Atmel ATPL00B：电力线通信SoC的深度解析

在电力线通信（PLC）领域，Atmel ATPL00B作为一款功能强大的系统级芯片（SoC），为自动化抄表、街道照明、家庭自动化等应用提供了可靠的解决方案。本文将深入剖析ATPL00B的各项特性、架构以及应用要点，帮助电子工程师更好地理解和应用这款芯片。

文件下载：ATPL00BDK-99.pdf

一、产品概述

ATPL00B是一款采用FSK调制的电力线通信SoC，集成了增强型8051核心（ADD8051C3A）、媒体访问控制器（ADD1210）和PLC调制解调器（ADD1310）。它的设计旨在降低PLC系统中CPU的计算负载，使微控制器能够专注于应用任务。

核心特性

1. 增强型8051核心：ADD8051C3A核心相比标准8051微控制器速度提升了5倍，内置128KB的SRAM，支持在线串行闪存编程和自动从串行闪存加载程序。
2. 媒体访问控制：具备卷积和块（FEC）信道编码、维特比解码功能，支持硬件CRC错误检测和FEC错误纠正，还提供旁路模式以支持早期无MAC的FSK调制解调器软件。
3. 调制解调器：适用于50和60Hz的电力线载波调制解调器，载波频率为132.5kHz，波特率可在600至4800bps之间选择，半双工通信，接收器灵敏度高达44dBμVrms。
4. 外设：拥有三个2线UART、两个SPI接口，支持可编程看门狗和四路调光器输入/输出，最多可提供20个I/O线。
5. 封装：采用144引脚的LQFP封装，尺寸为16 x 16 mm，引脚间距0.4 mm，符合无铅和RoHS标准。

二、处理器与架构

1. ADD8051C3A微控制器

ADD8051C3A与传统8051微控制器完全兼容，但在硬件上有一些改进。其机器周期从12个时钟周期减少到3个时钟周期，大多数指令在1或2个机器周期内执行，程序执行速度比标准8051架构设备快至少4倍。芯片内集成了128KB的SRAM，程序内存和外部数据（XDATA）内存共享该SRAM，其中低64KB始终用于存储程序内存，高64KB可根据银行切换页面大小配置不同的程序和XDATA内存大小。

2. 内存组织

ATPL00B的程序内存和XDATA内存共享128KB的SRAM，通过内部RD和PSEN信号功能访问。程序内存只能读取，写入可能导致意外结果。有64KB的基本程序内存，可通过扩展程序页面增加容量。XDATA占用独立的地址空间，最多可寻址64KB。此外，ADD8051C3A核心还包含384字节的内部数据内存（IDATA）。

3. 指令集

ATPL00B的指令集提供了多种快速寻址模式，支持对内部RAM的字节操作，还支持单比特变量的直接操作，适用于需要布尔处理的控制和逻辑系统。指令集包括算术指令、逻辑指令、数据传输指令、布尔指令和跳转指令等。

4. CPU时序与电源管理

CPU执行时间分为机器周期，每个机器周期由3个状态组成，持续3个时钟周期。除MOVX指令外，所有指令的取指/执行序列相同。MOVX指令需要两个机器周期执行。ADD8051C3A具有空闲和掉电两种省电模式，可通过设置特殊功能寄存器PCON中的位来激活。

5. 中断系统

微控制器有10个用户中断源，包括2个外部中断、3个定时器中断、3个串行端口中断和2个标准串行外设中断。中断优先级可由用户选择，范围从“000”到“011”。每个中断源可通过设置特殊功能寄存器IE和IE2中的位来单独启用或禁用。

6. I/O端口

P1、P3、P4和P5端口为双向端口，每个端口由寄存器、输出驱动器和输入缓冲器组成。端口3、4和5的引脚具有多功能，可作为微控制器外设的输入或输出。端口可配置为伪双向模式或推挽模式。

三、定时器

ATPL00B配备了一套完整的定时器，包括两个16位可配置定时器/计数器（定时器0和定时器1）、三个8位自动重载计数器（定时器11、12和14）、一个8位带18位预分频器的看门狗定时器（定时器3）和一个16位定时器/计数器（定时器2）。

