【正文】 1 摘 要 近年來(lái)， 32 位嵌入式系統(tǒng)發(fā)展很快， 32 位單片機(jī)已逐漸占領(lǐng) 8 位機(jī)的市場(chǎng)，并以很高的性價(jià)比贏得了越來(lái)越多的用戶青瞇。隨著科技和工藝的進(jìn)步， 32位單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突顯出來(lái)，將會(huì)成為嵌入式系統(tǒng)的主流。在 32 位嵌入式系統(tǒng)中，基于 ARM 的應(yīng)用占據(jù)了大部分份額。 Philips LPC2131 微控制器是內(nèi)置 FLASH 的 32 位 ARM7TDMIS內(nèi)核的 64PIN 微控制器，主頻高達(dá) 60MHz,片上有豐富的資源模塊（如 4路 RTC、 2個(gè)串口、 6 通道 PWM、 2*8通道 10 位 A/D、 1路 D/A等）、可用于工業(yè)控制、汽車、 醫(yī)藥等要求高性能、低功耗環(huán)境。 本次課題是設(shè)計(jì)一個(gè)基于 Philips LPC2131 微控制器的系統(tǒng)板：系統(tǒng)板上具有 2*16字符型 LCD、 2路模擬輸入、一個(gè) GPRS 模塊接口，可完成 A/D 功能，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在 LCD上，并實(shí)現(xiàn)通過(guò) GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 本文首先介紹了 ARM7 內(nèi)核的芯片 LPC2131 的功能及特性，設(shè)計(jì)出電路的總體框架及設(shè)計(jì)方案， 以 PHILIPS LPC2131 開發(fā)板為基礎(chǔ)， 通過(guò)與外圍器件的連接，用 Protel 99SE 繪圖軟件 繪制電路原理圖并將其轉(zhuǎn) 換 為 PCB 板， 經(jīng)過(guò)電路板調(diào)試達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞 ： 嵌入式系統(tǒng)， Philips LPC2131， ARM7TDMIS， GPRS。 2 第 1 章 前言 PHILIPS 公司基于 ARM7TDMIS核、單電源供電和 LQFP64 封裝的 LPC2131，具有 JTAG仿真調(diào)試和 ISP編程等功能。 本次課題是設(shè)計(jì)一個(gè)基于 Philips LPC2131 微控制器的系統(tǒng)板：系統(tǒng)板上具有 2*16字符型 LCD、 2路模擬輸入、一個(gè) GPRS 模塊接口，可完成 A/D 功能，數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在 LCD上，并實(shí)現(xiàn)通過(guò) GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本次設(shè)計(jì)所需的 主要 元件有 Philips LPC213 2*16字符型 LCD、 ZWG22A GPRS 等。 本次設(shè)計(jì) 是以 LPC2131 微控制器為基礎(chǔ)， 通過(guò) 與 相關(guān) 外圍 元 器 件的合理 連接 設(shè)計(jì)出原理圖，經(jīng)過(guò)電路板調(diào)試， 使其 可以在 LCD 上 顯示數(shù)據(jù) ，并通過(guò) GPRS 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 。 3 第 2 章 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) LPC2131 簡(jiǎn)介 概述 ARM7TDMIS 核是通用的 32 位微處理器內(nèi)核，采用馮 .諾依曼結(jié)構(gòu)，具有高性能和低功耗的特性。 ARM 結(jié)構(gòu)是基于精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC—— Reduced Instruction Set Computer）原理 而設(shè)計(jì)的，指令集和相關(guān)的譯碼機(jī)制比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單的多。由此可見(jiàn)，使用一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器核就非常容易實(shí)現(xiàn)很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)。 ARM7TDMIS 使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)就對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出。 ARM7TDMIS 處理器使用了一個(gè)被稱為 Thumb 的獨(dú)特結(jié)構(gòu)化策略，非常適合那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。 LPC2131 特性 特 性 : (1) 32 位 ARM7TDMIS 核，超小 LQFP64 封裝。 (2) 8kB 的片內(nèi)靜態(tài) RAM 和 32kB 的片內(nèi) Flash 程序存儲(chǔ)器 ,128 位寬度接口加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 60MHz 工作頻率。 (3) 通過(guò)片內(nèi) boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程 /在應(yīng)用編程 (ISP/IAP)。 (4) EmbeddedICE RT 和嵌入式跟蹤接口通過(guò)片內(nèi) RealMonitor 軟件對(duì)代碼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)試和高速跟蹤。 (5) 1個(gè) LPC2131 8路 10 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，共提供 16 路模擬輸入，每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間低至 。 (6) 1個(gè) 10 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，可產(chǎn)生不 同的模擬輸出。 (7) 2個(gè) 32 位定時(shí)器 /外部事件計(jì)數(shù)器 (帶 4路捕獲和 4路比較通道 )、 PWM 單元 (6 路輸出 )和看門狗。 (8) 低功耗實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有獨(dú)立的電源和特定的 32kHz 時(shí)鐘輸入。 (9) 多個(gè)串行接口，包括 2 個(gè) 16C550 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) UART、 2 個(gè)高速 I2C 總線 (400 kbit/s)、SPI 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變功能的 SSP。 (10) 向量中斷控制器。可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址。 (11) 小型的 LQFP64 封裝上包含多達(dá) 47 個(gè)通用 I/O 口 (可承受 5V 電壓 )。 (12) 多達(dá) 9 個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外 部中斷管腳。 (13) 通過(guò)片內(nèi) PLL(100us 的設(shè)置時(shí)間 )可實(shí)現(xiàn)最大為 60MHz 的 CPU操作頻率。 (14) 片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為 1～ 30 MHz，與外部振蕩器的操作頻 4 率范圍高達(dá) 50MHz。低功耗模式：空閑和掉電。 (15) 可通過(guò)個(gè)別使能 /禁止外部功能和外圍時(shí)鐘分頻來(lái)優(yōu)化功耗。 (16) 可通過(guò)個(gè)別使能 /禁止外部功能和外圍時(shí)鐘分頻來(lái)優(yōu)化功耗。 (17) 通過(guò)外部中斷或 BOD 將處理器從掉電模式中喚醒。 (18) 單電源，具有上電復(fù)位 (POR)和掉電檢測(cè) (BOD)電路： － CPU 操作 電壓范圍： ~ V ( V177。10%) ， I/O 口可承受 5V的電壓。 引腳分布如圖 21 所示 5 圖 21 引腳分布 外圍電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)是以 LPC2131 微控制器為基礎(chǔ)，加以外圍電路輔助而成，需要的外圍器件如下：電源電路、復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、 2兩路模擬輸入、 JTAG 接口電路、串口及GPRS 接口電路、 A/D 轉(zhuǎn)換電路、 LCD 顯示驅(qū)動(dòng)電路、 ZWG22A GPRS 等。 由于 LCD 顯示屏的工作電壓是 5V，所以電源電路通過(guò) USB 接口直接輸出 5V電壓給LCD 顯示屏，而 LPC2131 的工作電壓是 ，所以電源電路要經(jīng)過(guò) 芯片將其轉(zhuǎn)換為 再提供給 CPU，電源電路還有一路為測(cè)試電壓，可供用戶自由選擇， ADC 6 電路提供的測(cè)試電壓或外部模擬輸入電壓到 CPU 后， CPU 進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，一路通過(guò) GPIO將結(jié)果傳送到 LCD 顯示屏上，一路通過(guò) GPIO 傳送給 UART1，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后傳送到 GPRS器件，由其進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸， JTAG 是仿真調(diào)試接口， URAT0 是通信接口。 原理方框圖 如圖 22所示 ，原理圖如附錄 C所示， PCB 如附錄 D 所示。 U A R T 0U A R T 1Z W G 2 2 A供 電 5 V供 電 3 . 