【文章內(nèi)容簡介】 N 3A 1 2 I N 2A 1 2 I N 1A 1 2 I N 01 0 u FG N D _ A D 1 21 0 3V D D 5G N D _ A D 1 2 圖 環(huán)境參數(shù)采集電路 MAX197 的片選 、 讀 、 寫引腳分別 與 ARM 控制器 BANK2 的 nGCS nWE和 nOE 相連接。而 MAX197 的使能信號引腳則與地址最低位 ADDR0 相連，因為數(shù)據(jù)的存儲是 16 位的，即當 ADDR0 為 0 時先發(fā)送低 8 位數(shù)據(jù)，然后地址加 1，指向下一個存儲區(qū)域，此時 ADDR0 為 1，再發(fā)送高 8位數(shù)據(jù)到此存儲區(qū)域即可。 高壓調(diào)節(jié)控制則是通過 DAC7731 完成，將希望加載到模塊上的電壓值通過界面輸入，然后經(jīng)過 DAC7731 進行數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)化，最后將得到的值作為高壓模塊的控制輸入信號。 嵌入式控制器總體設計 嵌入式數(shù)據(jù)采集控制器是整個系統(tǒng)的控制核心 ，它完成了對離子遷移譜儀相關參數(shù)的數(shù)據(jù)采集和控制，并通過人機界面進行交互。它的總體設計如圖 所示。微控制器采用三星公司的 ARM7 系列的 S3C44B0X，負責對各單元電路進行控制；人機界面采用的是 LCD 和觸摸屏； LCD 使用的是 320 240 象素的 256 色STN 屏，觸摸屏使用的是四線電阻式觸摸屏； FPGA 主要功能是完成主信號的采集 、 觸發(fā)脈沖的產(chǎn)生以及步進電機的驅(qū)動脈沖；串口通信方式為 RS232，設計了兩路串口，其中一路和 PC 機進行通信，在調(diào)試階段打印調(diào)試信息；另外一路預留，通過擴展系統(tǒng)軟件功能可以和 PC 機 進行通信，使系統(tǒng)接受 PC 機控制。 基于 ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研制 微 處 理 器 （ S 3 C 4 4 B 0 X ）F P G AA / DF l a s h2 M BS D R A M3 2 M B串 口U A R T觸 摸 屏液 晶 屏L C DD / AJ T A G數(shù)字I/O口 圖 嵌入式控制器總體設計 本系統(tǒng)設計有兩個 A/D 轉(zhuǎn)換電路，一個采集主離子信號，另一個采集各個環(huán)境參量。電磁閥電路使用 8 路數(shù)字 I/O 口中的 3 路，接近開關使能信號占用 1 路數(shù)字 I/O 口，而其他 4 路預留，用于功能擴展。 本章小結(jié) 本章介紹了整個系統(tǒng)的總體設計，對系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)分別從 離子遷移譜模塊電路和 嵌入式控制系統(tǒng)電路兩方面進行了詳細的介紹 。同時給出了離子遷移譜模塊和嵌入式控制模塊之間的通信簡圖，使讀者能更容易 地理解兩模塊之間的關系。最后介紹了嵌入式控制器的總體設計，對各功能單元只是進行了簡單的描述， 具體的實現(xiàn)細節(jié)將在后面的章節(jié)詳細描述。 第三章 基于 ARM 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 第三章 基于 ARM 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 核心板電路設計 嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按其執(zhí)行功能分成兩個部分：核心板和擴展板。核心板完成系統(tǒng)最基本的功能，其硬件設計相對固定，只需要改變軟件代碼便可以實現(xiàn)不同的功能；擴展板和受控對象連接，針對不同的受控對象需要作相應的硬件改動。這樣的硬件設計有利于系統(tǒng)硬件的升級，控制不同對象的時候只需更改擴展板電路和系統(tǒng)軟件。 S3C44B0X 微處理器 核心板的主控制芯片采用了 ARM系列的微控制器 S3C44B0X。 ARM 是 Advanced RISC Machines 的縮寫，既可以認為是一家公司的名字，也可以認為是對一類微處理器的通稱，還可以認為是一種技術的名字。 ARM 公司1991 年成立于英國劍橋，專門從事基于 RISC 技術芯片的設計和開發(fā)，主要出售ARM 技術知識產(chǎn)權(quán) (Intelligence Patent,簡稱 IP)核的授權(quán)。作為一家 IP 核供應商，ARM 公司本身不直接從事芯片生產(chǎn)，通過轉(zhuǎn)讓設計許可，由合作公司根據(jù)各自不同的應用領域，加入 適當?shù)耐鈬娐?，形成自己?ARM 微處理器芯片進入市場。目前比較流行的 ARM 的 IP 核有 ARM7TDMI， StrongARM， ARM720T， ARM9TDMI，ARM922T, ARM940T, ARM946T, ARM966T， ARM10TDMI 等。 