1. 定时器0和定时器1

定时器0和定时器1具有2位预分频器，可通过TPR、TMOD和TCON寄存器进行控制。它们有四种操作模式，可选择定时器或计数器功能。

2. 定时器2

定时器2是一个16位定时器/计数器，由TH2和TL2两个8位定时器寄存器级联组成。其操作模式包括捕获模式、自动重载模式、波特率生成器模式和可编程时钟输出模式，可通过T2MOD和T2CON寄存器进行配置。

3. 看门狗定时器（定时器3）

看门狗定时器包括一个18位预分频器，当/EWDG引脚接地时激活。T3必须由软件重新加载以避免溢出和程序重启，重新加载T3需要设置PCON寄存器中的WLE位。

四、标准串行接口

ATPL00B的串行端口为全双工，可同时进行发送和接收。串行端口控制和状态寄存器为SCON(0,1,2)，包含模式选择位、第9位数据位和串行端口中断位。串行端口可工作在4种模式下，传输由写入SBUF指令启动，接收由特定条件触发。

1. 串行端口模式

• 模式0（移位寄存器模式）：串行数据通过RxD输入和输出，TxD输出移位时钟，波特率固定为振荡器频率的1/12。
• 模式1（8位UART）：传输10位数据，包括一个起始位、8个数据位和一个停止位，波特率由T1溢出控制。
• 模式2和模式3（9位UART）：传输11位数据，包括一个起始位、8个数据位、一个可编程的第9位数据位和一个停止位，波特率可编程为振荡器频率的1/32或1/64。

2. 串行端口定时器

定时器11、12和14用于作为UART 0、1和2的波特率生成器，它们类似于配置为8位自动重载模式的T1。

五、串行外设接口（SPI）

ATPL00B实现了两个串行外设接口SPI0和SPI1，均为全双工、同步通信总线，具有主模式和从模式两种操作模式。SPI0为字节导向的SPI，SPI1为字节缓冲的SPI。

1. SPI描述

SPI通信中，主设备负责初始化传输、数据移位和采样，所有活动与时钟信号同步。SPI0通过SPCTL、SPSTAT和SPDAT三个特殊功能寄存器进行配置和控制，SPI1通过SPCTL1、SPSTAT1和SPDAT1N寄存器进行配置和控制。

2. SPI时钟相位、极性和操作

SPI有四种时钟相位和极性组合，主设备可随时切换。正确选择时钟相位和极性对于数据传输至关重要。

3. SPI0写冲突

SPI0在发送方向为单缓冲，接收方向为双缓冲。在传输过程中写入数据寄存器会导致写冲突，WCOL位会被置位，新数据将丢失。

4. SPI模式

SPI通信在单主系统中操作简单，主设备和从设备配置为相同模式并开启，主设备选择从设备并写入数据即可启动传输。多主配置中，设备可在主模式和从模式之间切换。

六、引导加载器

ATPL00B需要外部SPI闪存存储器来存储固件和非易失性数据，内部128KB的SRAM用于固件执行和存储易失性变量。引导加载器在系统启动时将目标程序从串行闪存加载到内部SRAM，并在以下情况下执行：上电后、异步复位信号（RSTA）复位系统后、CONF SFR中的第2位被设置时以及看门狗超时且CONF SFR中的第1位被设置时。

1. 引脚描述

• /PROG：上电后，若该信号接地，则启用系统内编程模式；否则，系统处于执行模式。
• SECURED：当板卡配置支持时，该引脚启用加密固件执行。
• P1.7 (SSN)：用于读取有效的硅序列号设备的序列号。

2. 闪存编程

• 系统内编程：通过将/PROG引脚接地启用，引导加载器通过RS - 232命令进行控制。
• SPI闪存编程：复位后，若/PROG引脚接地，则允许发送标准SPI命令到闪存存储器。

