認知無線電實驗系統終端中嵌入式控制模塊的設計與實現碩士論文-資料下載頁

　　

【正文】 、家用網關等。ARM家族的所有成員都共享同一個基本指令集即32位ARM指令集，同時不同的產品又可以有不同的擴展指令集，這些擴展指令集包括：16位Thumb指令集、DSP擴展指令集、SIMD擴展指令集和Jazelle擴展指令集。ARM指令集是基本指令集，它包括數據傳輸、數據處理、流程轉向、協處理器指令。現在面市的ARM產品都支持Thumb指令集，它己經成為ARM核的標準擴展指令集[2830]。嵌入式控制模塊中ARM9處理器采用的是韓國三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410A，它是一顆主頻高達203MHz，基于ARM920T內核的高性能微處理器，獨立的16KB指令cache和16KB數據Cache、MMU虛擬內存管理單元，使得程序運行以及數據存儲更加高效，、Linux和181。COSII等多種業內主流的操作系統。它的低功耗、精簡和出色的全靜態設計特別適合于低成本和功耗敏感的應用。為減少整個系統的成本，S3C2410A芯片內部集成了各種外圍設備，包括：1個LCD控制器（支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏）；芯片選擇邏輯和SDRAM控制器的系統管理器；PLL時鐘產生電路；3通道UART，具有MODEM、紅外收發（IrDA）功能；4個通道的DMA；4個具有PWM功能的計時器和1個內部時鐘（RTC）；8通道的10位ADC；觸摸屏接口；I2S總線接口，I2C總線接口；2個USB主機接口，1個USB設備接口；2個SPI接口；SD卡接口和MMC卡接口；看門狗計數器；117位通用I/O口和24位外部中斷源；通過這一系列完整的系統外圍設備，大大減少了整個系統的成本，消除了為系統配置額外器件的需要[31]。選擇S3C2410A主要出于以下幾方面的考慮：（1） 高主頻、內核帶MMU（Memory Mangement Unit）功能S3C2410A最高主頻達203MHz，使得其能夠處理復雜的CR實驗系統禮儀與協議，、Linux和181。COSII等多種業內主流的操作系統，為后續的應用程序開發奠定了良好的基礎。（2） 外部接口豐富S3C2410A內部集成了豐富的外圍設備接口，包括常用的USB、UART、I2S和SPI等，它能夠很好的完成上位機與CR終端之間的控制和數據通信。同時由于設計的數據傳輸采用USB傳輸，因此對于數據量大、實時性要求高的傳輸仍存在一定的困難，所以在嵌入式控制中仍設計有10M以太網來解決大量的、高實時性的數據傳輸。（3） ARM與DSP通信接口考慮到CR終端中ARM與DSP之間存在大量的數據交互，因此在ARM芯片選型時也需要考慮如何與DSP完成通信。S3C2410A可以使用DSP提供的HPI接口方便的實現兩者之間的高速數據通信，而且通信接口設計簡單、通信速率高、方案易實現等特點，同時存在nWAIT信號實現與DSP總線之間的速率匹配。除主要考慮了以上幾點外，還考慮了諸如PCB布線、性價比、銷售渠道、可參考的資料和外部擴展等眾多因素。S3C2410A對于片內的各個部件采用了獨立的電源供給方式：，存儲單元和I/[32]。2） 嵌入式控制模塊硬件系統結構嵌入式控制模塊硬件系統結構如圖 31所示。圖 31 嵌入式控制模塊硬件結構圖圖 31中嵌入式控制模塊硬件系統結構主要分為四個部分：核心部分、電源部分、時鐘部分和外部接口部分。（1） 核心部分包括中央處理器和存儲器單元。中央處理器采用韓國三星公司的 S3C2410A，運行時鐘頻率最高203MHz，272FBGA封裝。存儲器單元采用64MB NAND Flash（K9F1208U0B）和64MB SDRAM（K4S561632C）。（2） 。（3） 時鐘部分采用外部12MHz無源晶振時鐘輸入。20MHz無源晶振輸出作為以太網芯片CS8900A的工作時鐘。（4） 外部接口部分包括以太網接口、JTAG接口、LCD顯示屏和觸摸屏接口、USB接口、音頻接口、串口和與基帶處理模塊通信的金手指接口。嵌入式控制模塊的硬件系統主要組成部分功能如下：（1） S3C2410A：中央處理器，是整個系統運行的“大腦”。（2） FLASH：閃存，用來存放操作系統、系統引導程序和其它在系統掉電后需要保存的用戶數據。（3） SDRAM：主要用來存放執行代碼和變量，是系統啟動之后主要進行存取操作的存儲器，具有容量大、存取速度快、成本低的特點，因而廣泛的應用到微機處理系統中。