基于ARM7—LPC2290數(shù)字核心板的硬件設(shè)計(jì)

丁煜暉?李紅星

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一種基于ARM7-LPC2290的最小系統(tǒng)的核心板的硬件部分。綜合許多原理圖設(shè)計(jì)理念，取優(yōu)棄弊，模塊思想，最小系統(tǒng)為綜合考慮，能夠滿足教學(xué)和科研需求。結(jié)合測控技術(shù)與儀器系自主研發(fā)的擴(kuò)展板可形成實(shí)驗(yàn)平臺以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、顯示和控制。測試的實(shí)驗(yàn)證明：該設(shè)計(jì)的LPC2290最小系統(tǒng)核心板，具有功耗低、體積小、成本低、抗干擾、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，滿足嵌入式系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與開發(fā)。

關(guān)鍵詞：ARM7；最小系統(tǒng)；核心板

20世紀(jì)末，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的誕生，標(biāo)志了計(jì)算機(jī)進(jìn)入了通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)兩大分支并行發(fā)展時(shí)代。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，嵌入式技術(shù)全面展開，集成電路和新型元器件在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用日益重要。硬件方面，不僅有各大公司的微處理器芯片，還有用于學(xué)習(xí)和研發(fā)的各種配套開發(fā)包。由于低層系統(tǒng)和硬件平臺已經(jīng)相對比較成熟，并且實(shí)現(xiàn)各種功能的芯片應(yīng)有盡有。未來的嵌入式微處理器也向著體積小、重量輕、成本低、性能強(qiáng)、功耗低、可靠性高等方向繼續(xù)發(fā)展。

在今日，嵌入式 ARM 技術(shù)已經(jīng)成為了一門熱門學(xué)科，無論是在任何電子類領(lǐng)域，都可以看到嵌入式 ARM 的影子。簡單的單片機(jī)級別技術(shù)，已經(jīng)落下了時(shí)代腳步，ARM 嵌入式技術(shù)正以幾何的倍數(shù)高速發(fā)展。數(shù)字核心板是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，為擴(kuò)展板的良好運(yùn)行提供支持。本身的低功耗、小型化設(shè)計(jì)使它可以與嵌入式儀器良好結(jié)合，從而應(yīng)用于各種嵌入式儀器中。

本設(shè)計(jì)運(yùn)用ARM7-LPC2290芯片，設(shè)計(jì)出具有實(shí)用意義的最小系統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)核心板，并應(yīng)用Protel 99 SE軟件完成其硬件部分的設(shè)計(jì)，綜合眾多原理圖設(shè)計(jì)理念，取優(yōu)棄弊，結(jié)合實(shí)際，以功能模塊做思想，經(jīng)過細(xì)致的核對引腳，調(diào)整合理的布局，進(jìn)行了多次整合，在其原理圖上進(jìn)行繪制修改。設(shè)計(jì)PCB采用四層板制板技術(shù)制板、并且安裝元器件制成核心板，連接測控技術(shù)與儀器自主開發(fā)擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)“核心板+擴(kuò)展板”層次模塊化設(shè)計(jì)模式，形成實(shí)驗(yàn)平臺使用者利用本實(shí)驗(yàn)平臺可完成嵌入式基本硬件實(shí)驗(yàn)和嵌入式操作系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的入門與開發(fā)。

1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

ARM7是32位的單片機(jī)，它具有小型、快速、低能耗等特點(diǎn)，集成式RISC內(nèi)核，價(jià)格低廉，高性能，集成度高。

本設(shè)計(jì)的核心板為基于ARM7- LPC2290的最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)對外提供豐富的外圍I/O接口，通過這些核心板接口（尤其是GPIO口），因此可以很方便地在開發(fā)板上進(jìn)行擴(kuò)展電路實(shí)驗(yàn)以及根據(jù)一些特定的需要進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

一個(gè)嵌入式處理器自己是不能單獨(dú)工作的，必須給他供電，加上時(shí)鐘信號，并提供復(fù)位信號，如果芯片沒有片內(nèi)程序儲(chǔ)存器，則還要加上儲(chǔ)存系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才可能工作。這些提供嵌入式處理器運(yùn)行所必須的條件的電路與嵌入式處理器共同構(gòu)成了這個(gè)嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。如圖1所示最小系統(tǒng)原理圖。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

選擇嵌入式系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，最重要的是先選擇ARM處理器類型并對其進(jìn)行相關(guān)的分析。因?yàn)锳RM處理器需求標(biāo)準(zhǔn)不僅決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，而且影響其他硬件的選用，以及操作系統(tǒng)和軟件代碼的配置。根據(jù)微處理器芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和外部引腳功能圖可以對系統(tǒng)進(jìn)行整體的功能需求分析。電源系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供能量，是整個(gè)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，對于LPC2290系列微控制器，它有4組電源輸入。理想情況下需要提供4組獨(dú)立的電源，它們需要單點(diǎn)接地或大面積接地。甚至還有為系統(tǒng)中其他的部件提供更多種類的電源。

