【正文】 、家用網(wǎng)關(guān)等。ARM家族的所有成員都共享同一個(gè)基本指令集即32位ARM指令集，同時(shí)不同的產(chǎn)品又可以有不同的擴(kuò)展指令集，這些擴(kuò)展指令集包括：16位Thumb指令集、DSP擴(kuò)展指令集、SIMD擴(kuò)展指令集和Jazelle擴(kuò)展指令集。ARM指令集是基本指令集，它包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、流程轉(zhuǎn)向、協(xié)處理器指令?，F(xiàn)在面市的ARM產(chǎn)品都支持Thumb指令集，它己經(jīng)成為ARM核的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展指令集[2830]。嵌入式控制模塊中ARM9處理器采用的是韓國(guó)三星公司推出的16/32位RISC處理器S3C2410A，它是一顆主頻高達(dá)203MHz，基于ARM920T內(nèi)核的高性能微處理器，獨(dú)立的16KB指令cache和16KB數(shù)據(jù)Cache、MMU虛擬內(nèi)存管理單元，使得程序運(yùn)行以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更加高效，、Linux和181。COSII等多種業(yè)內(nèi)主流的操作系統(tǒng)。它的低功耗、精簡(jiǎn)和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適合于低成本和功耗敏感的應(yīng)用。為減少整個(gè)系統(tǒng)的成本，S3C2410A芯片內(nèi)部集成了各種外圍設(shè)備，包括：1個(gè)LCD控制器（支持STN和TFT帶有觸摸屏的液晶顯示屏）；芯片選擇邏輯和SDRAM控制器的系統(tǒng)管理器；PLL時(shí)鐘產(chǎn)生電路；3通道UART，具有MODEM、紅外收發(fā)（IrDA）功能；4個(gè)通道的DMA；4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘（RTC）；8通道的10位ADC；觸摸屏接口；I2S總線接口，I2C總線接口；2個(gè)USB主機(jī)接口，1個(gè)USB設(shè)備接口；2個(gè)SPI接口；SD卡接口和MMC卡接口；看門(mén)狗計(jì)數(shù)器；117位通用I/O口和24位外部中斷源；通過(guò)這一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的成本，消除了為系統(tǒng)配置額外器件的需要[31]。選擇S3C2410A主要出于以下幾方面的考慮：（1） 高主頻、內(nèi)核帶MMU（Memory Mangement Unit）功能S3C2410A最高主頻達(dá)203MHz，使得其能夠處理復(fù)雜的CR實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)禮儀與協(xié)議，、Linux和181。COSII等多種業(yè)內(nèi)主流的操作系統(tǒng)，為后續(xù)的應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)奠定了良好的基礎(chǔ)。（2） 外部接口豐富S3C2410A內(nèi)部集成了豐富的外圍設(shè)備接口，包括常用的USB、UART、I2S和SPI等，它能夠很好的完成上位機(jī)與CR終端之間的控制和數(shù)據(jù)通信。同時(shí)由于設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)傳輸采用USB傳輸，因此對(duì)于數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求高的傳輸仍存在一定的困難，所以在嵌入式控制中仍設(shè)計(jì)有10M以太網(wǎng)來(lái)解決大量的、高實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)傳輸。（3） ARM與DSP通信接口考慮到CR終端中ARM與DSP之間存在大量的數(shù)據(jù)交互，因此在ARM芯片選型時(shí)也需要考慮如何與DSP完成通信。S3C2410A可以使用DSP提供的HPI接口方便的實(shí)現(xiàn)兩者之間的高速數(shù)據(jù)通信，而且通信接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、通信速率高、方案易實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，同時(shí)存在nWAIT信號(hào)實(shí)現(xiàn)與DSP總線之間的速率匹配。除主要考慮了以上幾點(diǎn)外，還考慮了諸如PCB布線、性?xún)r(jià)比、銷(xiāo)售渠道、可參考的資料和外部擴(kuò)展等眾多因素。S3C2410A對(duì)于片內(nèi)的各個(gè)部件采用了獨(dú)立的電源供給方式：，存儲(chǔ)單元和I/[32]。2） 嵌入式控制模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嵌入式控制模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31所示。