實(shí)用ＡＲＭ９嵌入式硬件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

馮　杰　李述良

摘要:文章采用Samsung公司S3C2440A微處理器設(shè)計(jì)了嵌入式系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái),給出了硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路,著重分析了以太網(wǎng)端口和IIS音頻接口,簡要的說明了USB接口,UART接口,含觸摸屏的LCD接口電路的設(shè)計(jì)方法,并總結(jié)了嵌入式系統(tǒng)測試和調(diào)試的基本方法。

關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng);ARM;硬件設(shè)計(jì);S3C2440A

中圖分類號(hào):TP303文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)10-0014-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展,嵌入式系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的8位單片機(jī)已經(jīng)暴露了本身資源有限的缺點(diǎn),越來越不能適應(yīng)日漸復(fù)雜的應(yīng)用需求,而隨著32位處理器價(jià)格的不斷下降,采用更高性能的32位處理器作為嵌入式系統(tǒng)的核心成為更加合理的選擇。ARM處理器是目前公認(rèn)的業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌入式RISC微處理器,已成為許多行業(yè)嵌入式解決方案的RISC標(biāo)準(zhǔn)。開發(fā)一個(gè)集嵌入式控制、高速數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)通信于一體,并提供友好的人機(jī)操作界面的硬件平臺(tái)和多種總線接口,對于提高智能嵌入式系統(tǒng)可靠性、組網(wǎng)靈活性很有意義。據(jù)此文章主要以S3C2440A為例,完成了以太網(wǎng)接口,USB接口,UART接口,含觸摸屏的LCD顯示接口,IIS音頻接口以及電源管理單元電路的嵌入式系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)。

S3C2440A是Samsung公司設(shè)計(jì)的一款高性價(jià)比16/32位ARM9系列微處理器,內(nèi)含一個(gè)由ARM公司設(shè)計(jì)的16/32位ARM920T RISC處理器核,采用五級流水線和哈佛體系結(jié)構(gòu),工作頻率最高可達(dá)533MHz;同時(shí)還具備體積小、成本低、功耗低、資源眾多等諸多特點(diǎn)。內(nèi)部集成的常用資源主要有:外部存儲(chǔ)控制器(SDRAM控制和片選邏輯);(最大支持4K色STN和256K色TFT屏),提供1通道LCD專用DMA;4通道DMA并有外部請求引腳;3通道UART(IrDA1.0,64字節(jié)TxFIFO和64字節(jié)RxFIFO);2通道SPI;1通道IIC-BUS接口(支持多主機(jī));1通道IIS-BUS音頻編碼解碼器接口;AC97解碼器接口;兼容SD卡接口協(xié)議1.0版和MMC卡2.11版;2端口USB主機(jī)和1端口USB設(shè)備;4通道PWM定時(shí)器和1通道內(nèi)部定時(shí)器,看門狗定時(shí)器;8通道10比特ADC和觸摸屏接口;具有日歷功能的RTC;相機(jī)接口(最大支持4096*4096像素);130個(gè)通用I/O口和24通道外部中斷源等資源。這些資源大大的方便了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā),同時(shí)節(jié)約開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期,提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。對于S3C2440A的特點(diǎn)和性能請查閱相關(guān)資料,文章不作敘述。

1嵌入式系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

1.1硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為降低系統(tǒng)開發(fā)難度,方便二次開發(fā),系統(tǒng)采用核心板加底板的設(shè)計(jì)方案,核心板和底板之間通過連接器相連。這樣可以在核心板不變動(dòng)的情況下,更改底板的功能組成,以適用不同的功能。同時(shí),由于核心板采用多層PCB板設(shè)計(jì),而底板采用雙層板即可,從而大大的降低了系統(tǒng)的成本。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2核心板電路構(gòu)成

微處理器:即S3C2440A,為系統(tǒng)的控制中心。

Flash電路:用于存放嵌入式操作系統(tǒng)及用戶應(yīng)用程序,其特點(diǎn)是系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不易丟失。

SDRAM電路:系統(tǒng)代碼的運(yùn)行場所,其特點(diǎn)是系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)即丟失。

晶振電路:12MHz 的無源晶振通過芯片內(nèi)部的PLL電路為S3C2440A芯片提供高達(dá)533MHz的時(shí)鐘頻率。

JTAG接口:采用ARM公司的提供的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口電路,S3C2440A芯片內(nèi)部有JTAG核,因此,可以通過外部JTAG調(diào)試電纜或仿真器與開發(fā)系統(tǒng)連接調(diào)試和編程。

復(fù)位電路:為系統(tǒng)提供復(fù)位信號(hào)。為防止干擾信號(hào)引起誤復(fù)位操作,常采用專用復(fù)位芯片來產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。如:MAX811等。

1.3擴(kuò)展板電路

S3C2440A本身就集成了USB Host 控制器和USB Device 控制器、LCD控制器、3個(gè)獨(dú)立的、可以工作在基于中斷和DMA模式下的串行口,并接支持紅外發(fā)送、接收功能,SD卡和MMC卡控制器、攝像頭接口等。因此,上述接口電路只需要參照芯片使用手冊接線即可使用。

1.3.1網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)

S3C2440A本身并沒有網(wǎng)絡(luò)接口,通過擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)接口的模式可以為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入;以太網(wǎng)接入是本系統(tǒng)的一個(gè)重要的功能模塊,為系統(tǒng)進(jìn)行下載文件、遠(yuǎn)程調(diào)試等操作提供了條件。原理圖如圖2所示。

