張大磊, 姚 怡

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基于S3C44B0X的電能質(zhì)量分析儀的硬件設(shè)計(jì)

張大磊1, 姚 怡2

(1. 湖南文理學(xué)院 物理與電子科學(xué)學(xué)院, 湖南 常德, 415000; 2. 廣西大學(xué) 計(jì)算機(jī)與電子信息學(xué)院, 廣西 南寧, 530004)

以電能質(zhì)量分析儀的前期開發(fā)板的硬件設(shè)計(jì)為目標(biāo), 根據(jù)嵌入式體系結(jié)構(gòu)和嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原理及相關(guān)芯片手冊(cè), 構(gòu)建了基于Samsung公司S3C44B0X ARM7 TDMI處理器的硬件開發(fā)平臺(tái). 詳細(xì)闡述了構(gòu)建核心系統(tǒng)的過程并根據(jù)需要擴(kuò)展了豐富的接口, 包括存儲(chǔ)模塊、電源、時(shí)鐘、Reset電路、JTAG接口、以太網(wǎng)接口以及擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)方面的LCD接口、觸摸屏接口、USB接口、串行接口, 為后續(xù)開發(fā)奠定了基礎(chǔ).

嵌入式; S3C44B0X; ARM ; 硬件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)具有很強(qiáng)的針對(duì)性, 通常只用來(lái)開發(fā)專用的電子產(chǎn)品. 目前國(guó)內(nèi)普遍認(rèn)為開發(fā)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)以需求為目的, 以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ), 并要為了適應(yīng)電子產(chǎn)品對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗等方面的要求而對(duì)嵌入式的軟件硬件進(jìn)行相應(yīng)裁剪[1].

目前國(guó)內(nèi)嵌入式領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的CPU架構(gòu)主要有: ARM、MIPS、Power PC、x86、Coldfire. 其中ARM以其高性能、低成本、低功耗的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、移動(dòng)式設(shè)備等方面.

SAMSUNG公司的S3C44B0X 16/32位RISC處理器常被設(shè)計(jì)來(lái)為手持設(shè)備提供一個(gè)低成本高性能的解決方案. S3C44B0X基于0.25 μm CMOS工藝制造的ARM7 TDMI內(nèi)核并提供了以下配置：8 kB cache 和可選的內(nèi)部SRAM, LCD控制器(最大支持256色STN, 使用LCD專用DMA), 帶自動(dòng)握手的2通道UART(支持IrDA1.0, 具有16 B FIFO), 1通道SIO, 2個(gè)通用DMA, 2個(gè)外設(shè)用DMA(具有外部請(qǐng)求引腳), 系統(tǒng)管理器(FP/EDO/SDRAM控制器), 帶PWM功能的5通道定時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器, 看門狗定時(shí)器, I/O端口, 具有日歷功能的RTC, 8通道10位ADC, IIC總線接口, IIS總線接口, 同步SIO接口和PLL倍頻器[2].

S3C44B0X功耗很低, 其精簡(jiǎn), 出色和全靜態(tài)的設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)成本和功耗敏感的電子產(chǎn)品開發(fā). 此外因其內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換器, 可以方便地進(jìn)行A/D方面的測(cè)試. 此外S3C44B0X還采用了一種新的總線結(jié)構(gòu)SAMBA II (SAMSUNG ARM CPU embe-dded Microcontroller Bus Architecture), 該架構(gòu)也對(duì)便攜產(chǎn)品的開發(fā)非常適合. 而現(xiàn)在市面上的電能質(zhì)量分析儀大多采用成本高昂的ARM9加DSP, 但對(duì)于電能質(zhì)量的一般性采集分析而言, 選用ARM7也能勝任這樣的工作, 而且ARM7中也不乏S3C44B0X這樣即便宜又高效的開發(fā)板, 而且其板載有A/D輸入端, 只需開發(fā)A/D轉(zhuǎn)換程序即可使用.

綜合考慮到以上各因素, 選擇S3C44B0X為系統(tǒng)核心開發(fā)電能質(zhì)量分析儀, 并以前期開發(fā)所需功能為目標(biāo)進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì).

