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1、嵌入式系统,第五讲 硬件电路和接口技术,1.最小系统2.总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8. ZLG500系列读卡模块,硬件电路与接口技术,5.1 最小系统,概述,一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电、加上时钟信号、提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入式处理器芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。而大多数基于ARM7处理器核的微控制器都有调试接口，这部分在芯片实际工作时
2、不是必需的，但因为这部分在开发时很重要，所以也把这部分也归入最小系统中。,5.1 最小系统,框图,可选，因为许多面向嵌入式领域的微控制器内部集成了程序和数据存储器,可选，但是在样品阶段通常都会设计这部分电路,各部件简介,电源,供电系统(电源),电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。,各部件简介,电源,设计电源时要考虑的因素：1.输出的电压、电流、功率；2.输入的电压、电流；3.安全因素；4.输出纹波；5.电池兼容和电磁干扰；6.体积限制；7.功耗限制；8.成本限制。,各部件简介,电源,1.分析
3、需求 LPC2100、LPC2200需要4组电源输入：数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3V和模拟1.8V。理想情况下电源系统需要提供4组独立的电源：两组3.3V电源和两组1.8V电源，它们需要单点接地或大面积接地。如果系统的其它部分还有其它电源需求，则还需要更多的末级电源。但如果不使用LPC2000的AD功能，或对AD的要求不高，模拟电源和数字电源可以不分开供电。这里假设不使用LPC2000的AD功能，且其它部分对电源没有特殊要求。这样，末级只需要提供两组电源。,各部件简介,电源,2.设计末级电源电路 LPC2000系列微控制1.8V消耗电流的极限值为70mA。为了保证可靠性并为以后升级留
4、下余量，则电源系统1.8V能够提供的电流应当大于300mA。 整个系统在3.3V上消耗的电流与外部条件有很大的关系，这里假设电流不超过200mA，这样，电源系统3.3V能够提供600mA电流即可。 分析得到以下参数：3.3V电源设计最大电流：600mA；1.8V电源设计最大电流：300mA。,各部件简介,电源,2.设计末级电源电路 在了解功率消耗之后，需要选择合适的器件。 因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源（LDO）。合乎技术参数的LDO芯片很多，Sipex 半导体SPX1117是一个较好的选择，它的性价比较好，且有一些产品可以与它直
5、接替换，减少采购风险。,各部件简介,电源,SPX1117主要特点：0.8A稳定输出电流；1A稳定峰值电流；3V可调节；低静态电流；0.8A时低压差为1.1V；0.1%线形调整率；0.2%负载调整率；过流及温度保护；多种封装供选择。,各部件简介,电源,3.设计前级电源电路 尽管SPX1117允许的输入电压可达20V（参考芯片数据手册），但太高的电压使芯片的发热量上升，散热系统不好设计，同时影响芯片的性能。这样，就需要前级电路调整一下。如果系统可能使用多种电源（如交流电和电池），各种电源的电压输出不一样，就更需要前级调整以适应末级的输入。通过之前的分析，前级的输出选择为5V。选择5V作为前级的输出
6、有两个原因：这个电压满足SPX1117的要求；目前很多器件还是需要5V供电的，这个5V可以兼做前级和末级了。,各部件简介,电源,3.设计前级电源电路 根据系统在5V上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路可以使用开关电源，也可以使用模拟电源。 它们的特别如下：开关电源：效率较高，可以减少发热量，因而在功率较大时可以减小电源模块的体积；模拟电源：电路简单，输出电压纹波较小，并且干扰较开关电源小得多。,各部件简介,电源,模拟电源,开关电源,13,各部件简介,时钟,目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，
7、但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。,时钟系统,各部件简介,时钟,目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。,使用内部振荡器,使用外部时钟源,可以使用稳定的时钟信号源，如有源晶振等。,2017/11/29,16,3、时钟电路,时钟电路的作用用于向同步数字电路提供工作时钟时钟电路的稳定性主要由起振时间、频率稳定度和占空比稳定度决定起振时间可由电路参数决定频率稳定度受振荡器类型、温度和电压等参数影
8、响时钟电路的分类有源晶振（Oscillator ）无源晶振（Crystal ）,2017/11/29,17,有源晶振（Oscillator ）,S3C44B0x使用有源晶振,2017/11/29,18,有源晶振（续）,2017/11/29,19,有源晶振（续）,无源晶振,有源晶振,无源晶振,2017/11/29,20,有源晶振（续）,反射电阻,2017/11/29, 国防科技大学计算机学院601室,21,无源晶振（Crystal ）,2017/11/29, 国防科技大学计算机学院601室,22,无源晶振,各部件简介,存储器系统,对于大部分微控制器来说，存储器系统不是必需的，但如果微控制器没有片
