《嵌入式系统原理与设计 教学课件 ppt 作者 蒋建春 主编 第5章 嵌入式系统常用模块设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《嵌入式系统原理与设计 教学课件 ppt 作者 蒋建春 主编 第5章 嵌入式系统常用模块设计（158页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、嵌入式系统原理与设计 第五讲 嵌入式系统常用模块设计,嵌入式系统常用外设除了存储设备以外还包括：通信总线及接口（如UART、USB、I2C、SPI等）、人机交互设备（如LCD、键盘、触摸屏等）、其他输入输出设备（如A/D、D/A、PWM等）。,本章提要,1,3,2,5,4,6,复位电路,键盘模块设计,UART异步串口模块设计,A/D转换器,触摸屏模块设计,电源模块设计,7,LCD模块设计,9,PWM直流电机控制接口,8,I2C总线接口应用设计,5.1电源模块设计,5.1.1 电源工作原理 系统工作状态 （1）系统挂起模式 只有SDRAM 、处理器功耗管理电路、唤醒电路处于工作状态,图5-1 系
2、统运行模式的转换,（1）系统挂起模式 只有SDRAM 、处理器功耗管理电路、唤醒电路处于工作状态。 以下是进入挂起模式的典型步骤。 用户指定、超时、低电量状态等因素启动了挂起模式 操作系统调用驱动程序把外设调整到节电状态 处理器为保存的寄存器存入SDRAM SDRAM进入自刷新模式 处理器进入挂起模式。在该模式下，处理器的主时钟停止，系统中各供电模块关闭。,（2） 系统关闭状态 对ARM系统来说，挂起状态虽然已大大减小了功耗，但系统在挂起状态下也消耗能量，因而需要一种关闭模式，像系统没有电源一样。这种模式在电池耗尽时可以有效保护电池不被损坏；同时可使系统在安装有电池的情况下进行传输和存储。 （
3、3） 软启动 大多数系统需要一种软启动功能，软启动时，处理器被复位 ，但SDRAM里面的内容仍旧保持。目前，大部分编写式系统都选择在SDRAM中存储用户文件，这是一项非常有用的功能。,2外设耗电考虑,显示及背光 低功耗SDRAM 音频 备用电源 紧急情况 漏电问题,5.1.2 硬件电路设计,电源线与地线设计 （1）电源/电源线设计 尽量加粗电源线的宽度 电源线、地线的走向和数据线传递的方向一致 模拟电路和数字电路部分要独立供电 一种是数字电源与模拟电源，以及数字地与模拟地之间加铁氧体磁珠或电感构成无源滤波电路，如图5-3（a）所示。 另一种是采用多路稳压器的方法，如图5-3（b）所示。,图5-
4、3 电源数/模独立供电设计,（2）地线设计 地线设计的原则如下所示。 数字地与模拟地分开。如线路板上既有数字电路又有模拟电路，则应使它们尽可能分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应粗而短，高频元件周围应尽量用栅格状大面积地箔。 接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地点位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过3倍于电路板上的允许电流。如有可能，接地线应在23mm以上。 接地线构成比环路。只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成闭环路大多能提高抗噪声能力。,（3）电源滤波设计 电源滤波
5、如图5-4所示。 电源引入出必须考虑低频和高频的滤波。 低频滤波电容均匀分布在PCB上，每个大功率器件应安装一个16uF以上的电解电容或钽电容，并由其所放位置处负载的特性及纹波要求来确定适当的容值。 元器件的每个（组）电源/地均应安装至少一个高频滤波电容。 高频滤波电容必须靠近器件的电源/地引脚。,2直流电压产生方法 在系统中需要使用+12VDC、+5VDC、+3.3VDC的直流稳压电源，其中，内核工作需3.3V电源，ARM的IO端口工作和部分器件需3.3V电源，为LCD提供5V的直流稳压电源。扩展板的电源模块负责提供核心板和扩展板上电路的供电，采用线性稳压器。 这3种电压的产生方法是+12V
