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1、http:/ -1-基于基于 S3C2440A 嵌入式系统的硬件设计嵌入式系统的硬件设计 李述良,冯杰,刘文进,漆进峰 黄冈师范学院物理科学与技术学院,湖北黄冈(438000)E-mail: 摘摘 要:要:本文采用 Samsung 公司 S3C2440A 微处理器设计了嵌入式系统硬件开发平台,给出了硬件结构设计思路,着重分析了以太网端口,USB 接口,UART 接口,含触摸屏的 LCD接口,IIS 音频接口和电源管理单元电路的设计方法,并总结了嵌入式系统测试和调试的基本方法。关键词:关键词:嵌入式系统;ARM;硬件设计;S3C2440A 中图分类号:中图分类号:TM02 随着计算机技术、微电子
2、技术和网络技术的迅速发展,嵌入式系统在工农业等诸多领域得到了广泛的应用。传统的 8 位单片机已经暴露了本身资源有限的缺点,越来越不能适应日渐复杂的应用需求,而随着 32 位处理器价格的不断下降,采用更高性能的 32 位处理器作为嵌入式系统的核心成为更加合理的选择。ARM 处理器是目前公认的业界领先的 32 位嵌入式RISC 微处理器,已成为许多行业嵌入式解决方案的 RISC 标准1。开发一个集嵌入式控制、高速数据采集和网络通信于一体,并提供友好的人机操作界面的硬件平台和多种总线接口,对于提高智能嵌入式系统可靠性、组网灵活性很有意义。据此本文主要完成了以太网接口,USB 接口,UART 接口,含
3、触摸屏的 LCD 显示接口,IIS 音频接口以及电源管理单元电路的嵌入式系统的硬件设计。1.嵌入式系统概述嵌入式系统概述 1.1 ARM 的含义的含义 ARM 是 Advanced RISC Machines 的缩写,既可以认为是一个公司的名字,也可以认为是对一类微处理器的通称,还可以认为是一种技术的名字。1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥,本身不直接从事芯片生产,主要出售芯片设计技术的授权半导体生产商从 ARM 公司购买其设计的 ARM 微处理器核,根据各自不同的应用领域,加入适当的外围电路,从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前,基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了
4、32位 RISC 微处理器 75%以上的市场份额,ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。1.2 ARM 微处理器的特点及应用微处理器的特点及应用 ARM 架构是面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器,除了 RISC 的一些特点外,ARM 体系结构还采用了一些特别的技术,在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积,并降低功耗。ARM 微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能;支持 Thumb(16 位)/ARM(32位)双指令集;大量使用寄存器,指令执行速度更快;大多数数据操作在寄存器中完成;寻址方式灵活简单,执行效率高;指令长度固定等特点。ARM 微处理器主要应用在工业控制、无线
5、通讯、网络应用、消费电子、成像产品、安全产品、存储产品、汽车行业等八个领域。1.3 嵌入式系统的定义嵌入式系统的定义 嵌入式系统被定义为以应用为中心,以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适用于应http:/ -2-用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统1。嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性,即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能,这也是嵌入式系统与通用计算机系统最主要的区别。1.4 S3C2440A 微处理器概述微处理器概述 S3C2440A 是 Samsung 公司设计的一款高性价比 16/32 位 ARM9 系列微处理器,内含一个由
6、ARM公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器核,采用五级流水线和哈佛体系结构,工作频率最高可达 533MHz;同时还具备体积小、成本低、功耗低、资源众多等诸多特点。内部集成的常用资源4主要有:外部存储控制器(SDRAM 控制和片选逻辑);LCD 控制器(最大支持 4K 色 STN 和 256K 色 TFT 屏),提供 1 通道 LCD 专用 DMA;4 通道 DMA 并有外部请求引脚;3 通道 UART(IrDA1.0,64 字节 TxFIFO 和 64 字节 RxFIFO);2 通道 SPI;1 通道 IIC-BUS 接口(支持多主机);1 通道 IIS-BUS 音频编码解码器