9、内程序存储器或数据存储器时，就必须设计存储器系统，这一般通过微控制器的外部总线接口实现。,存储器系统,各部件简介,存储器系统,LPC2210存储器系统,各部件简介,调试与测试接口,调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也要重视了。LPC2000有一个内置JTAG调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。,调试测试接口,调试接口电路一,各部件简介,调试与测试接口,在该电路中，复位电路与前面介绍电路有所不同。它在复位信号和CPU之间插入了三态门74HC125。使用三态门主要是为了复位芯片和JTAG（ETM）仿真器都可以复位芯片。如果没有74
10、HC125，当复位芯片输出高电平时，JTAG（ETM）仿真器就不可能把它拉低，这不但不能实现需要的功能，还可能损坏复位芯片或JTAG（ETM）仿真器。,各部件简介,调试与测试接口,因为这种电路JTAG（ETM）仿真器对LPC2000有完全的控制，其仿真性能最好。不过，由于74HC125工作的电压范围低于复位芯片的工作电压范围，所以此电路一般用于样机。正式产品中可以不需要这部分电路。,调试接口电路一,各部件简介,调试与测试接口,ETM功能仅在高级仿真器中具有，用户如果没有使用，可以将其省略，同时把TRACESYNC信号上的电阻也去掉。,调试接口电路二,各部件简介,调试与测试接口,注：实际应用中，
11、通常使用这种接口电路。,5.1 最小系统,完整的最小系统,LPC2000系列微控制器有3个典型芯片的最小系统。LPC2114最小系统；LPC2210最小系统；LPC2214最小系统；,完整的最小系统,LPC2114,决定是否进入ISP状态，如果该引脚悬空将影响程序脱机运行,完整的最小系统,LPC2210,复位后使用外部16位宽度存储器,完整的最小系统,LPC2214,复位后使用内部存储器,1.最小系统2.总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8. ZLG500系列读卡模块,第5章 硬件电路与接口
12、技术,5.2 总线接口设计,RAM概述,目前，RAM大体上可以分为SRAM和DRAM。 SRAM的存储单元由触发器构成，没有刷新部分，外围电路比较简单； DRAM的存储单元是由电容和晶体管构成的，需要定时刷新，外围电路比较复杂。,5.2 总线接口设计,SRAM概述,静态随机存储器（SRAM）基本单元是锁存器，使用多个晶体管，通常是四个、六个或者八个。存取速度快，容量小，外围电路简单，价格贵。,5.2 总线接口设计,DRAM概述,动态随机存储器（DRAM）的内存单元是由晶体管和电容搭配组成的，需要定时刷新电容上的电荷。 SDRAM同步动态随机存储器（SDRAM）是DRAM中的一种，利用突发模式工
13、作。SDRAM价格便宜，外围接口电路复杂。LPC2400/2800支持SDRAM存储器。,5.2 总线接口设计,PSRAM概述,PSRAM（即Pseudo-SRAM）器件是异步SRAM接口技术和高密度DRAM技术相结合的产物。 具有突发读/写、带宽高和功耗低的特点。CellularRAM是一种增强的PSRAM存储器，它是带有SRAM接口的DRAM 存储器。LPC2200支持CellularRAM存储器。,5.2 总线接口设计,SRAM接口电路,SRAM为静态RAM存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来作变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。,注意：SRAM
14、属于易失性存储器，电源掉电后SRAM中的数据将会丢失。,5.2 总线接口设计,容量：512K字节；,数据宽度：16位；,工作电压：3.3V；,SRAM接口电路 IS61LV25616,IS61LV25616,5.2 总线接口设计,MT45W4ML16PFA是CellularRAM的一种，是一个4M16位的64Mb器件。为了减少功耗，内核电压被降低到1.8V，为了兼容各种不同存储器总线的接口，I/O电压为3.0V。,PSRAM接口电路 MT45W4ML16PFA,5.2 总线接口设计,并行Flash,FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即，掉电后数据不会丢失。FLAS
15、H存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。FLASH存储器主要分为两种：,NOR型FLASH,NAND型FLASH,5.2 总线接口设计,NOR型和NAND型FLASH特点,5.2 总线接口设计,NOR Flash接口电路 SST39VF160,存储容量：2M字节,数据宽度：16位数据,工作电压：2.73.6V,5.2 总线接口设计,NAND Flash接口电路 K9F2808U0C,存储容量：16M8Bit 工作电压：2.73.6V 页编程操作时间：200s 块擦除操作时间：2ms 页面的数据以每个字50ns的速度被读出； 片内写控制自动实现所有编程和擦除功能 刷新脉冲 内部校验 数据冗余,命令输入：0x83000001（CLE=1，ALE=0） 地址输入：0x83000002（CLE=0，ALE=1） 数据操作：0x83000000（CLE=0，ALE=0）,5.2 总线接口设计,CS8900 以太网接口电路,CS8900A是一款符合IEEE802.3标准的低功耗10M以太网控制器。它具有硬件连接简单、低电压工作、低功耗，还具有工业级芯片的特点。 该器件具有4KB片上SRAM，用于缓存收发的数据包和芯片功能控制。具有标准的ISA总线接口，可以方便的修改为其它控制器的总线接口方式，,