3. 系统启动

系统在执行模式下上电或重新加载后，引导加载器将固件的易失性副本从闪存存储器传输到SRAM存储器，传输过程可能持续约400ms。传输完成后，微控制器开始执行程序。

七、调光器外设

ATPL00B SoC包含一个调光器外设，可控制多达四个三端双向可控硅（TRIAC）和四个开关。该外设可进行相位角控制以改变负载功率，也可用于生成PWM控制信号。

1. 配置寄存器

调光器外设的配置寄存器用于改变触发角、开启/关闭负载以及读取开关状态。这些寄存器包括DIM_CTRL、INP_ST、OUT_ST、OUT_REF、POLARITY、D_CONF、V_SWC、PWM_PER和INP_SOURCE等。

2. 外部电路

控制连接到ATPL00B的负载需要一些外部组件，外部电路的配置取决于集成电路GND引脚是否连接到电力线中性线。

八、媒体访问层

在电力线通信系统中，媒体访问控制（MAC）任务需要大量的CPU计算时间。ATPL00B通过ADD1210硬连线MAC单元加速关键任务的执行，以减轻集成MCU（8051C3A核心）的计算负载。

1. 数据包封装

MAC可根据启用的纠错和检测机制，以不同配置封装数据包。标准数据包封装包括前导码、头部、有效负载和后导码。

2. MAC架构

MCU与MAC的接口通过将其作为外部数据RAM进行寻址实现。MAC有十五个配置寄存器，可由MCU访问，用于控制MAC的操作。

3. MAC配置寄存器

MAC配置寄存器包括CTRL、FLAGS1、FLAGS2、DATA、TH_PREAM、TH_HEADER、BAUDRATE、TRACK、PREAM、CTRL2、BC、MODE1 - MODE4、VTB_BE_HARD、VTB_BE_SOFT和FEC_BER等，用于配置MAC的工作模式、波特率、错误检测阈值等。

4. 操作模式

MAC有多种操作模式，包括旁路模式、WHD模式、BYTE模式、FEC模式、VTB模式、FCS模式和NULL模式。不同模式适用于不同的应用场景。

5. 操作程序

操作程序包括STOP周期、WHD模式操作程序、传输程序和接收程序。这些程序指导MCU如何与MAC硬件进行交互。

九、PLC调制解调器

ATPL00B的PLC调制解调器支持多波特率，工作在132.5kHz的载波频率下。它可由硬连线MAC ADD1210控制，也可由微控制器ADD8051C3A控制，在微控制器控制时，MAC处于旁路模式。

1. 频率编码

逻辑符号“1”和“0”通过不同的频率值表示，可选择不同的频率偏差。

2. 调制解调器传输和接收

• 传输特性：采用直接传输配置，通过电阻阵列生成传输信号，适用于家庭自动化应用。
• 接收特性：提供低成本的直接模拟输入级，使用VIN、VRH和VRL输入，也可提供高性能的外部比较器接收接口。

3. PLC调制解调器配置寄存器

调制解调器有一组配置寄存器，用于设置主要工作特性，包括GAIN、CONTROL2、CONFIG、GFSK_DX、COMP、KNX_EN、CD_ENABLE、CD_DECISION_TIME、CD_DECISION_ERROR、TXRX_CTL和Ri等寄存器。

十、电气和机械特性

1. 电气特性

包括绝对最大额定值、推荐工作条件、直流特性、功耗、热数据、振荡器和上电等方面的特性。

2. 机械特性

采用144引脚的LQFP封装，引脚间距0.4mm，封装尺寸为16 x 16 mm。

3. 推荐安装条件

包括标准回流焊条件和手动焊接条件，确保芯片的正确安装和使用。

总结

Atmel ATPL00B作为一款功能丰富的电力线通信SoC，在自动化抄表、街道照明、家庭自动化等领域具有广泛的应用前景。其强大的核心性能、完善的外设功能和灵活的配置选项，为电子工程师提供了一个可靠的解决方案。在实际应用中，工程师需要根据具体需求合理配置芯片的各项参数，以充分发挥其性能优势。你在使用ATPL00B的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。