7、接口;AC97 解码器接口;兼容 SD 卡接口协议 1.0 版和 MMC 卡 2.11 版;2 端口 USB 主机和 1 端口 USB 设备;4 通道 PWM 定时器和 1 通道内部定时器,看门狗定时器;8 通道 10 比特 ADC 和触摸屏接口;具有日历功能的 RTC;相机接口(最大支持 4096*4096 像素);130 个通用 I/O 口和 24通道外部中断源等资源4。这些资源大大的方便了应用系统的开发,同时节约开发成本,缩短开发周期,提高了系统的性价比。2.嵌入式系统的硬件电路设计嵌入式系统的硬件电路设计 2.1 硬件系统结构硬件系统结构 为降低开发难度,方便二次开发,系统采用核心板加
8、底板的设计方案,核心板和底板之间通过连接器相连。这样可以在核心板不变动的情况下,更改底板的功能组成,以适用不同的功能。同时,由于核心板采用多层 PCB 板设计,而底板采用双层板即可,从而大大的降低了系统的成本。系统硬件结构如图 1 所示。图 1 系统硬件结构框图 2.2 核心板电路构成核心板电路构成 微处理器:即 S3C2440A,为系统的控制中心;Flash 电路:用于存放嵌入式操作系统及用户应用程序,其特点是系统掉电后数据不易丢失;SDRAM 电路:系统代码的运行场所,其特点是系统掉电后数据即丢失;晶振电路:12MHz 的无源晶振通过芯片内部的 PLL 电路为 S3C244A0 芯片提供高
9、达533MHz 的时钟频率;http:/ -3-JTAG 接口:采用 ARM 公司的提供的标准 20 脚 JTAG 仿真调试接口电路,S3C2440A芯片内部有 JTAG 核,因此,可以通过外部 JTAG 调试电缆或仿真器与开发系统连接调试和编程。复位电路:为系统提供复位信号。为防止干扰信号引起误复位操作,常采用专用复位芯片来产生复位信号。如:MAX811 等。2.3 底板硬件电路设计底板硬件电路设计 2.3.1 网络接口设计网络接口设计 S3C2440A本身并没有网络接口,通过扩展网络接口的模式可以为系统提供以太网接入;以太网接入是本系统的一个重要的功能模块,为系统进行下载文件、远程调试等操
10、作提供了条件。原理图如图 2 所示。图 2 以太网接口原理图 本系统的以太网控制电路由以太网芯片、网络隔离变压器和 RJ45 接口组成,选用的以太网芯片为 DM9000。这是一款提供了通用处理器接口的以太网控制芯片。DM9000 内部集成了 MAC 和 PHY,它能提供 10/100Mbps 的 PHY 接口。它为处理器提供了 8 位和 16 位数据宽度的内部存储访问接口,并且内部包含了 4K 的 Dword SRAM3。网络隔离变压器的作用主要有两个:一是传输数据,它把 PHY 送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号,并且通过线圈耦合到不同电平的另外一端连接到网线;二是隔离网线连
11、接的不同网络设备间的不同电平,以防止不同电压通过网线传输损坏设备。2.3.2 USB 接口设计接口设计 S3C2440A 内部集成了两个 USB Host 控制器和一个 USB Device 控制器,只需要进行简单的电路连接就可以使用芯片内部集成的 USB 模块。从 CPU S3C2440A 引出来的接线图如下图 4 所示。2.3.3 RS232 接口设计接口设计 串行端口的本质功能是作为 CPU 和串行设备间的编码转换器。当数据从 CPU 经过串行http:/ -4-端口发送出去时,字节数据转换为串行的位。在接收数据时,串行的位被转换成字节数据。S3C2440A 的 UART 提供了 3 个
12、独立的串行口,支持红外发送、接收功能,每个串行口都可以工作在基于中断和 DMA 模式下。换句话说,UART 能发出中断或 DMA 请求在 CPU 和UART 之间传送数据4。本文的五线异步串行 RS232 接口电路采用 SP3232EEN 芯片进行电平转换,同时在 CPU 上直接扩展了一个 UART 接口。五线异步串行 RS232 接口和 UART 扩展接口电路如图 3 所示。图 3 五线异步串行 RS232 接口与 UART 扩展接口电路 图 4 USB HOST 与 USB Device 接口 2.3.4 液晶屏接口设计液晶屏接口设计 S3C2440 内部包括了一个 LCD 的控制器,可以
13、支持 STN、TFT 等型号的 LCD 以及带触摸屏功能的 LCD。将 LCD 的信号引到一个可插拔的底座上,方便 LCD 插入使用;下图中通过设置跳线底座 J4 可以选择 3.3V 或 5V 为 LCD 供电。可以接各种单色、伪彩、真彩液晶屏以及四线电阻式触摸屏。液晶屏接口接线原理如下图 5 所示。图 5 液晶屏接口电路 2.3.5 I2S 音频接口设计音频接口设计 I2S 是一种串行总线设计技术,主要针对数字音频处理技术和设备,如便携 CD 机、数http:/ -5-字音频处理器等。I2S 将音频数据和时钟信号分离,避免由时钟带来的抖动问题,因此,系统中不再需要消除抖动的器件。图 6 I2
14、S 系统连接配置图 I2S 总线仅处理音频数据,其它信号(如控制信号)单独传送。基于减少引脚数目和布线简单的目的,I2S 总线只由 3 根串行线组成,即时分复用的数据通道线(continuous serial clock,SCK)、字选择线(word select,WS)和时钟线(serial data,SD)2。使用 I2S 技术设计的系统的连接配置如图 6 所示。其中 WS 信号线指示左通道或右通道的数据将被传输,SD 信号线按高有效位 MSB 到低有效位 LSB 的顺序传送字长的音频数据,MSB 总在 WS 切换后的第一个时钟发送。如果数据长度不匹配,接收器和发送器将自动截取或填充。本文
