基于S3C2440A 嵌入式系统的硬件设计

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- 1 -基于S3C2440A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：lishuliang8888@163.com 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 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http://www.paper.edu.cn

- 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 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 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。 图1 系统硬件结构框图 2.2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芯片提供高达533MHz的时钟频率； http://www.paper.edu.cn

- 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 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，并且内部包含了4K 的Dword SRAM[3]。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 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://www.paper.edu.cn

- 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 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；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 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://www.paper.edu.cn

- 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 I2S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 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://www.paper.edu.cn

- 6 - 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。 4. 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。