да

Количество каналов АЦП 0 2

Количество каналов ШИМ 0 2

Часы реального времени Нет Да

Продвинутый осциллятор и энергосберегающие функции Нет Да (схема умножения)

Сторожевой таймер Нет Да

внешней Иа8Ь-памяти объемом до 4 Мбайт. МС содержит интерфейсы для внешней памяти, ЖК-дисплея и клавиатуры. В микросхему встроен модем, поддерживающий протоколы У.22ЬІ8, У.22, У.23 и БЕЬЬ. Микросхема выполняет функции генератора и детектора ОТМБ. Для работы с телефонной линией и телефонной трубкой в микросхеме содержатся необходимые усилители. Для работы в экономичном режиме в микросхеме предусмотрены две тактовые частоты. В активном режиме микросхеме необходим 12-мегагерцевый кварцевый резонатор (11,592-12,288 МГц), а в энергосберегающем режиме может быть использован делитель тактовой частоты (4-1024). Кроме того, в режиме энергосбережения можно использовать встроенный ИС-генера-тор на 5 МГц. Для таймера реального времени необходим второй кварц на 32 кГц. Правда, как и у других производителей, которые предлагают реализацию часов реального времени на основе часового кварца и микроконтроллера, точность таких часов не гарантируется, так как точность в большей степени зависит от точности и температурной ста-

2*АЦП

Проводной

Модем

Интерфейс с проводной линией и трубкой

Детектор

ОСВОбО)

линии

Внутренние

генераторы

Таймер

реального

времени

8051

256*8 бит ОЗУ

8к*8 бит доп. ОЗУ

Последовательный порт

Сканер

клавиатуры

Счетчик-таймер

Внешние

прерывания

Контроллер

внешней

памяти

Рис. 1. Структурная схема МС CMX850

-Q-

Є

Компоненты и технологии, № 5'2004

Компоненты

Внутренняя память $рр

Регистры специальных функций . •

Только прямая адресация

$РР .

$80

$30

$20

$18

$10

$08

$00

Рис 2. Карта памяти МС СМХ850

Память данных

Только непрямая адресация

Память данных

Прямая и непрямая адресация

Побитно адресуемая память

БанкЗ Банк 2 _Банк_1_ Банк 0

$17'

$16

$15

$14

$13

,$12

,$11

$10

Б2, регистр 7

Б2, регистр 6

Б2, регистр 5

Б2, регистр 4

Б2, регистр 3 Б2, регистр 2

Б2, регистр 1

Б2, регистр 0

Загрузочное ПЗУ

бильности кварца, а также от программной реализации данной функции.

В таблице приведены различия стандартного микроконтроллера 8051 и микроконтроллера, входящего в состав СМХ850.

В тоже время, несмотря на отличия от стандартного МК на основе ядра 8051, основой этого коммуникационного контроллера является именно 51-е ядро со всеми его достоинствами — широчайшей популярностью, доступностью отладочных средств и т. д.

Структура памяти СМХ850 идентична стандартному микроконтроллеру 8051. СМХ850 имеет внутреннюю память данных, переменных, векторов и подпрограмм, в то время как внешняя память используется для кода программы и дополнительных данных. Пространство внутренней памяти между $7Б и $ББ содержит два 128-байтовых параллельно расположенных адресных блока (оперативная память ГОЛТА и регистр специальных функций ЭРИ).

Как уже упоминалось ранее, общий объем ОЗУ составляет 256 байтов. К младшим 128 байтам можно обратиться непосредственно или косвенно, как и в обычном 8051. Этот раздел оперативной памяти включает четыре банка памяти (восемь регистров в каждом банке, начиная с адреса $00 и до адреса $1Б), который может использоваться как пространство регистров для обеспечения быстрого обмена данными при обслуживании прерываний. Это может быть полезно при написании многозадачных систем, где необходим быстрый переход к данным.

Адресное пространство с $20 до $2Б — побитно адресуемое пространство, использова-

ние которого возможно в качестве области хранения битовых флагов-установок и т. д. Верхние 128 байт внутренней оперативной памяти могут использоваться только при косвенном способе адресации. Это ограничение наложено из-за необходимости адресации к регистрам специальных функций 8БИ. Адресация к регистрам 8БИ, находящимся в том же адресном пространстве, происходит только непосредственно.