分析得到以下參數(shù)：①3.3V電源設(shè)計(jì)最大電流：600mA；②1.8V電源設(shè)計(jì)最大電流：300mA。

在了解功率消耗之后，需要選擇合適的器件。因?yàn)橄到y(tǒng)對這兩組電壓的要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關(guān)電源，應(yīng)當(dāng)用低壓差模擬電源（LDO）。合乎技術(shù)參數(shù)的LDO芯片很多，Sipex 半導(dǎo)體SPX1117是一個(gè)較好的選擇，它的性價(jià)比高，易替代。如圖2為以SPX1117芯片設(shè)計(jì)的末級電路。

盡管SPX1117允許的輸入電壓可達(dá)20V，但太高的電壓使芯片的發(fā)熱量上升，散熱系統(tǒng)不好設(shè)計(jì)，同時(shí)影響芯片的性能。這樣，就需要前級電路調(diào)整一下。如果系統(tǒng)可能使用多種電源，各種電源的電壓輸出不一樣，就更需要前級調(diào)整以適應(yīng)末級的輸入。通過之前的分析，前級的輸出選擇為5V。如圖3為以SPX1117芯片設(shè)計(jì)的前級電路。

如果以本ARM7內(nèi)核嵌入式微處理器為中心，為其搭配完全相配接的SDRAM電路、Flash電路、電源電路、時(shí)鐘晶振及復(fù)位電路和擴(kuò)展總線等，保證嵌入式微處理器正常運(yùn)行的系統(tǒng)，就可稱為嵌入式最小系統(tǒng)。如圖4基于ARM7-LPC2290的系統(tǒng)功能圖。

本設(shè)計(jì)只提供最小系統(tǒng)核心板的硬件設(shè)計(jì)，如圖5所示為其設(shè)計(jì)需求圖。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求可以基本確定出本設(shè)計(jì)的流程，其中較為重要的理論部分是最小系統(tǒng)各部分功能模塊的原理圖設(shè)計(jì)。此最小系統(tǒng)核心板由五大部分組成：電源、LPC2290、存儲(chǔ)部分、系統(tǒng)時(shí)鐘晶振、I/O接口。本設(shè)計(jì)需要設(shè)計(jì)的功能模塊分別為：電源部分、系統(tǒng)存儲(chǔ)部分、系統(tǒng)時(shí)鐘的晶振部分、I/O接口。由此可以對各個(gè)模塊所需要的芯片進(jìn)行選型，然后確定原理圖，進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)等，最終進(jìn)行系統(tǒng)測試并完成設(shè)計(jì)。如圖6所示為本設(shè)計(jì)的最小系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測試流程圖。

基于ARM7的最小系統(tǒng)核心板硬件設(shè)計(jì)完成后，通過由核心板上的擴(kuò)展接口所引出的信號，根據(jù)用戶自身的特定需求來擴(kuò)展外圍電路。整個(gè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的最終是構(gòu)建出一個(gè)具有體積較小、功耗較小、成本低、運(yùn)行穩(wěn)定的ARM嵌入式平臺。通過以上的各方面的分析，收集整理資料，并不斷進(jìn)行更新信息。

硬件的設(shè)計(jì)，先是對原理圖的設(shè)計(jì)，要將所有元器件按一定的邏輯關(guān)系連接起來。如圖7所示為本設(shè)計(jì)核心板的PCB圖。

基于ARM7-LPC2290的PCB制作

完成后。將其送往PCB板印制廠家，印制出核心板的裸板。然后焊接安裝上元器件，則整個(gè)核心板的硬件就完成了制作。

3.總結(jié)

本文主要是圍繞ARM7微處理器LPC而開展的最小系統(tǒng)核心板的硬件設(shè)計(jì)以及硬件調(diào)試。通過設(shè)計(jì)了解ARM7-LPC2290的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)，掌握該類嵌入式微處理器的開發(fā)技術(shù)及軟硬件初步的調(diào)試方法。從而熟悉嵌入式微處理器類的系統(tǒng)硬件開發(fā)流程，以及掌握開發(fā)過程和調(diào)試過程中相應(yīng)問題的解決方案。最終，本設(shè)計(jì)的核心板通過測試分析，對核心板進(jìn)行測試和修正，驗(yàn)證了核心板的性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]顧海洲，馬雙武.PCB電磁兼容技術(shù)——設(shè)計(jì)實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2]劉 凱.ARM嵌入式接口技術(shù)應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

（作者單位：東華理工大學(xué)）