電能質(zhì)量分析儀核心部分包括：存儲(chǔ)模塊、電源、時(shí)鐘、Reset電路、JTAG接口、以太網(wǎng)接口、串行接口. S3C44B0X內(nèi)置了8通道10位ADC及LCD控制器, 該設(shè)計(jì)為減少外圍電路、增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性起到了一定的作用. 考慮到現(xiàn)今對(duì)數(shù)據(jù)采集手段的不同需求, 還提供了LCD接口、USB接口[3]. 電能質(zhì)量分析儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

1 系統(tǒng)核心部分設(shè)計(jì)

為構(gòu)建一個(gè)高效、穩(wěn)定、價(jià)廉的核心系統(tǒng), 本設(shè)計(jì)遵循的原則為: a. 在滿足性能要求的條件下選用性價(jià)比較高的芯片; b. 盡量選用對(duì)系統(tǒng)緊湊性影響較低的設(shè)計(jì)方案; c. 便于功能擴(kuò)展, 以適應(yīng)多種環(huán)境下的需求.

1.1 存儲(chǔ)模塊

閃存以其制造成本低、體積小、容量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失、可以反復(fù)多次擦寫進(jìn)行測(cè)試的特性, 在嵌入式系統(tǒng)中被做為具有一定靈活性的只讀存儲(chǔ)器. 考慮到將來(lái)寫入系統(tǒng)啟動(dòng)代碼、操作系統(tǒng)內(nèi)核、根文件系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集程序的大小, 為該系統(tǒng)配備2 M字節(jié)大小、16位數(shù)據(jù)寬度的FLASH芯片就夠用了.

在SDRAM的選型上, 考慮到RAM芯片需要不停刷新數(shù)據(jù)帶來(lái)的功耗問題, 選用低功耗產(chǎn)品. 芯片容量大小選擇為8 M字節(jié).

在地址引腳連接上應(yīng)注意, 存儲(chǔ)器地址引腳A0 A1 A2……, 應(yīng)對(duì)應(yīng)S3C44B0X的16位數(shù)據(jù)總線A1 A2 A3……. nGCS6、7不支持DRAM 和SDRAM的組合. 但支持以下組合：DRAM& DRAM, SDRAM&SDRAM, SRAM&SRAM, SRAM &DRAM和SRAM&SDRAM.

1.2 電源、時(shí)鐘、Reset電路、JTAG接口

電源電路采用DC供電(3.3 V), 通過轉(zhuǎn)換芯片產(chǎn)生另一路電壓2.5 V. 其中2.5 V電壓給ARM內(nèi)核供電, 3.3 V給I/O口及外圍電路供電.

時(shí)鐘電路主要由10 MHz晶振組成, 通過設(shè)置PLL寄存器產(chǎn)生66 MHz的時(shí)鐘信號(hào). 時(shí)鐘電路可以為CPU提供時(shí)鐘信號(hào), 而且也能為外圍設(shè)備提供時(shí)鐘信號(hào).

Reset電路通過MAX811/812, 由外部按鍵觸發(fā)使芯片產(chǎn)生一個(gè)有效的nRESET復(fù)位信號(hào). nRESET至少保持5個(gè)時(shí)鐘周期低電平, 當(dāng)其為高電平時(shí), S3C44B0X進(jìn)行初始化操作[4].

S3C44B0X提供芯片上的ICE斷點(diǎn)調(diào)試, 該調(diào)試在開發(fā)初期對(duì)驗(yàn)證程序的正確性起到了至關(guān)重要的作用. 通過相應(yīng)接口可以直接對(duì)CPU內(nèi)部的寄存器進(jìn)行訪問, 實(shí)時(shí)了解程序的動(dòng)態(tài). 通常為此接口連接一個(gè)14路的插座, 這個(gè)插座通過14路IDC線接到ICE模塊. 此外還需設(shè)置一個(gè)開關(guān)用來(lái)在調(diào)試時(shí)斷開nRESET與nTRST的連接.