6、DC从外部直接引入，作为整个系统的总电源，一路直接供给作为工作电源，一路分流到LM7805的输入端；LM7805电源稳压芯片的输出端产生+5VDC，一路供给核心板上器件各+5V，一路分流到+3.3VDC稳压芯片ALSlll7的输入端，其输出端产生+3.3VDC。还可以采用线性稳压电源LM1085将DC 5V转换成2.5V。,本章提要,1,3,2,5,4,6,复位电路,键盘模块设计,UART异步串口模块设计,A/D转换器,触摸屏模块设计,电源模块设计,7,LCD模块设计,9,PWM直流电机控制接口,8,I2C总线接口应用设计,5.2复位电路,5.2.1 ARM复位原理 1ARM复位源类型,2复位
7、工作原理,图5-6 系统复位过程,5.2.2复位硬件电路设计,1复位电路原理图,3看门狗软件复位 看门狗复位电路主要是利用ARM正常工作时，定时复位计数器，使得计数器的值不超过某一值：当ARM不能正常工作时，由于计数器不能被复位，因此其计数会超过某一值，从而产生复位脉冲，使得ARM恢复正常工作状态。 看门狗复位电路的可靠性主要取决于软件设汁，即将定时问复位电路发出脉冲的程序放在何处，在般设计中，将此段程序放在定时器中断服务子程序中。,在进行ARM处理器复位电路设计时需要注意如下问题： 要正确理解上电复位硬件复位、软件复位和测试复位的功能及其之间的区别。当上电复位有效时可以产生处理器内部硬复位和
8、软复位；当硬件复位时，可以产生处理器内部硬复位和软复位；但是，软件复位只能产生处理器内部的软复位。 在进行具有下电模式的低功耗嵌入式系统复位电路设计时，由于要求上电复位电路的供电来自带有电池的保持电源有效，因此在设计时应尽量选择低功耗器件作为复位电路的主器件。,本章提要,1,3,2,5,4,6,复位电路,键盘模块设计,UART异步串口模块设计,A/D转换器,触摸屏模块设计,电源模块设计,7,LCD模块设计,9,PWM直流电机控制接口,8,I2C总线接口应用设计,5.3.1异步串行通信概述,UART（Universal Asynchronous Receiver and Transmitter，
9、通用异步收发器）接口。 而RS232、RS499、RS423、RS422和RS485等，是物理接口标准规范和总线标准规范，对应各种异步串行通信口的接口标准和总线标准，它规定了通信口的电气特性、传输速率、连接特性和接口的机械特性等内容。,1异步串行通信协议,异步串行方式是将传输数据的每个字符一位接一位(例如先低位、后高位)地传送。数据的各不同位可以分时使用同一传输通道，因此串行I/O可以减少信号连线，最少用一对线即可进行。,微机异步串行通信中，常用的波特率为50，95，110，150，300，600，1200，2400，4800，9600 ,115200等。,接收方按约定的格式接收数据，并进行检
10、查，一般可以查出以下三种错误： 1）奇偶错：在约定奇偶检查的情况下，接收到的字符奇偶状态和约定不符。 2）帧格式错：一个字符从起始位到停止位的总位数不对。 3）溢出错：若先接收的字符尚未被微机读取，后面的字符又传送过来，则产生溢出错。,2异步串行通信接口定义 一般UART接口定义四根引脚，分别如下： 1）RxD（ Receive Data）数据接收引脚，用于串行通信数据接收； 2）TxD（ Transmit Data）数据发送引脚，用于串行通信数据发送； 3）RTS（Request to Send）请求数据发送引脚，用于标明接收设备有没有准备好接收数据，即当终端要发送数据时，使该信号有效； 4
11、）CTS（Clear to Send）允许数据发送引脚，用于CTS来起动和暂停来自计算机的数据流，用来表示从设备准备好接收主设备发来的数据，是对请求发送信号RTS的响应信号。,3、 RS-232-C 目前RS-232是PC机与通信工业中应用最广泛的种串行接口。RS-232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232遵循RS-232-C标准，美国电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)把RS-232-C定义为：“在数据终端设备和数据通信设备之间使用串行二进制数据交换的接口”。 RS-232-C标准是一种硬件协议，用于连接DI
