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基于S3C2440A嵌入式系统的硬件设计

来源：知库网

第29卷第3期2009年6月黄　冈　师　范　学　院　学　报JournalofHuanggangNormalUniversityVol.29No.3

Jun.2009

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,湖北黄州438000)

摘　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　嵌入式系统;ARM;硬件设计;S3C2440A中图分类号　TM02　　　文献标识码　A　　　文章编号　100328078(2009)0320037205

HardwaredesignforembeddedsystembasedonS3C2440A

LIShu2liang,FENGJie,LIUWen2jin,QIJin2feng

(CollegeofPhysicalScienceandTechnology,HuanggangNormalUniversity,Huangzhou438000,Hubei,China)

Abstract　Inthispaper,wedescribeadesignofembeddedsystemhardwaredevelopmentplatformbasedonSamsungCorporation’sS3C2440Amicroprocessor,givetheideaforthedesign,especiallyfocusingonanaly2singthedesignmethodologyoftheEthernetports,USBinterfaces,UARTinterfaces,LCDinterfacewithtou2ch2screen,IISaudiointerfaceandpowersnapcircuit,andsummarizethebasicmethodoftestinganddebug2gingembeddedsystems.

Keywords　embeddedsystem;ARM;hardwaredesign;S3C2440A

随着计算机技术、微电子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

1.1　ARM的含义

ARM是AdvancedRISCMachines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

收稿日期:2009204229.

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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

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、适用于应用系统对功

[1]

能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。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ARM

公司设计的16/32位ARM920TRISC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

[2]

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音频编码解码器接口;AC’97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409634096像素);130个通用I/O口和24通道外部中断源等资[2]

源。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

2.1　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。2.2　核心板电路构成

微处理器:即S3C2440A,为系统的控制中心;

图1　系统硬件结构框图

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芯片提供高达533MHz的时

钟频率;

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

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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2.3.1　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

[3]

内部包含了4K的DwordSRA。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

S3C2440A内部集成了两个USBHost控制器和一个USBDevice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CPUS3C2440A引出来的接线图如图3所示。

　　　图3　USBHOST与USBDevice接口　　　　　图4　五线异步串行RS232接口与UART扩展接口电路

2.3.3　RS232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

[2]

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。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4所示。2.3.4　液晶屏接口设计

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S3C2440内部包括了一个LCD的控制器,可以支持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;图5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图5所示。

图5　液晶屏接口电路2.3.5　IS音频接口设计

IS是一种串行总线设计技术,主要针对数字音频处理技术2

和设备,如便携CD机、数字音频处理器等。IS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。2

IS总线仅处理音频数据,其它信号(如控制信号)单独传图6　I2S系统连接配置图

送。基于减少引脚数目和布线简单的目的,IS总线只由3根串

行线组成,即时分复用的数据通道线(continuousserialclock,SCK)、字选择线(wordselect,WS)和时钟线

(serialdata,SD)[4]。使用IS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。IS音频数据接口电路如图7所示。本系统把IS音频数据接口与PHILIPS公司的UDA1341TS音频数

2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　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-3.3IC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。

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图8　3.3V电源电路　　　　　　　　　　　　　　图9　1.25V电源电路

3　嵌入式系统调试和测试

3.1　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

(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　软件调试在PC机上运行SJF2440或H-Jtag软件,烧写已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。

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。

参考文献:

[1]　江俊辉.基于ARM的嵌入式系统硬件设计[J].微计算机信息(嵌入式与SOC),2005,21(7-2):120-122.[2]　SAMSUNGELECTRONICSDatasheet:S3C2440AUSER’MANUALRevision0.12,2004.[3]　DAVICOMSemiconductorDatasheet:DM9000A-DS-P03Datasheet,2005.

[4]　田泽.ARM9嵌入式开发实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006:10.

责任编辑　张所滨

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