（4） 時鐘電路：S3C2410A的外部12MHz時鐘輸入，經內部PLL倍頻至203MHz來提供系統工作時鐘。（5） 復位電路：可完成系統上電復位和在系統工作時用戶按鍵復位。（6） 串口：用于S3C2410A系統與其它應用系統的短距離雙向串行通信，同時在系統調試時也發揮了重要作用。（7） USB接口：通用串行總線，分為USB HOST和DEVICE兩個接口。（8） LCD和觸摸屏接口：S3C2410A內部有LCD控制器可以支持STN和TFT屏，同時還內置觸摸屏控制器。（9） JTAG接口：聯合測試行動小組（Joint Test Action Group），借助邊界掃描的方式對芯片內部部件進行訪問，可對系統進行調試和編程等[33]。（10） 以太網接口：為系統提供以太網接入的物理通道，通過該接口系統可以以10Mbps的速率接入以太網。（11） 電源管理系統：，I/，同時考慮到其它元器件的工作電壓，還準備了5V電源。 軟件系統設計1） 操作系統選型—嵌入式Linux簡介嵌入式操作系統是嵌入式應用軟件的基礎和開發平臺，在嵌入式系統中扮演著“靈魂”的角色。嵌入式系統中的應用程序必須在極少人工介入的情況下完成高度專業化和實時的工作，這就要求嵌入式操作系統能為之提供高效的服務和有力的支持。嵌入式系統的硬件資源環境一般比較苛刻，嵌入式微處理器和微控制器的內存一般都不大，要在緊張的資源下完成復雜的功能，要求嵌入式系統軟件必須盡量的小巧、穩定和高效。嵌入式Linux操作系統是將日益流行的Linux操作系統進行裁剪、修改，使之能在嵌入式系統上運行的一種操作系統。其功能強大的內核，性能高效、穩定、易定制、易裁減、硬件支持廣泛、多任務的特點，完善的網絡通訊、圖形、文件管理機制和大小、功能都可定制的內核等優點，結合其所獨具的免費、開放源代碼等特征使其在嵌入式開發領域穩步發展?；贚inux以上特點，本設計選擇了嵌入式Linux操作系統[34,35]。2） 編譯器的選型和交叉開發環境的建立本系統編譯器選擇ADS Debugger。ADS(ARM Developer Suite)是為嵌入式ARM設計的一整套軟件開發工具，支持包括Windows和UNIX/Linux在內的多種操作系統。ADS主要模塊包括：ANSI C編譯器(armcc和tcc)、ISO/嵌入式C++編譯器(armcpp和tcpp)、ARM/Thumb匯編器(armasm)、鏈接器(armlink)、Windows集成開發環境(CodeWarrior)、調試器(AXD)、格式轉換器(fromelf)、庫管理器(armar)、C和C++庫[36]。嵌入式系統的開發一般采用交叉開發的方法。就是說用于開發的主機(簡稱Host)與目標主機(簡稱Target)采用不同體系結構的硬件與軟件系統。本設計選用基于Intel x86體系結構的PC機作為開發主機，開發軟件包括編譯器、鏈接器和其它工具等均運行于Windows操作系統下；同時，嵌入式控制模塊作為目標主機，來進行系統的開發和調試。 硬件電路設計 方案設計1） 供電方案電源設計主要有三個方面的要求，第一，電源要提供滿足整個電路板各模塊所需的功率（電流）；第二，電源的穩定度要滿足一定要求；第三，散熱良好。否則，即使系統可以工作也可能造成系統不穩定或者性能變差，甚至導致一些不確定的問題。嵌入式控制模塊的供電方案如圖 32所示。圖 32 嵌入式控制模塊供電方案模塊功耗估計：嵌入式控制模塊主要器件功耗如表 31所示，整個嵌入式控制模塊需要3種電源：5V。表 31 嵌入式控制模塊的主要器件功耗表器件型號電壓（V）電流（mA）功耗（mW）數量（個）S3C2410AI1：50181。A@I2：200mA@6601K9F1208U0B20661K4S561632CTC7580@2642CS8900A451UDA1341TS1MAX708S4711MAX32325331需要對該表和表中打@的數據作以下說明：（1） 表中的數據是通過查詢器件手冊后計算所得，有些數據并不是十分精確。（2） S3C2410A中I1和I2分別表示芯片待機和主頻在200MIPS，所有外設開啟時的工作電流，這里的電流包括內核、IO以及芯片內部其它模塊的總電流。（3） K4S561632CTC75中功耗264mW是芯片靜態工作時的功耗。由表 31可以估算出嵌入式控制模塊的總功耗：Ptotal=660+66+264*2+++471+533=2494mW。基于上述估算的功耗需求，設計嵌入式控制模塊的供電方案如圖 32所示。LM2651由外部5V直流電壓輸入，。