1.3 以太網(wǎng)接口

Realtek RTL8019AS作為一款全雙工即插即用型的以太網(wǎng)接口芯片被普遍地應(yīng)用在ARM系統(tǒng)中. 它內(nèi)置了16 kB的SDRAM 用于收發(fā)緩沖, 支持IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)(10Base5, 0Base2, 0BaseT), 采用100腳PQFP封裝, 縮小了PCB的體積.

RTL8019AS有3種工作方式：跳線方式、即插即用方式和免跳線方式. 在本設(shè)計(jì)中考慮到成本及系統(tǒng)的緊湊性, 采用跳線方式. RTL8019AS的I/O地址由其引腳(IOS3、IOS2、IOS1、IOS0)決定, 其中斷方式通過芯片引腳(IRQ2、IRQ1、IRQ0)決定, 而其網(wǎng)絡(luò)接口類型則由引腳(PL1、PL0)決定. 外部引腳LED0、LED1、LED3則可以反映網(wǎng)絡(luò)的通訊狀態(tài). RTL8019AS與S3C44B0X的連接見圖2.

圖2 RTL8019AS與S3C44B0X的連接示意圖

1.4 串行接口

S3C44B0X的UART (Universal Asynchronous Reciever and Transmiter)單元提供了2個(gè)獨(dú)立的異步串行I/O端口, 每個(gè)都可以在中斷和DMA兩種模式下工作. 其UART能夠通過產(chǎn)生一個(gè)中斷或DMA請(qǐng)求以實(shí)現(xiàn)CPU跟UART之間的數(shù)據(jù)傳輸. 它能支持的最高波特率為115.2 kB/s. 每個(gè)UART通道包含2個(gè)16字節(jié)的FIFO棧, 它們分別用來(lái)接收和發(fā)送.

本設(shè)計(jì)采用2個(gè)RS232標(biāo)準(zhǔn)串行接口(DB9), 2片MAX3232作為電平轉(zhuǎn)換器, 其中一路用來(lái)接收數(shù)據(jù), 一路用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù). 芯片供電電壓可以選擇3.3 V, 電流僅0.3 mA, 另外需要外接4個(gè)0.1 μF的電容.

2 擴(kuò)展功能設(shè)計(jì)

面對(duì)日益發(fā)展的對(duì)設(shè)備功能的需求, 為了給下一步的開發(fā)提供更多有利的開發(fā)條件, 本設(shè)計(jì)還加入了LCD接口、觸摸屏接口和USB接口.

2.1 LCD接口

S3C44B0X內(nèi)置的LCD控制器將定位在系統(tǒng)存儲(chǔ)器(SDRAM)中的顯示緩沖區(qū)中, 其LCD圖像數(shù)據(jù)傳送到外部LCD驅(qū)動(dòng)器的同時(shí)需要同時(shí)傳送各種相應(yīng)的控制信號(hào). LCD控制器支持從4級(jí)灰度黑白LCD屏到256級(jí)顏色的彩色LCD屏, 并支持4位雙掃描、4位單掃描和8位單掃描的顯示類型.

為突出系統(tǒng)的緊湊性及穩(wěn)定性, 需選用帶LCD驅(qū)動(dòng)器和專門的電壓轉(zhuǎn)換電路的LCD模塊. 本設(shè)計(jì)選用LTBHBT 203G31K接口的LCD典型方案.

2.2 觸摸屏接口

常見的觸摸屏按其工作原理的不同可分為表面聲波屏、電容屏、電阻屏和紅外屏幾種. 各種不同類型的觸摸屏被分別應(yīng)用在不同的場(chǎng)合.

因?yàn)榭紤]到本設(shè)計(jì)中的成本控制和產(chǎn)品耐用性, 所以在設(shè)計(jì)中采用電阻觸摸屏. 該類型觸摸屏最大的特點(diǎn)在于在導(dǎo)電層之上覆蓋有一層防刮層, 使得產(chǎn)品具有密封性好、不怕灰塵、水汽和油污的特點(diǎn). 當(dāng)有外力作用在該觸摸屏上時(shí), 平時(shí)相互絕緣的2層導(dǎo)電層就在觸摸點(diǎn)的位置有了一個(gè)接觸, 這使得底層的電壓由零轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)非零數(shù)值, 然后根據(jù)這個(gè)數(shù)值進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換就可以得到該點(diǎn)的坐標(biāo).

