【文章內容簡介】 處理器包含一系列內核結構，以適應不同的應用領域，用戶如希望使用WinCE或標準Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU(Memory Management Uinit)功能的ARM芯片。由于本系統(tǒng)需要在Linux操作系統(tǒng)上運行應用程序，所以需要選擇一款帶有MMU功能的、能夠完全支持Linux的ARM微處理器。(2)系統(tǒng)的工作頻率。系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、DART、DSP、音頻等功能提供不同頻率的時鐘。(3)片內外圍電路的選擇。除ARM微處理器核以外，幾乎所有的ARM芯片均根據各自不同的應用領域，擴展了相關功能，并集成在芯片之中，我們稱之為片內外圍電路，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，設計者應分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內外圍電路完成所需的功能，這樣既可以簡化系統(tǒng)的設計，同時也提高系統(tǒng)的可靠性。(4)軟件支持工具。僅有處理器，沒有較好的軟件開發(fā)工具的支持也是不行的，因此選擇合適的軟件開發(fā)工具對系統(tǒng)的實現會起到很好的作用。(5)是否內置調試工具。處理器如果內置調試工具可以大大縮短調試周期，降低調試的難度。 S3C2410微處理器介紹本系統(tǒng)的硬件設計中，最重要的部分就是中央處理器S3C2410X，因此在實現系統(tǒng)功能前，首先要了解它的功能與特性。S3C2410X微處理器是一款由Samsung公司為手持設備設計的低功耗、高集成度的基于ARM920T核的微處理器，適用的產品包括POS、PDA、EBOOK、GPS、智能電話、電子書包、機頂盒、手持游戲機、電子相冊、多媒體產品、視頻監(jiān)控、智能控制儀表等。它采用272腳FBGA封裝，內含一個ARM920T內核，支持的系統(tǒng)包括Wince、Linux等。為了降低系統(tǒng)總成本和減少外圍器件，S3C2410X微處理器中還集成了以下部件：16KB指令Cache、MMU、外部存儲控制器、LCD控制器（支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏）、NAND Flash控制器、4個DMA通道、3個UART通道、1個I 2C總線控制器、1個I 2S總線控制器，以及4個PWM定時器和1個內部定時器、通用I/O、8通道10位ADC、觸摸屏接口、USB主、USB從、SD/MMC卡接口等。在時鐘方面S3C2410X也有突出的特色，該芯片集成了一個具有日歷功能的RTC和具有PLL(MPLL和UPLL)的芯片時鐘發(fā)生器。MPLL產生主時鐘，能夠使處理器工作頻率最高達到203MHz。這個工作頻率能夠使處理器輕松運行Wince、Linux等操作系統(tǒng)以及進行較為復雜的信息處理。UPLL產生實現主從USB功能的時鐘。S3C2410X對于片內的各個部件采用了獨立的電源供給：，I/。其最小系統(tǒng)詳見附錄二。GPS公交自動報站系統(tǒng)硬件上以ARM9 S3C2410X處理器為核心，根據系統(tǒng)功能實現的需要包含以下組成模塊：電源、復位電路、時鐘電路、GPS模塊、Flash/RAM存儲器、JTAG口、串行接口、USB接口、觸摸屏接口電路、音頻電路等。S3C2410XGPS模塊串行接口USB接口JTAG接口電源音頻電路觸摸屏FLASH/RAM存儲器時鐘電路復位電路 嵌入式公交自動報站系統(tǒng)硬件原理框圖對于電源控制邏輯，S3C2410具有各種電源管理方案，對于每個給定的任務都具有最優(yōu)的功耗，在S3C2410中的電源管理模塊具有正常、慢速模式、空閑模式好掉電模式4種有效模式。在正常模式，電源管理模塊為CPU和S3C2410種的所有外圍設備提供時鐘，在這種模式下，由于所有的外圍設備都處于開啟狀態(tài)，因此功耗達到最大。用戶可以通過元件來控制外圍設備的操作。慢速模式又稱為PLL模式。與正常的模式不同，在慢速模式下不使用PLL，而使用外部時鐘（XTIPLL或EXTCLK）直接作為S3C2410中的FCLK，在這種模式下，功耗大小僅僅取決于外部時鐘的頻率，功耗與PLL無關。在掉電模式下，電源管理模塊斷開內部電源，因此，除喚醒邏輯以外，CPU和內部邏輯都不會產生功耗。激活掉電模式需要兩個獨立的電源，一個電源為喚醒邏輯供電；另一個電源為包括CPU在內的其他內部邏輯供電，并且這個電源開/關可以控制，在掉電模式下，為CPU和內部邏輯供電的電源關斷。通過EINT[15:0]或RTC報警中斷可以從掉電模式喚醒S3C2410。