圖 31 嵌入式控制模塊硬件結(jié)構(gòu)圖圖 31中嵌入式控制模塊硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要分為四個(gè)部分：核心部分、電源部分、時(shí)鐘部分和外部接口部分。（1） 核心部分包括中央處理器和存儲(chǔ)器單元。中央處理器采用韓國(guó)三星公司的 S3C2410A，運(yùn)行時(shí)鐘頻率最高203MHz，272FBGA封裝。存儲(chǔ)器單元采用64MB NAND Flash（K9F1208U0B）和64MB SDRAM（K4S561632C）。（2） 。（3） 時(shí)鐘部分采用外部12MHz無(wú)源晶振時(shí)鐘輸入。20MHz無(wú)源晶振輸出作為以太網(wǎng)芯片CS8900A的工作時(shí)鐘。（4） 外部接口部分包括以太網(wǎng)接口、JTAG接口、LCD顯示屏和觸摸屏接口、USB接口、音頻接口、串口和與基帶處理模塊通信的金手指接口。嵌入式控制模塊的硬件系統(tǒng)主要組成部分功能如下：（1） S3C2410A：中央處理器，是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的“大腦”。（2） FLASH：閃存，用來(lái)存放操作系統(tǒng)、系統(tǒng)引導(dǎo)程序和其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶(hù)數(shù)據(jù)。（3） SDRAM：主要用來(lái)存放執(zhí)行代碼和變量，是系統(tǒng)啟動(dòng)之后主要進(jìn)行存取操作的存儲(chǔ)器，具有容量大、存取速度快、成本低的特點(diǎn)，因而廣泛的應(yīng)用到微機(jī)處理系統(tǒng)中。（4） 時(shí)鐘電路：S3C2410A的外部12MHz時(shí)鐘輸入，經(jīng)內(nèi)部PLL倍頻至203MHz來(lái)提供系統(tǒng)工作時(shí)鐘。（5） 復(fù)位電路：可完成系統(tǒng)上電復(fù)位和在系統(tǒng)工作時(shí)用戶(hù)按鍵復(fù)位。（6） 串口：用于S3C2410A系統(tǒng)與其它應(yīng)用系統(tǒng)的短距離雙向串行通信，同時(shí)在系統(tǒng)調(diào)試時(shí)也發(fā)揮了重要作用。（7） USB接口：通用串行總線，分為USB HOST和DEVICE兩個(gè)接口。（8） LCD和觸摸屏接口：S3C2410A內(nèi)部有LCD控制器可以支持STN和TFT屏，同時(shí)還內(nèi)置觸摸屏控制器。（9） JTAG接口：聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組（Joint Test Action Group），借助邊界掃描的方式對(duì)芯片內(nèi)部部件進(jìn)行訪問(wèn)，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和編程等[33]。（10） 以太網(wǎng)接口：為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過(guò)該接口系統(tǒng)可以以10Mbps的速率接入以太網(wǎng)。（11） 電源管理系統(tǒng)：，I/，同時(shí)考慮到其它元器件的工作電壓，還準(zhǔn)備了5V電源。 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)1） 操作系統(tǒng)選型—嵌入式Linux簡(jiǎn)介嵌入式操作系統(tǒng)是嵌入式應(yīng)用軟件的基礎(chǔ)和開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在嵌入式系統(tǒng)中扮演著“靈魂”的角色。嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用程序必須在極少人工介入的情況下完成高度專(zhuān)業(yè)化和實(shí)時(shí)的工作，這就要求嵌入式操作系統(tǒng)能為之提供高效的服務(wù)和有力的支持。嵌入式系統(tǒng)的硬件資源環(huán)境一般比較苛刻，嵌入式微處理器和微控制器的內(nèi)存一般都不大，要在緊張的資源下完成復(fù)雜的功能，要求嵌入式系統(tǒng)軟件必須盡量的小巧、穩(wěn)定和高效。嵌入式Linux操作系統(tǒng)是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪、修改，使之能在嵌入式系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。其功能強(qiáng)大的內(nèi)核，性能高效、穩(wěn)定、易定制、易裁減、硬件支持廣泛、多任務(wù)的特點(diǎn)，完善的網(wǎng)絡(luò)通訊、圖形、文件管理機(jī)制和大小、功能都可定制的內(nèi)核等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合其所獨(dú)具的免費(fèi)、開(kāi)放源代碼等特征使其在嵌入式開(kāi)發(fā)領(lǐng)域穩(wěn)步發(fā)展?；贚inux以上特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)選擇了嵌入式Linux操作系統(tǒng)[34,35]。