它們每秒可以處理 6000萬至 億條指令，不同的授權(quán)廠商提供了不同的外設 ,支持高端、中端、低端產(chǎn)品，可供選擇的余地很大，極大的滿足了各類應用方案的設計。 S3C44B0X 是 Samsung 公司推出的 16/32 位采用了 ARM7TDMI 核的 處理器，它為嵌入式系統(tǒng)和一般 類型的應用提供了高性價比的微控制器解決方案。為了降低系統(tǒng)成本和減少外圍器件， S3C44B0X提供了豐富的內(nèi)置部件，包括 :8KB Cache、內(nèi)部 SRAM, LCD 控制器、帶自動握手的 2 通道 UART、 4通道 DMA、外部存儲器控制器 (片選邏輯， FP/ EDO/ SDRAM)、帶有 PWM 功能的 5 通道定時器、 71個通用 IO 口、實時時鐘 (RTC)、 8通道 10 位 ADC、 8個外部中斷源、 I2C 總線控制器、 I2S 總線控制器、同步 SIO 接口和 PLL 倍頻器等。此外， S3C44B0X 還采用基于 ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研制 了一種新的總線結(jié)構(gòu)，即 SAMBA II(三星 ARM CPU 嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu) )。S3C44B0X 通過提供全面的、通用的片上外設，大大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置， 從而最小化了系統(tǒng)的成本 [3]。 S3C44B0X 存儲系統(tǒng) 在系統(tǒng)復位的時候， S3C44B0X的程序（ PC） 指針被設置成 0，使程序跳轉(zhuǎn)到0x0000_0000處開始執(zhí)行。該地址對應的是 Bank0， Bank0是與 ROM相連接的。 ROM中存儲有系統(tǒng)的初始化程序，負責配置處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、工作模式以及自動檢測嵌入式控制器的各個硬件是否工作正常。然后系統(tǒng)開始運行。 S3C44B0X復位后的存儲器映射圖如圖 。 圖 S3C44B0X復位后的存儲器映射 S3C44B0X的存儲器控制系統(tǒng)具有以下特點： ? 支持數(shù)據(jù)存儲的大 /小端選擇（通過外部引腳實現(xiàn)）； ? 地址空間：具有 8個 Bank，每個 Bank可達 32MB，總共可達 256MB； ? 每個 Bank的數(shù)據(jù)寬度均可改變（ 8位 /16位 /32位 ）； ? 8個 Bank中， Bank0～ Bank5支持 ROM和 SRAM， Bank6和 Bank7支持 ROM、SRAM和 FP/EDO/SDRAM等； ROM 接口電路 [4] S3C44B0X 內(nèi)部沒有 ROM，所以擴展了一塊 FLASH 存儲器，用于在系統(tǒng)掉第三章 基于 ARM 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 電以后保存系統(tǒng)的代碼和數(shù)據(jù)。 ROM 采用的 FLASH 芯片是 SST 公司的SST39VF1601，容量為 16Mbit( 16)。其數(shù)據(jù)總線和地址總線和 S3C44B0X 的數(shù)據(jù)和地址總線相連，讀、寫和 S3C44B0X 的讀、寫引腳相連。需要注意的是數(shù)據(jù)寬度不同時，地址總線的連接也不同，在設計時要詳細參考 S3C44B0X 的數(shù)據(jù)手冊。由于 SST39VF1601 作為系統(tǒng)的 ROM 使用，它包含了系統(tǒng)的啟動代碼，系統(tǒng)復位以后 PC 指針需要指向 SST39VF1601 中起始的程 序代碼，所以必須將SST39VF1601 的片選信號和 S3C44B0X 的 nGCS0 相連，以使 SST39VF1601 映射到系統(tǒng)存儲器中的 Bank0，起始地址為 0x0000_0000，接口電路如圖 所示 。 圖 ROM 存儲器接口電路 在讀取 Bank0 中的數(shù)據(jù)之前需要確定其數(shù)據(jù)寬度，這是由 S3C44B0X 的OM[1:0]引腳在外部硬件上確定。當 OM1=0， OM0=1，則 Bank0 的數(shù)據(jù)寬度為 16位。本次設計選擇的 Bank0 的數(shù)據(jù)寬度即為 16 位，因此 SST39VF1601 的 47 引 腳需接高電平，表示數(shù)據(jù)寬度為 16 位。 基于 ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研制 RAM 接口電路 RAM 作為整個系統(tǒng)的內(nèi)存，需保證有足夠大的空間。本設計中不但數(shù)據(jù)要保存在 RAM 中，而且當系統(tǒng)啟動時還要將整個 uC/OSII 操作系統(tǒng)從 FLASH 中搬運到 RAM 里運行，主要是因為 RAM 的存取速度比 FLASH 快的多。所以系統(tǒng)初始化后，都將保存在 ROM 中的代碼和數(shù)據(jù)裝載入 RAM 進行執(zhí)行。 S3C44B0X 集成了 RAM 的控制器，支持多種不同類型的 RAM。