12、E(Data Terminal Equipment，数据终端设备)和DCE(Data Communications Equipment，数据通信设备)两种设备。 RS-232-C定义包括以下几个方面： 接口的机械特性； 电气信号特征； 交换功能特性。,RS-232-C采用25针连接器，阳极(插头)接DTE，阴极(插座)接DCE。虽然本标准没有规定连接器的实际类型，但工业上对D-25类型的连接器实行了标准化。 在电气方向， RS-232-C作了以下规定： 驱动器上的负载电容不超过2500pF。 驱动器上的负载电阻在3000欧-7000欧之间。 在指定负载下，数据信号传输率(或波特率)低于2000
13、bps。 相对于信号地线，RS-232-C线的最高电压不超过15v 驱动器能产生+5- +15v(逻辑0)和-5- -15v(逻辑1)的电压。 输入端能接收+5- +15v(逻辑0)和-5- -15v(逻辑1)的信号。,在RS-232-C标准建议信号的传输速度控制在20kbps内，在高速传输时，建议电缆长度不超过50英尺。简单的计算公式为：25英尺(半负载量)时数据信号传输率增加到40kbps、12.5英尺时数据信号传输率增加到80kbps、6英尺时数据信号传输率增加到160kbps。事实上，许多通信包能使两台计算机之间的数据信号传输率达到115.2kbps。注意， RS-232-C标准并没有
14、定义“标推”波特率。 RS-232-C标准允许数据在同一时刻收发，也就是全双工通信方式。 RS-232-C标准定义的25针实际上仅用了其中9针。RS-232-C通信所保留的9针见表6-7。注意，PC机上的通信端口一般是作为DTE连接 (即阳性连接器) 。 在实际的应用中，利用RS-232-C的通信通常只使用其中的3根线，即Rd、TxD和 GND。,4RS-422 RS-422由RS-232发展而来。为改进RS-232通信距离短、速度低的缺点，RS-422定义了一种平衡通信接口，将传输速率提高到10Mbps，允许在一条平衡总线上连接最多10个接收器。RS-422是一种单机发送、多机接收的单向、平
15、衡传输规范。RS-422的数据信号采用差分传输方式，也称做平衡传输。它使用一对双绞线进行数据传输。 驱动器能产生+2- +6v(逻辑0)和-2- -6v(逻辑1),RS-422标准全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”。由于接收器采用高输入阻抗并且发送驱动器具有比RS-232更强的驱动能力，故允许在相同传输线上连接多个接收节点，最多可接10个节点，即一个主设备(Master)，其余为从设备(Slave)，从设备之间不能通信，所以RS-422支持点对多的双向通信。RS-422四线接口由于采用单独的发送和接收通道，因此不必控制数据方向，备装置之间任何必须的信号交换均可以按软件方式(XON/XOF
16、F握手)或硬件方式(一对单独的双绞线)实现。,RS-422的最大传输距离为4000英尺(约1219米)，最大传输速率为1Mbps。其平衡双绞线的长度与传输速率成反比，在100Kbps速率以下，才可能达到最大传输距离。只有在很短的距离厂才能获得最高传输速率。一般100米长的双绞线上所能获得的最大传输速率仅为1Mbps。 RS-422需要一终接电阻，要求其阻值约等于传输电缆的特性阻抗。在短距离传输时可不需终接电阻，即一般在300米以下不需终接电阻。终接电阻接在传输电缆的最远端。,5RS-485串行总线接口 为扩展应用范围，EIA在RS-422的基础上制定了RS-485标准，增加了多点、双向通信能力，通常在要求通信距离为几十米至上千米时，广泛采用R5-485收发器。 RS-485收发器采用平衡发送和差分接收，即在发送端，驱动器将TTL电平