2） 編譯器的選型和交叉開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立本系統(tǒng)編譯器選擇ADS Debugger。ADS(ARM Developer Suite)是為嵌入式ARM設(shè)計(jì)的一整套軟件開(kāi)發(fā)工具，支持包括Windows和UNIX/Linux在內(nèi)的多種操作系統(tǒng)。ADS主要模塊包括：ANSI C編譯器(armcc和tcc)、ISO/嵌入式C++編譯器(armcpp和tcpp)、ARM/Thumb匯編器(armasm)、鏈接器(armlink)、Windows集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(CodeWarrior)、調(diào)試器(AXD)、格式轉(zhuǎn)換器(fromelf)、庫(kù)管理器(armar)、C和C++庫(kù)[36]。嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)一般采用交叉開(kāi)發(fā)的方法。就是說(shuō)用于開(kāi)發(fā)的主機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)Host)與目標(biāo)主機(jī)(簡(jiǎn)稱(chēng)Target)采用不同體系結(jié)構(gòu)的硬件與軟件系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)選用基于Intel x86體系結(jié)構(gòu)的PC機(jī)作為開(kāi)發(fā)主機(jī)，開(kāi)發(fā)軟件包括編譯器、鏈接器和其它工具等均運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)下；同時(shí)，嵌入式控制模塊作為目標(biāo)主機(jī)，來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試。 硬件電路設(shè)計(jì) 方案設(shè)計(jì)1） 供電方案電源設(shè)計(jì)主要有三個(gè)方面的要求，第一，電源要提供滿足整個(gè)電路板各模塊所需的功率（電流）；第二，電源的穩(wěn)定度要滿足一定要求；第三，散熱良好。否則，即使系統(tǒng)可以工作也可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定或者性能變差，甚至導(dǎo)致一些不確定的問(wèn)題。嵌入式控制模塊的供電方案如圖 32所示。圖 32 嵌入式控制模塊供電方案模塊功耗估計(jì)：嵌入式控制模塊主要器件功耗如表 31所示，整個(gè)嵌入式控制模塊需要3種電源：5V。表 31 嵌入式控制模塊的主要器件功耗表器件型號(hào)電壓（V）電流（mA）功耗（mW）數(shù)量（個(gè)）S3C2410AI1：50181。A@I2：200mA@6601K9F1208U0B20661K4S561632CTC7580@2642CS8900A451UDA1341TS1MAX708S4711MAX32325331需要對(duì)該表和表中打@的數(shù)據(jù)作以下說(shuō)明：（1） 表中的數(shù)據(jù)是通過(guò)查詢(xún)器件手冊(cè)后計(jì)算所得，有些數(shù)據(jù)并不是十分精確。（2） S3C2410A中I1和I2分別表示芯片待機(jī)和主頻在200MIPS，所有外設(shè)開(kāi)啟時(shí)的工作電流，這里的電流包括內(nèi)核、IO以及芯片內(nèi)部其它模塊的總電流。（3） K4S561632CTC75中功耗264mW是芯片靜態(tài)工作時(shí)的功耗。由表 31可以估算出嵌入式控制模塊的總功耗：Ptotal=660+66+264*2+++471+533=2494mW?；谏鲜龉浪愕墓男枨?，設(shè)計(jì)嵌入式控制模塊的供電方案如圖 32所示。LM2651由外部5V直流電壓輸入，。電源芯片的基本參數(shù)如表 32所示表 32 電源芯片的基本參數(shù)表器件類(lèi)型輸入電壓（V）輸出電壓（V）輸出最大電流（A）效率ηLM2651ADJ4～14ADJ（）97%～16177。180mA94%對(duì)比上面的功耗估計(jì)以及電源器件的參數(shù)，可以看出，所選電源器件都有一定的裕量，這是考慮設(shè)計(jì)初始階段的功耗估計(jì)可能會(huì)有一定偏差，同時(shí)也是為使本模塊具有一定擴(kuò)展空間。2） 時(shí)鐘方案在電路設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘是決定設(shè)計(jì)成敗的又一關(guān)鍵，尤其是多時(shí)鐘系統(tǒng)。在本模塊中涉及時(shí)鐘的主要有4部分：CPU工作時(shí)鐘、RTC時(shí)鐘、USB功能時(shí)鐘和以太網(wǎng)芯片工作時(shí)鐘。采取的時(shí)鐘方案如圖 33所示，其中12MHz無(wú)源晶振輸出時(shí)鐘信號(hào)到CPU，通過(guò)CPU內(nèi)部的MPLL倍頻到203MHz的工作頻率；通過(guò)CPU內(nèi)部的UPLL倍頻產(chǎn)生USB的工作時(shí)鐘；；以太網(wǎng)控制芯片CS8900A的工作時(shí)鐘由20MHz無(wú)源晶振提供。