本系統(tǒng)采用的 RAM 為 Hynix 的HY57V561620，為 268,435,456 bit (4Banks 4M 16Bit)的 CMOS SDRAM。和 ROM 一樣，數(shù)據(jù)寬度不同時需要注意地址總線的連接方式。在本設計中采用的是 16 位數(shù)據(jù)總線的接口方式，并將 HY57V561620 映射到 S3C44B0X 存儲器系統(tǒng)中的 Bank6 中，字節(jié)地址空間為 0x0c00_0000~0x0c7f_ffff，接口電路如圖 所示 。 圖 RAM 存儲器接口電路 由于內(nèi)部有 4 個 Bank，所以用 HY57V561620 的 20， 21 引腳來標識對哪個Bank 進行操作。因為 HY57V561620 的存儲配置為 (4M 16 4B) 1，根據(jù)第三章 基于 ARM 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 S3C44B0X 的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定， HY57V561620 的 BA0、 BA1 引腳應該與 S3C44B0X的地址線 ADDR2 ADDR24 相連接。 系統(tǒng)電源設計 系統(tǒng)的電源設計對于整個系統(tǒng)來說至關重要，好的設計可以使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定。相反，如果設計時考慮不周到，整個電源系統(tǒng)可能會受到干擾甚至不能正常工作，系統(tǒng)電源設計電路如圖 所示 。 圖 系統(tǒng)電源 電路 S3C44B0X的內(nèi)核工作電壓為 ， I/O口工作電壓為 。工作所需的電源由 DC－ DC轉(zhuǎn)換器提供。采用的電源器件 為 AMS公司的 AMS1117，其產(chǎn)品系列可以提供 ，輸出電流可以達到 1A。 圖 5V到 5V到 ， VDD5為來自開關電源的 +5V直流電壓，在其進入 PCB板的地方采用了兩個 22uF的電解電容進行去耦。在 AMS1117的輸入和輸出端采用100uF， 47uF的 鉭 電容和一個 104電容用以消除噪聲的影響。 晶振及復位電路 S3C44B0X 芯片需要兩個晶振，一個 給內(nèi)核提供時鐘，一個給 RTC（實時時鐘）提供時鐘，二者均采用無源晶振其值分別為 10MHz 和 ，如圖 所示。其中 Y1 為內(nèi)核時鐘晶振， Y2 為 RTC 時鐘晶振。 S3C44B0X 中有一個PLL(PHASELOCKEDLOOP)鎖相環(huán)電路，可以將時鐘倍頻，倍頻后最高工作頻率可以達到 66MHz。具體使用晶振時鐘還是外部時鐘，由 S3C44B0X 的 OM[3:2]引腳在外部硬件上確定。當 OM3=0， OM2=0，則使用的是外部晶振時鐘，此時鎖相環(huán)使能。 基于 ARM 的嵌入式數(shù)據(jù)采集與顯示系統(tǒng)研制 圖 系統(tǒng)時鐘 電路 系 統(tǒng)復位電路實現(xiàn)系統(tǒng)上電復位和用戶按鍵復位的功能。采用了較為簡單的RC 復位電路，如圖 所示。在系統(tǒng)上電以后電源電流流經(jīng) R1 給 C9 充電。在充電過程中， 74HC04 的 1 端未達到閾值電平前的這段時間內(nèi)， nRESET 為低電平，系統(tǒng)復位。一段時間后 74HC04 的 1 端充電到 ， nRESET 為高電平進入工作狀態(tài)。 S3C44B0X 要求系統(tǒng)復位時 nRESET 保持至少四個 MCLK 周期。兩級非門電路用于按鈕去抖動和波形整形，所以要合理選擇 R1 和 C9 的值，經(jīng)使用證明復位電路的工作是可靠的。 圖 系統(tǒng)復 位 電路 JTAG 接口電路 JTAG 接口電路用來連接仿真器進行代碼的實時調(diào)試和程序的燒寫，本設計中JTAG 接口 主要是配合簡易仿真板調(diào)試程序，以及完成最底層的固件程序的燒寫，具體電路如圖 所示 。根據(jù) S3C44B0X 的數(shù)據(jù)手冊規(guī)定， nTRST、 TMS、 TCK和 TDI 引腳都必須接一個 10K 的上拉電阻。 第三章 基于 ARM 的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設計 圖 JTAG 接口 電路 觸摸屏接口電路 [5][6] 電阻式觸摸屏是一種傳感器，它將矩形區(qū)域中觸摸點 (X,Y)的物理位置轉(zhuǎn)換為代表 X 坐標和 Y 坐標的電壓。這種屏幕可以用四線、五線 、七線或八線來產(chǎn)生屏幕偏置電壓，同時讀回觸摸點的電壓。 本文使用的觸摸屏為四線電阻式觸摸屏，它包括上下疊合的兩個透明層，這兩個透明層由具有相同表面電阻的透明阻性材料組成。其中一層在左右邊緣各有一條垂直總線，另一層在底部和頂部各有一條水平總線，見圖 。為了在 X 方向進行測量，將左側(cè)總線偏置為 0，右側(cè)總線偏置為 VREF；將底部或頂部總線連接到 ADC（ A/D 轉(zhuǎn)換器），當 X 層和 Y 層由于觸摸屏被按下而接觸時即可作一次測量。在 Y 方向的測量和 X 方向原理相同。 Y+YX+XX層 Y層 圖 觸