在實際應用中，電源由車載電瓶提供的24V電壓輸入，經穩(wěn)壓芯片7805將電壓降至5V輸出。，系統(tǒng)掉電時后備電源開始工作，以供RTC電源所需，同時使用發(fā)光二極管指示電源狀態(tài)。電源管理功能框圖（）和系統(tǒng)的電源電路設計（）如下所示： 圖 ，（等價于4個二極管串聯(lián)）降壓后得到的， RTC電路的電壓原理圖l 復位電路的設計在嵌入式應用系統(tǒng)的設計中，ARM處理器的復位類型包括上電復位、外部硬件復位、內部硬件復位、JTAG復位、外部軟件復位和內部軟件復位等。復位的目的是為了在仿真時將設計強制定位在一個可知狀態(tài)，因此，合理選擇復位方式是電路設計的關鍵。為保證ARM芯片在電源未達到所要求的電平時，不會產生不受控制的狀態(tài)，必須在系統(tǒng)中加入電源監(jiān)控和復位電路，由該電路確保在系統(tǒng)加電過程中，在內核電壓和外圍端口電壓達到要求之前，ARM芯片始終處于復位狀態(tài)，直到內核電壓和外圍端口電壓達到要求的電平。： 復位原理圖 IMP811T的引腳說明引腳功能GND接地RESET復位輸出端。系統(tǒng)上電、手動復位或者電壓波動低于標稱值時會輸出最少140ms低電平脈沖MR手動復位輸出端。當本管腳接地時，RESET端產生復位信號Vcc電源輸入IMP811的復位電平門根據其型號后綴有6種規(guī)格。若采用的是IMP811T。 IMP811的規(guī)格后綴LMJTSR電壓/Vl 時鐘電路的設計CPU部分需要兩路時鐘電路，一路是CPU工作時鐘輸入，另一路是供給RTC電路。CPU工作時鐘有一個源晶振，無需外部電容，直接輸出12MHz時鐘信號到CPU，由CPU內部PLL倍頻到200MHz。 時鐘電路原理圖 JTAG調試接口電路的設計JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動小組)是一種國際標準測試協(xié)議，主要用于芯片內部測試及對系統(tǒng)進行仿真、測試，JTAG技術是一種嵌入式調試技術，它在芯片內部封裝了專門的測試電路TAP(Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對內部節(jié)點進行測試。標準的JTAG接口是4線：TMS，TCK，TDI，TDO，分別為測試模式選擇、測試時鐘、測試數據輸入和測試數據輸出。通過JTAG接口，可對芯片內部的所有部件進行訪問，因而是開發(fā)調試嵌入式系統(tǒng)的一種簡潔高效的手段。JTAG接口還常用于實現ISP(InSystem Programmable，在系統(tǒng)編程)功能，如對FLASH器件進行編程等。JTAG調試方法主要通過ARM芯片的JTAG邊界掃描進行調試。JTAG仿真器比較便宜，連接方便，通過現有的JTAG邊界掃描口與ARM處理器通信，屬于完全非插入式(即不使用片上資源)調試，它無需目標存儲器，不占用目標系統(tǒng)的任何端口，而這些是駐留監(jiān)控軟件所必需的。另外，由于JTAG調試的目標程序是在目標板上執(zhí)行，仿真更接近于目標硬件，因此許多接口問題，如高頻操作限制、AC和DC參數不匹配、電線長度的限制等被最小化了。缺點是需要工作基本正常（至少MCU工作正常）的目標板，僅適用于有調試接口的芯片。在本設計中，采用14腳JTAG仿真接口，電路圖設計圖如下： JTAG電路原理圖： JTAG各個引腳及其定義引腳1/13 2/4/6/8/10/1435791112名稱VDDGNDnTRSTTDITMSTCKTDONC定義接電源接地測試系統(tǒng)復位信號測試數據串行輸入測試模式選擇測試時鐘測試數據串行輸出未連接芯核邏輯旁路寄存器TAP寄存器指令寄存器器件ID寄存器輸入使能I/O輸出TDITMSTCKTRSTTDO輸入使能 JTAG調試接口示意圖 SDRAM/FLASH模塊的設計Flash存儲器是一種可在系統(tǒng)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦寫速度快并且可由內部嵌入的算法完成對芯片的操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到廣泛的應用。作為一種非易失性存儲器，Flash在系統(tǒng)中用于存放程序代碼、常量表以及一些在系統(tǒng)掉電后需要保護的用戶數據等。與Flash存儲器相比較， SDRAM不具有掉電保持數據的特性，但其存取速度大大高于Flash存儲器，且具有讀/寫的屬性，因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運行空間，數據及堆棧區(qū)。當系統(tǒng)啟動時，CPU首先從復位地址0x0處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應調入SDRAM中運行，以提高系統(tǒng)的運行速度，同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數據也都放在SDRAM中。