本系統(tǒng)的以太網(wǎng)控制電路由以太網(wǎng)芯片、網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和RJ-45接口組成,選用的以太網(wǎng)芯片為DM9000。這是一款提供了通用處理器接口的以太網(wǎng)控制芯片。DM9000內(nèi)部集成了MAC 和PHY,它能提供10/100Mbps的PHY 接口。它為處理器提供了8 位和16 位數(shù)據(jù)寬度的內(nèi)部存儲(chǔ)訪問接口,并且內(nèi)部包含了4K 的Dword SRAM。網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器的作用主要有兩個(gè):?譹?訛傳輸數(shù)據(jù),它把PHY 送出來的差分信號(hào)用差模耦合的線圈耦合濾波以增強(qiáng)信號(hào),并且通過線圈耦合到不同電平的另外一端連接到網(wǎng)線;?譺?訛隔離網(wǎng)線連接的不同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備間的不同電平,以防止不同電壓通過網(wǎng)線傳輸損壞設(shè)備。

1.3.2IIS音頻接口設(shè)計(jì)

IIS是一種串行總線設(shè)計(jì)技術(shù),主要針對數(shù)字音頻處理技術(shù)和設(shè)備,如便攜CD機(jī)、數(shù)字音頻處理器等。IIS將音頻數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)分離,避免由時(shí)鐘帶來的抖動(dòng)問題,因此,系統(tǒng)中不再需要消除抖動(dòng)的器件。

IIS總線僅處理音頻數(shù)據(jù),其它信號(hào)(如控制信號(hào))單獨(dú)傳送?；跍p少引腳數(shù)目和布線簡單的目的,IIS總線只由3根串行線組成,即時(shí)分復(fù)用的數(shù)據(jù)通道線(continuous serial clock,SCK)、字選擇線(word select,WS)和時(shí)鐘線(serial data,SD)。使用IIS技術(shù)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的連接配置如圖3所示。其中WS信號(hào)線指示左通道或右通道的數(shù)據(jù)將被傳輸,SD信號(hào)線按高有效位MSB到低有效位LSB的順序傳送字長的音頻數(shù)據(jù),MSB總在WS切換后的第一個(gè)時(shí)鐘發(fā)送。如果數(shù)據(jù)長度不匹配,接收器和發(fā)送器將自動(dòng)截取或填充。文章中使用的音頻芯片是PHILIPS公司的UDA1341TS音頻數(shù)字信號(hào)編譯器。UDA1341TS可以將立體聲模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào),同樣也可以將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),并且可用PGA(可編程增益控制)和AGC(自動(dòng)增益控制)對模擬信號(hào)進(jìn)行處理。對于數(shù)字信號(hào),該芯片提供了DSP(數(shù)字音頻處理)功能。IIS音頻數(shù)據(jù)接口電路如圖4所示。本系統(tǒng)把IIS音頻數(shù)據(jù)接口與PHILIPS公司的UDA1341TS音頻數(shù)字信號(hào)編譯器相連接,得到MICROPHONE音頻輸入通道和SPEADER音頻輸出通道。

2嵌入式系統(tǒng)調(diào)試和測試

2.1調(diào)試環(huán)境

PCB板制作好后,進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試需要進(jìn)行硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩個(gè)過程。其中,硬件調(diào)試需要使用示波器、萬用表、穩(wěn)壓電源等工具;軟件調(diào)試則使用SJF2440軟件或H-Jtag軟件燒寫系統(tǒng)引導(dǎo)程序和測試程序。焊接PCB時(shí)應(yīng)首先焊接電源模塊,只有在電源模塊測試正常時(shí)才能焊接其它的模塊,否則在通電測試時(shí)會(huì)損壞其它模塊的芯片;另外,在進(jìn)行測試時(shí)還要注意避免人為造成的短路現(xiàn)象。

2.2硬件調(diào)試

①加電前的檢查:加電調(diào)試之前要對照電路原理圖和實(shí)際線路進(jìn)行檢查,看PCB板是否有短路、斷路情況,看在元器件焊裝過程中是否有錯(cuò)裝、短路、錯(cuò)接、多接、少接等現(xiàn)象;用萬用表檢測焊接和接插件是否良好;各焊點(diǎn)之間有無短路,焊點(diǎn)是否存在虛焊;集成電路芯片是否焊裝正確,二極管、三極管、電解電容等有極性的器件的極性是否正確;電源的極性連接是否正確、正負(fù)極間是否存在短路的情況。

②加電檢測和調(diào)試:做完加電前的檢查,確認(rèn)無誤后,電源輸入端接入5V電壓。觀察有無異味、冒煙、器件發(fā)燙等現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)現(xiàn)有異常情況時(shí)要立即切斷電源,并根據(jù)故障現(xiàn)象分析故障原因,然后排除。如無異常,用萬用表分別測量個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)和各集成芯片的電源端的電壓值,各輸入和輸出端的高、低電平值及邏輯關(guān)系等是否正常。如若這些都沒有問題,就通過示波器來檢測各相關(guān)點(diǎn)的波形是否正常,然后根據(jù)波形來分析故障的原因,直至最終故障排除。

2.3軟件調(diào)試

在PC機(jī)上運(yùn)行SJF2440或H-Jtag軟件,燒寫已經(jīng)編譯好的系統(tǒng)引導(dǎo)程序,看系統(tǒng)能否正常啟動(dòng),輸出是否正常,燒寫系統(tǒng)測試程序看輸入輸出是否正確,否則分析原因并排除故障。燒寫前要確保引導(dǎo)程序和測試程序是正確可用的。

3結(jié) 語

本系統(tǒng)使用S3C2440A 進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建,為系統(tǒng)的進(jìn)一步開發(fā)做好了準(zhǔn)備。本系統(tǒng)采用核心板加底板的設(shè)計(jì)方案,方便二次開發(fā)。要實(shí)現(xiàn)不同的功能,只需要更改底板的設(shè)計(jì)即可,降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本,也縮短了開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn):

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