電源芯片的基本參數如表 32所示表 32 電源芯片的基本參數表器件類型輸入電壓（V）輸出電壓（V）輸出最大電流（A）效率ηLM2651ADJ4～14ADJ（）97%～16177。180mA94%對比上面的功耗估計以及電源器件的參數，可以看出，所選電源器件都有一定的裕量，這是考慮設計初始階段的功耗估計可能會有一定偏差，同時也是為使本模塊具有一定擴展空間。2） 時鐘方案在電路設計中，時鐘是決定設計成敗的又一關鍵，尤其是多時鐘系統。在本模塊中涉及時鐘的主要有4部分：CPU工作時鐘、RTC時鐘、USB功能時鐘和以太網芯片工作時鐘。采取的時鐘方案如圖 33所示，其中12MHz無源晶振輸出時鐘信號到CPU，通過CPU內部的MPLL倍頻到203MHz的工作頻率；通過CPU內部的UPLL倍頻產生USB的工作時鐘；；以太網控制芯片CS8900A的工作時鐘由20MHz無源晶振提供。圖 33 時鐘方案3） 接口方案嵌入式控制模塊的接口包括控制模塊與基帶處理模塊的通信接口、與上位機通信接口以及人機交互接口。其中控制模塊與基帶處理模塊的通信接口是基于HPI接口設計的，其在硬件板上表現為72針金手指接口；與上位機通信接口包括串口、USB和以太網接口；人機交互接口主要是液晶屏和觸摸屏接口，在硬件板上表現為38腳插針接口。嵌入式控制模塊的接口方案如圖 34所示。圖 34 接口方案嵌入式控制模塊上除了上述接口外，還包括一個5V/3A的電源插槽和一個音頻接口。 最小系統接口電路設計嵌入式最小系統由嵌入式處理器運行所必需的電路和處理器本身構成。處理器運行所必需的電路包括給它提供電源、時鐘、復位和存儲其系統電路。以下分別對嵌入式控制模塊最小系統的各部分電路分別進行介紹。1） 電源電路設計電源部分為整個系統供電，保證CPU在高頻、大電流的情況下穩定地工作，同時也是整個系統信號強度最強的地方，處理的不好會產生串擾效應，影響到弱信號的數字電路部分，因此這部分的電路設計要求比較高。電源部分需要考慮到器件特性、PCB特性、穩定性、散熱、抗干擾等多方面的因素。在本系統中，需要使用5V，可參看電源部分設計方案圖 32和原理圖 35。5V輸入電壓可由外部直流穩壓輸入或者通過基帶處理母板供電，在設計中通過跳線選擇5V輸入電壓源。圖 35 系統電源電路圖圖 35中，（LDO）選用LM2651穩壓芯片，，輸出電壓紋波小于24mV。還有些器件需要5V電壓供電。，精度在97%以上。此外電源芯片周圍還分布有去耦和濾波作用的電容，用于穩定電壓輸出波形和提高電壓調節的有效性。2） 時鐘電路設計時鐘電路用于向CPU及其他電路提供工作時鐘。S3C2410A需要兩路時鐘輸入：一路是CPU工作時鐘輸入，另一路提供給RTC電路。S3C2410A的時鐘源來自外部晶振（XTIpll）或者外部時鐘（EXTCLK）輸入，這由OM[3:2]的狀態決定，如表 33所示。在nRESET的上升沿，OM3和OM2管腳的電平決定OM[3:2]的狀態?？赏ㄟ^設置OM3，OM2的管腳電平來選擇最終使用哪一個時鐘源。表 33 時鐘源的選擇方式Mode OM[3:2]MPLL StateUPLL StateMain Clock SourceUSB Clock Source00OnOnCrystalCrystal01OnOnCrystalEXTCLK10OnOnEXTCLKCrystal11OnOnEXTCLKEXTCLK在本系統中，通過設置OMOM2的電平為低，使得OM[3:2]=00，來選擇外部無源晶振12MHz作為系統的時鐘源。此時，EXTCLK與電源連接，設置為高電平。12MHz的晶振頻率通過S3C2410A片內的PLL電路倍頻后，得到最高可達到203MHz的系統時鐘。S3C2410A的工作時鐘和實時時鐘輸入電路原理圖如圖 36所示。圖 36 系統時鐘電路圖3） 復位電路設計復位對于一個系統來說很重要，各個單元要進入正常工作狀態，都需要可靠地復位。在本系統中，復位電路主要完成系統的上電復位和系統在運行時用戶的手動復位功能。S3C2410A具有兩個復位源：nRESET引腳和看門狗復位。出于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導致其噪聲容限低，對電源的紋波、瞬態響應性能、時鐘源的穩定性、電源監控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。所以，本系統選用復位芯片由PHILIPS半導體公司生產的帶手動復位功能的MAX708S，此產品體積小、功