【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?xún)r(jià)比贏(yíng)得了越來(lái)越多的用戶(hù)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(chē)、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(kāi)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 LPC2132*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，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(xiàn)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(chēng)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(mén)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(xiàn)(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率范圍高達(dá) 50MHz。低功耗模式：空閑和掉電。4(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(hù)自由選擇，6ADC 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(kāi)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 ,POWER 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 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A(yíng)RM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、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(kāi)漏輸出：RESET 和RESET 。當(dāng)Vcc 低于復(fù)位門(mén)檻電壓時(shí)， RESET 引腳將變?yōu)楦唠娖剑?RESET/ 將變?yōu)榈碗娖?。CAT1025 還包含一個(gè)寫(xiě)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 是 3V工作電源的 RS232 轉(zhuǎn)換芯片。另外,LPC2022 系列 ARM7 微控制器的 UART1 帶有完整的8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 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 GPRS 接口電路 LCD 顯示器驅(qū)動(dòng)電路1．概述人們對(duì)液晶顯示器并不陌生，最常見(jiàn)的有如計(jì)算器、電子表、數(shù)字萬(wàn)用表、電子游戲機(jī)等，顯示的主要是數(shù)字、專(zhuān)業(yè)符號(hào)和固定圖形，因?yàn)槭菍俣问斤@示，顯示內(nèi)容就無(wú)法多