本系統(tǒng)中采用的Flash芯片是Samsung公司的K9F2808U。該器件存儲容量為16M8位，除此之外還有512K8位的空閑存儲區(qū)。~。8位I/O端口采用地址、數據和命令復用的方法，這樣既可減少引腳數，又可使接口電路簡潔。HY57V561620是一款高速的同步動態(tài)SDRAM存儲器。由于其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內部的控制系統(tǒng)完成，因而使用非常簡單。每片HY57V561620為4M16Bit4Banks，由兩片組成32位模式，合計容量64MB。對于普通的視頻應用綽綽有余，并且它加快了存取速度，因此可以在多媒體系統(tǒng)、視頻采集與編輯系統(tǒng)等方面廣泛應用。 SDRAM/FLASH存儲接口電路設計 串行通信模塊的設計在本系統(tǒng)中，主控制芯片與GPS模塊通信采用串口通信，目前RS232是PC機中應用最廣泛的一種串行接口，它被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。早期它被應用于計算機和終端通過電話線和MODEM進行遠距離的數據傳輸，隨著微型計算機和微控制器的發(fā)展，近距離也采用該通信方式。在近距離通信系統(tǒng)中，不再使用電話線和MODEM，而直接進行端到端的連接。RS232C標準采用的接口是9芯或25芯的D型插頭，常用9芯D型插頭。本系統(tǒng)的串口0即采用的9芯D型插頭，用于與PC機的通信，便于調試。要完成最基本的串行通信功能，實際上只需要RXD、TXD和GND即可，但由于RS232C標準所定義的高、低電平信號與S3C2410X系統(tǒng)的LVTTL電路所定義的高、低電平信號完全不同LVTTL的標準邏輯“1”對應2V~，標準邏輯“0”對應+5V~+15V電平，顯然，兩者間要進行通信必須經過信號電平的轉換，這里選用MAX3232。 串行通信原理圖RS232 DB9各引腳的功能如下：l CD 載波檢測，主要用于Modem通知計算機其處于在線狀態(tài)，即Modem檢測到撥號音。l RXD 接收數據線，用于接受外部設備送來的是數據。l TXD 發(fā)送數據線，用于將計算機的數據發(fā)送給外部器件。l DTR 數據終端就緒。當此引腳為高電平時，同時Modem可以進行數據傳輸，計算機已經準備好了。l SG 信號地。l DSR 數據設備就緒。當此引腳為高電平時，通知計算機Modem已經準備好，可以進行數據通信。l RTS 請求發(fā)送。此引腳由計算機來控制，用于通知Modem立即傳送數據至計算機；否則Modem將收到的數據暫時放入緩沖區(qū)中。l CTS 清除發(fā)送。此引腳由Modem控制，用于通知計算機將要傳送的數據送至Modem。l RI 振鈴提示。Modem通知計算機有呼叫進來，是否接聽呼叫由計算機決定。本系統(tǒng)的串口1用于微處理器S3C2410X與GPS模塊之間的通信。由于不需要進行信號電平轉換，所以串口1不用使用MAX3232。 GPS模塊接收原理圖本系統(tǒng)的GPS模塊采用美國Garmin公司的GPS 15模塊。Garmin公司的產品一直以來都是居于領導者的地位。GPS 15系列產品是其新推出的產品。具備12個平行接收頻道，最多能同時解算12顆衛(wèi)星信息，以供快速定位與導航。使用者不需設定初始化，可自動搜尋衛(wèi)星信號，進行定位功能，并輸出NMEA0183標準資訊。所有GPS 15系列產品皆具有低耗電設計。使用讀寫式記憶體設計，內部使用記憶體電池，斷電后儲存資料不流失。~40V的大范圍輸入電壓承載設計及輸出介面選擇，針對不同領域提供全方位更靈活的運用，即便是在公交車上電壓不穩(wěn)定的環(huán)境下也不會受到影響。，與ARM處理器相應管腳連接即可。 GPS模塊接口定義PIN1PIN2PIN3PIN4PIN5PIN6BACKUPGROUNDPOWERTXDRXDRF BIAS系統(tǒng)外擴一個USB口，使用廉價的1GB或2GB的U盤作為海量存儲器來存放站點信息及廣告等多媒體文件。 USB模塊的設計USB通用串行總線支持設備的熱插拔，傳輸速度快，結構簡單。USB設備分為HOST（主設備）和SLAVE（從設備）。S3C2410X提供了方便的USB ，片內包括兩個USB控制器，可設置為2個主設備或1個主設備與1個從設備。只有當一臺HOST與一臺SLAVE連接時才能實現數據的傳輸。因此，本系統(tǒng)的USB接口采用HOST模式，掛載1G的U盤，用來存儲廣告、站點介紹等多媒體文件。 USB接口原理圖IIS(InterIC Sound)總線是Philips公司提出的