Использование регистров специальных функций в микроконтроллере 8051 позволяет расширять функциональность микроконтроллера, а также управлять режимами работы всех периферийных модулей, не прибегая к каким-либо сложным программным решениям. Регистры специальных функций рас-

положены в верхних 128 байтах встроенного ОЗУ ($80...$РР).

МС имеет всего 6 портов ввода-вывода общего назначения, 5 из которых предназначены для работы с внешними компонентами. Практически все выводы имеют несколько функций, задание режима работы и режима энергопотребления происходит через регистры специальных функций. Порты 0, 1 и 3 являются стандартными портами и используются так же, как и в обычном микроконтроллере на основе ядра 8051. Порт 2 реализован не полностью, но доступен для команды МОУХ А,@Ип и для доступа к расширенным областям памяти, реализованной на внешних элементах. Также в МС присутствуют два дополнительных порта — 4 и 5.

Для работы с внешней памятью микросхема должна содержать в своей памяти хотя бы загрузочный фрагмент, инициализирующий процесс обмена. Если этот код содержится во внешней РЫЬ-памяти, то перед установкой на плату микросхема внешней памяти должна быть запрограммирована. Компания СМЬ добавила небольшую загрузочную память, своего рода БЮ8, которая позволяет через последовательный порт загрузить код и выполнить его. Таким образом, нет необходимости загружать эту утилиту сразу во ИазЬ-память, до проработки печатной платы.

Наличие загрузочной памяти также позволяет производить внутрисхемное перепрограммирование ПЗУ. Происходит это следующим образом: код-программа, находящаяся в загрузочной памяти, производит конфигурирование последовательного интерфейса и производит загрузку новой программы в ПЗУ. Благодаря наличию встроенного декодера кода вызывающего абонента, о котором будет рассказано ниже, перепрограммирование ПЗУ может быть инициализировано входящим звонком с определенного телефона.

В микросхеме предусмотрены функции декодера абонентской сигнализации. Микросхема формирует и детектирует сигналы окончания сеанса связи. Детектор входящего вызова определяет все виды этого типа сигнализации: звонок (25 Гц, 100 В), смена полярности линии, а также сигнал освобождения линии.

(1зЬ) ’ 000' ’ 001' ' 010' ' 01 г 1 100' ' 101' ' 110' ' 111’

$Р8 МЕМСОЫ РТССОЫ Т1МЕ0 ТІМЕ1 ТІМЕ2 ТІМЕЗ

$Р0 (В) WDTCON WDTLD АЬМО АЬМ1 АЬМ2 АЬМЗ

$Е8 САБОЕТ свиэсоы свиэвир КВСОЫ КВЭТАТ кввир

$Е0 (АСС) АОССОЫ1 АОССОЫ2 АОСВІІРІ. АОСВиРН ADCTHRL ADCTHRH

$08 Р5 Р5РК Р5СЮ Р5кЕЭ PWMCON PWM1 PWM2

$Р0 (Р5\Л0 РБКВІІР

$С8

$С0 Р4 Р4Р11? Р4СЮ P4RES

$В8 (ІР) 1Р_1

$В0 (РЗ) РЗОІІ? РЗСЮ РЗІ^ЕБ

$А8 (ІЕ) ІЕ 1 1СОЫ1А 1С1Ы1В

$А0 (Р2)

$98 (ЗСОЫ] (БВиР) ОБССОЫ ЭРОСОИ ЭРХМАБК РЭХМАБК

$90 (Р1) РЮМ? Р1СЮ Р^ЕБ РОР^

$88 (ТСОЫ) (ГМСЮ) (ПО) т (ТН0) (ТН1)

$80 (Р0) РР) (ОРЦ (ОРН) ОРИ РРН! РРБ (РСОІМ)

Рис 3. Регистры микроконтроллера СМХ850

Є

Компоненты и технологии, № 5'2004

В микросхему добавлен отдельный декодер кода вызывающего абонента, который остается активным, в то время как остальная часть микросхемы может находиться в энергосберегающем режиме. Блок идентификации абонента переводится из спящего режима в активный детектором входящего вызова, а остальная часть микросхемы все еще продолжает оставаться в спящем режиме. И только когда идентификационный номер абонента совпадает с одним из списка допустимых, тогда и остальная часть микросхемы переводится в активный режим. Эта опция позволяет существенно уменьшить энергопотребление, особенно в случае приема текстовых сообщений.