15、中使用的音频芯片是 PHILIPS 公司的 UDA1341TS 音频数字信号编译器。UDA1341TS 可以 将立体声模拟信号转换为数字信号,同样也可以将数字信号转换为模拟信号,并且可用 PGA(可编程增益控制)和 AGC(自动增益控制)对模拟信号进行处理。对于数字信号,该芯片提供了 DSP(数字音频处理)功能。I2S 音频数据接口电路如图 7 所示。本系统把 I2S 音频数据接口与 PHILIPS 公司的 UDA1341TS 音频数字信号编译器相连接,得到MICROPHONE 音频输入通道和 SPEADER 音频输出通道。图 7 UDA1341TS 的 I2S 音频数据接口电路 2.3.6
16、供电电路的设计供电电路的设计 将电源输入的 5V 电压通过带载 1.5A 的低压差线性稳压源 AS2815AR-3.3 IC 芯片稳压,給实验板提供所需的 3.3V 电压;核心板上的微处理器及存储电路采用低噪声、低压差线性稳压源 MAX8860EUA 稳压芯片供电;5V 和 3.3V 则提供给底板上的以太网、LCD 等接口电路;电源单元原理图分别如图 8 和图 9 所示。图 8 3.3V 电源电路 http:/ -6-图 9 1.25V 电源电路 3.嵌入式系统调试和测试嵌入式系统调试和测试 3.1 调试环境调试环境 PCB 板制作好后,进行系统调试需要进行硬件调试和软件调试两个过程。其中,硬
17、件调试需要使用示波器、万用表、稳压电源等工具;软件调试则使用 SJF2440 软件或 H-Jtag 软件烧写系统引导程序和测试程序。焊接 PCB 时应首先焊接电源模块,只有在电源模块测试正常时才能焊接其它的模块,否则在通电测试时会损坏其它模块的芯片;另外,在进行测试时还要注意避免人为造成的短路现象。3.2 硬件调试硬件调试 (1)加电前的检查:加电调试之前要对照电路原理图和实际线路进行检查,看 PCB 板是否有短路、断路情况,看在元器件焊装过程中是否有错装、短路、错接、多接、少接等现象;用万用表检测焊接和接插件是否良好;各焊点之间有无短路,焊点是否存在虚焊;集成电路芯片是否焊装正确,二极管、三
18、极管、电解电容等有极性的器件的极性是否正确;电源的极性连接是否正确、正负极间是否存在短路的情况。(2)加电检测和调试:做完加电前的检查,确认无误后,电源输入端接入 5V 电压。观察有无异味、冒烟、器件发烫等现象。当发现有异常情况时要立即切断电源,并根据故障现象分析故障原因,然后排除。如无异常,用万用表分别测量个关键点和各集成芯片的电源端的电压值,各输入和输出端的高、低电平值及逻辑关系等是否正常。如若这些都没有问题,就通过示波器来检测各相关点的波形是否正常,然后根据波形来分析故障的原因,直至最终故障排除。3.3 软件调试软件调试 在 PC 机上运行 SJF2440 或 H-Jtag 软件,烧写已
19、经编译好的系统引导程序,看系统能否正常启动,输出是否正常,烧写系统测试程序看输入输出是否正确,否则分析原因并排除故障。烧写前要确保引导程序和测试程序是正确可用的。4.结论结论 本系统使用 S3C2440A 进行嵌入式系统硬件平台的搭建,为系统的进一步开发做好了准备。本系统采用核心板加底板的设计方案,方便二次开发。要实现不同的功能,只需要更改底板的设计即可,降低了开发难度和开发成本,也缩短了开发周期。http:/ -7-参考文献参考文献 1 江俊辉 基于 ARM 的嵌入式系统硬件设计 J 中文核心期刊 微计算机信息(嵌入式与 SOC)2005年第 21 卷(第 7-2 期),122 2 田泽AR
20、M9 嵌入式开发实验与实践M北京:北京航空航天大学出版社,200610 3 DM9000A-DS-P03 Datasheet.DAVICOM Semiconductor,2005.4 S3C2440A USER MANUAL Revision 0.12.SAMSUNG ELECTRONICS,2004.3 Hardware Design for Embedded System Based on S3C2440A Lishuliang,Fengjie,Liuwenjin,Qijinfeng Huang Gang Normal University,Huanggang,Hubei(438000)A
21、bstract In this paper,we describe the design of embedded system hardware development platform based on Samsung Corporations S3C2440A microprocessor,give the ideas of hardware structure design,focus on analysing the design methodology of the Ethernet ports,USB interfaces,UART interfaces,LCD interface with touch-screen,IIS audio interface and power snap circuit,and summarize the testing and debugging embedded systemss basic method.Keywords:Embedded System,ARM,Hardware Design,S3C2440A 作者简介:作者简介:李述良,男,湖北红安人,黄冈师范学院物理科学与技术学院 2005 级在读学生。
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