圖 33 時(shí)鐘方案3） 接口方案嵌入式控制模塊的接口包括控制模塊與基帶處理模塊的通信接口、與上位機(jī)通信接口以及人機(jī)交互接口。其中控制模塊與基帶處理模塊的通信接口是基于HPI接口設(shè)計(jì)的，其在硬件板上表現(xiàn)為72針金手指接口；與上位機(jī)通信接口包括串口、USB和以太網(wǎng)接口；人機(jī)交互接口主要是液晶屏和觸摸屏接口，在硬件板上表現(xiàn)為38腳插針接口。嵌入式控制模塊的接口方案如圖 34所示。圖 34 接口方案嵌入式控制模塊上除了上述接口外，還包括一個(gè)5V/3A的電源插槽和一個(gè)音頻接口。 最小系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)嵌入式最小系統(tǒng)由嵌入式處理器運(yùn)行所必需的電路和處理器本身構(gòu)成。處理器運(yùn)行所必需的電路包括給它提供電源、時(shí)鐘、復(fù)位和存儲(chǔ)其系統(tǒng)電路。以下分別對(duì)嵌入式控制模塊最小系統(tǒng)的各部分電路分別進(jìn)行介紹。1） 電源電路設(shè)計(jì)電源部分為整個(gè)系統(tǒng)供電，保證CPU在高頻、大電流的情況下穩(wěn)定地工作，同時(shí)也是整個(gè)系統(tǒng)信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)的地方，處理的不好會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_效應(yīng)，影響到弱信號(hào)的數(shù)字電路部分，因此這部分的電路設(shè)計(jì)要求比較高。電源部分需要考慮到器件特性、PCB特性、穩(wěn)定性、散熱、抗干擾等多方面的因素。在本系統(tǒng)中，需要使用5V，可參看電源部分設(shè)計(jì)方案圖 32和原理圖 35。5V輸入電壓可由外部直流穩(wěn)壓輸入或者通過(guò)基帶處理母板供電，在設(shè)計(jì)中通過(guò)跳線選擇5V輸入電壓源。圖 35 系統(tǒng)電源電路圖圖 35中，（LDO）選用LM2651穩(wěn)壓芯片，，輸出電壓紋波小于24mV。還有些器件需要5V電壓供電。，精度在97%以上。此外電源芯片周?chē)€分布有去耦和濾波作用的電容，用于穩(wěn)定電壓輸出波形和提高電壓調(diào)節(jié)的有效性。2） 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路用于向CPU及其他電路提供工作時(shí)鐘。S3C2410A需要兩路時(shí)鐘輸入：一路是CPU工作時(shí)鐘輸入，另一路提供給RTC電路。S3C2410A的時(shí)鐘源來(lái)自外部晶振（XTIpll）或者外部時(shí)鐘（EXTCLK）輸入，這由OM[3:2]的狀態(tài)決定，如表 33所示。在nRESET的上升沿，OM3和OM2管腳的電平?jīng)Q定OM[3:2]的狀態(tài)?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置OM3，OM2的管腳電平來(lái)選擇最終使用哪一個(gè)時(shí)鐘源。表 33 時(shí)鐘源的選擇方式Mode OM[3:2]MPLL StateUPLL StateMain Clock SourceUSB Clock Source00OnOnCrystalCrystal01OnOnCrystalEXTCLK10OnOnEXTCLKCrystal11OnOnEXTCLKEXTCLK在本系統(tǒng)中，通過(guò)設(shè)置OMOM2的電平為低，使得OM[3:2]=00，來(lái)選擇外部無(wú)源晶振12MHz作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。此時(shí)，EXTCLK與電源連接，設(shè)置為高電平。12MHz的晶振頻率通過(guò)S3C2410A片內(nèi)的PLL電路倍頻后，得到最高可達(dá)到203MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘。S3C2410A的工作時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘輸入電路原理圖如圖 36所示。圖 36 系統(tǒng)時(shí)鐘電路圖3） 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)很重要，各個(gè)單元要進(jìn)入正常工作狀態(tài)，都需要可靠地復(fù)位。在本系統(tǒng)中，復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶(hù)的手動(dòng)復(fù)位功能。S3C2410A具有兩個(gè)復(fù)位源：nRESET引腳和看門(mén)狗復(fù)位。出于ARM芯片的高速、低功耗、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、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。所以，本系統(tǒng)選用復(fù)位芯片由PHILIPS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的帶手動(dòng)復(fù)位功能的MAX708S，此產(chǎn)品體積小、功