觸摸屏需要專門的控制芯片來(lái)配合使用, 本設(shè)計(jì)選用帶有ADS7843控制芯片的觸摸屏模塊.

2.3 USB接口

USB(Universal Serial BUS)通用串行總線是一個(gè)外部總線標(biāo)準(zhǔn), 它是目前電腦中的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展接口, 被廣泛應(yīng)用于電腦、數(shù)碼相機(jī)、MP3等電子產(chǎn)品. USB定義了標(biāo)準(zhǔn)A型插頭插座、標(biāo)準(zhǔn)B型插頭插座、mini A型插頭插座、mini B型插頭插座. 其后2種對(duì)前2種在體積上進(jìn)行了縮小改進(jìn).

在嵌入式系統(tǒng)前期開發(fā)過程中, 開發(fā)板上普遍采用的是mini B型插座. 這種情況下只需1根一端為標(biāo)準(zhǔn)A型插頭, 另一端為mini B型插頭的USB連接線就可以實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與開發(fā)板的USB通信.

USB設(shè)備端同樣需要用到專門的USB接口芯片. 綜合考慮下本設(shè)計(jì)采用USBN9603及mini B型插座(常見4pin、5pin接口). 需要注意的是插座D與芯片的3.3 V輸出端之間有一個(gè)1.5 kΩ的電阻, 其阻值范圍必須是1.5 kΩ上下浮動(dòng)5%, 否則設(shè)備將無(wú)法被PC或HUB檢測(cè)到.

3 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了基于S3C44B0X ARM7 TDMI的手持式電能質(zhì)量分析儀的硬件設(shè)計(jì)部分, 硬件實(shí)現(xiàn)的電路簡(jiǎn)單, 可靠性高, 而且成本得到了很好的控制, 有一定的實(shí)用價(jià)值. 產(chǎn)品使用起來(lái)也會(huì)即經(jīng)濟(jì)又方便. 而且由于采用市場(chǎng)上成熟的芯片作為開發(fā)對(duì)象, 使得系統(tǒng)運(yùn)行起來(lái)也很穩(wěn)定, 是可行的一套嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用方案. 總之是用較為低廉的成本解決了電能質(zhì)量的數(shù)據(jù)采集問題, 并為后續(xù)的開發(fā)奠定了一定的硬件基礎(chǔ).

[1] 劉淼. 嵌入式系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)與Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)[M].北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

[2] 唐明軍, 楊潤(rùn)賢. 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用, 2009, 28(10): 100-103.

[3] 張志偉. 基于ARM和Linux的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù), 2009(11): 54-55.

[4] 陳平, 歐陽(yáng)斌林. 基于ARM的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 29(4): 99-101.

The hardware design of power quality analyzer based on S3C44b0X

ZHANG Da-lei1, YAO Yi2

(1. Department of Physics and Electronics Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China; 2. School of Computer, Electronics and Information Guangxi University, Nanning 530004, China)

Takes embedded power quality analyzer predevelopment as final development target, according to embedded architecture, design principlesof embedded system and related manuals, a development platform of embedded system is developed which uses the S3C44B0X as its embedded microprocessor.It expound the process of building a core system detailedly and in accordance with the need to expand the rich interfaces, including memory modules, power, clock, Reset circuit, JTAG and Ethernet interface, as well as the expansion of functional design including LCD、touchscreen、USB and serial interface, it lay the foundation for follow-up development.

embedded system; S3C44B0X; ARM; hardware design

TP 391.7

A

1672-6146(2010)02-0061-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.02.016

2010-04-28

湖南文理學(xué)院青年專項(xiàng)基金項(xiàng)目(30020092012)

張大磊(1979-), 男, 碩士研究生, 主要研究方向是嵌入式、計(jì)算機(jī)模擬和人工智能.