Внешние навесные компоненты должны обеспечивать равномерную частотную характеристику для того, чтобы без искажений передать ОТМБ-сигнал. Можно использовать в согласующей цепи наиболее дешевый трансформатор, но с учетом дополнительных корректирующих элементов стоимость заметно снизить не удастся. В качестве усовершенствования в СМХ850 добавлен программируемый эквалайзер, который позволяет установить амплитуды тональных частот индивидуально с учетом неравномерности частотной характеристики цепи согласования. Это дополнение позволяет использовать наиболее дешевые внешние элементы и упростить конструкцию.

К сожалению, во всем мире еще встречаются случаи пиратского копирования выполненной разработки другими компаниями. Защитить схемотехническую часть от копирования очень трудно, однако предотвратить копирование программного кода возможно. В СМХ850 предусмотрено скремблирование программного кода путем кодирования адресов регистров и данных. Таким образом, программный код, загруженный в каждую микросхему, может быть уникальным и не будет исполняться в другой микросхеме. Это позволяет защитить изделие от прямого клонирования. Такая защита наиболее актуальна

Компоненты

в изделиях, предназначенных для передачи корпоративных данных.

С учетом внесенных дополнений микросхема стала более привлекательной, поэтому рассмотрим ее более подробно.

Функции ввода-вывода предусматривают поддержку клавиатуры 8 строк 16 столбцов, два выхода таймера-счетчика, ШИМ-преоб-разователь, 3 внешних прерывания, одно — с наибольшим приоритетом. Контроллер содержит последовательный порт с универсальным приемником-передатчиком со скоростью до 64 кбод.

Модем выполняет следующие функции: модуляцию в соответствии с У.22, У.22Ы8, У.23, У.21, Ве11 202, БеИ 212А, генерацию и детектирование ОТМБ, генерацию и детектирование одиночных тонов, детектор звонка и поднятия трубки, выделение абонентской сигнализации, сигнал освобождения линии. В модеме также предусмотрен эквалайзер и скремблер.

Встроенные АЦП содержат 10-битные регистры, схему выборки и хранения, компараторы с двумя уровнями сравнения.

Сторожевые таймеры имеют коэффициенты деления 1, 8, 64 и 256. Функция сброса предусматривает режим, при котором сохраняются текущие данные.

Такой набор функций делает микросхему привлекательной для использования в терминалах текстовых сообщений, телеметрических устройствах, охранной сигнализации с дополнительными возможностями, теле-

фонах с добавленными функциями, приложениях электронной почты и Интернет. Краткие технические характеристики:

• Рабочий диапазон температур: -40.. .+85 °С.

• Потребление тока при напряжении питания 3 В: 6,5 мА.

• Потребление тока в спящем режиме: 20 мкА.

• Уровни сигналов модема:

- в режиме приема: -45...-9 дБм;

- в режиме передачи: -3,2...-1,2 дБм;

- отношение «сигнал — шум» на входе: 20 дБ;

- однотоновый сигнал: —3,2...—1,2 дБм;

- двухтоновый сигнал ОТМБ: -1,2...+0,8 дБм;

- ОТМБ на входе: -30 дБм.

• Полоса детектора абонентской сигнализации по 3 дБ: 275-665 Гц.

Несмотря на возможность использования стандартных отладочных средств, производитель предлагает собственную оценочную плату ЕУ8500 (рис. 4).

В состав оценочной платы входит микросхема СМХ850, а также компоненты, на которых реализован интерфейс линии и разъем для последовательного подключения платы к головному компьютеру. Встроенное в плату программное обеспечение обеспечивает связь между платой и компьютером на основе стандартного набора АТ-команд. Программа, предназначенная для головного компьютера, обеспечивает связь с платой по последовательному интерфейсу и загрузку программы в память МС.

Плата питается от источника постоянного напряжения 3-3,6 В. Все важные сигналы могут быть измерены через тестовые точки.

Оценочная плата имеет двухпроводной интерфейс линии с гальванической развязкой, реализованной на трансформаторе.

Заключение

Применение СМХ850 позволяет сократить энергопотребление за счет перехода в спящее состояние и активизации при совпадении идентификационного номера вызывающего абонента из одного из допустимых. Встроенная ОЗУ может быть использована для загрузочного кода. Скремблирование программного кода позволяет защитить программное обеспечение.

Рис 4. Оценочная плата ЕУ8500