3 VG P I O測(cè) 試 電 壓 或 外 部 模 擬 輸 入調(diào) 試通 信G P I OR S 2 3 2電 源 電 路L C D 器 件L P C 2 1 3 1A D C 電 路J T A G 接 口 圖 22 原理方框圖 硬件原理 電源原理 LPC2131 微控制器的內(nèi)核和 I/O 使用同一電源電壓 ,只需單電源 供電 . EasyARM2131開發(fā)板的電源由 USB接口 CZ1輸入 5V直流電源 ,電感 L3用于限制瞬態(tài)電流 ,經(jīng)過(guò) C16,C20 濾波 ,然后通過(guò) 將電源穩(wěn)壓至 后 ,POWER 燈點(diǎn)亮 .LPC2131 具有獨(dú)立的模擬電源引腳 VDDA、 VSSA,為了降低噪聲和出錯(cuò)幾率 ,模擬電源與數(shù)字電源應(yīng)該隔離 .L1 和 L2就是用于電源隔離的元件 (將數(shù)字電源的高頻噪聲隔離 ). 特點(diǎn)為輸出電流大 ,輸出電壓精度高 ,穩(wěn)定性高 ,可廣泛用在手持式儀表、數(shù)字家電和工業(yè)控制等領(lǐng)域 。 使用時(shí)，其輸出端通常需要一個(gè)至少 10UF 的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。但實(shí)際上，用一個(gè)更小的電容也可，本次設(shè)計(jì)中用了一個(gè) 的鉭電容。 SPX1117為提供多種 3引腳封裝： SOT223， TO252， TO220及 TO263。一個(gè) 10uF的輸出電容可有效地保證穩(wěn)定性，本次設(shè)計(jì)采用的是 SOT223。 電源電路如圖 23所示： 7 圖 23 電源電路 復(fù)位電路 由于 ARM芯片的高速 、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低 ,對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求 .復(fù)位電路使用帶 I2C存儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片 CAT1025JI30,提高了系統(tǒng)的可靠性 。 CAT1025 是基于微控制器系統(tǒng)的存儲(chǔ)器和電源監(jiān)控的完全解決方案。它們利用低功耗 CMOS 技術(shù)將2K 位的串行 EEPOM 和用于掉電保護(hù)的系統(tǒng)電源監(jiān)控電路集成在一塊芯片內(nèi)。 CAT1025 包含 1 個(gè)精確的 Vcc 監(jiān)控測(cè)電路和 2 個(gè)開漏輸出： RESET 和 RESET 。當(dāng) Vcc 低于復(fù)位門檻電壓時(shí)， RESET 引腳將變?yōu)楦唠娖剑? RESET/ 將變?yōu)榈碗娖健?CAT1025 還包含一個(gè)寫保護(hù)輸入 （ WP）。 注意使用該芯片時(shí)，上拉電阻不可以省略。 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 LPC2131可使用外部晶振或外部時(shí)鐘源，內(nèi)部 PLL 電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快 (CPU 最大操作時(shí)鐘為 60MHz)。倘若不使用片內(nèi) PLL 功能及 ISP 下載功能，則外部晶振頻率范圍是 1MHz～ 30MHz，外部 時(shí)鐘頻率范圍是 1MHz～ 50MHz；若使用了片內(nèi)PLL 功能或 ISP 下載功能，則外部晶振頻率范圍是 10MHz～ 25MHz，外部時(shí)鐘頻率范圍是10MHz～ 25MHz。 本次設(shè)計(jì) 使用 的是 外部 晶振 ,用 MHz 晶振的原因是使串口波特率更精確 ,同時(shí)能支持 LPC2131 微控制器芯片內(nèi)部 PLL 及 ISP 功能 。 系統(tǒng)時(shí)鐘電路如圖 24所示： 圖 24 系統(tǒng)時(shí)鐘電路 串口及 GPRS 接口電路 由于系統(tǒng)是 系統(tǒng) ,所以要使用 SP3232E 進(jìn)行 RS232 電平轉(zhuǎn)換 .SP3232E是 3V工作電源的 RS232 轉(zhuǎn)換芯片 。 另外 ,LPC2021 系列 ARM7 微控制器的 UART1 帶有完整的調(diào)制 /解調(diào)器 (MODEM)接口 (部分芯片沒(méi)有 ,如 LPC2131),所以要使用 8路的 RS232轉(zhuǎn)換芯片 8 SP3243E。 SP3222E/3232E 系列是 RS232 收發(fā)器對(duì)便攜式或手持式應(yīng)用如筆記本或掌上型電腦的一種解決方案。 SP3222E/3232E 系列有一個(gè)高效的電荷泵，工作電壓為 時(shí)只需 電容就可進(jìn)行操作。 串口電路如圖 25所示： 圖 25 串口電路 SP3243E 是收發(fā)器 ,用于筆記 本電腦和掌上電腦等便攜式或手持式應(yīng)用中。 SP3243E用一個(gè)內(nèi)部高效的電荷泵 ,在 的電源電壓下只需要 的電容就可以進(jìn)行操作 .SP3243E 包含一個(gè)輔助接收器 ,當(dāng)器件處于關(guān)斷模式時(shí) ,接收器仍能通過(guò)外部器件的響鈴指示器向監(jiān)控器報(bào)警 ,這有助于保護(hù) UART 或串行控制器 IC,保護(hù)二極管的正向偏置。 GPRS 接口電路如圖 26所示 ： 圖 26 GPR