基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要： 為了提高移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的安全性和推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件。對(duì)嵌入式移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件總體組成進(jìn)行分析，給出移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備FPGA的選型、TD模塊、嵌入式微處理器等幾種關(guān)鍵器件的設(shè)計(jì)原理，根據(jù)移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件平臺(tái)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)設(shè)計(jì)出移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的硬件原理圖，包括電源、微處理器、串口、音頻處理部分、DDR SDRAM、TD模塊接口以及FPGA部分等，有效實(shí)現(xiàn)基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)具有很高的可靠性及實(shí)用性。

關(guān)鍵詞： 嵌入式設(shè)備； 移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備； 硬件設(shè)計(jì)； FPGA選型

中圖分類號(hào)： TN926?34； TP211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）10?0080?04

Design and realization of mobile Internet device hardware based on embedded devices

WANG Yue

（Information Center， Xi’an University， Xi’an 710068， China）

Abstract： In order to improve the security of mobile Internet and promote the wide application of mobile Internet， a mobile Internet device hardware based on embedded devices was designed and realized. The main assembly of hardware for the embedded mobile Internet device is analyzed. The model selection of mobile Internet device FPGA， TD module， embedded microcontroller processor and design principles of several key parts are described. According to the overall design scheme of the mobile Internet equipment hardware platform， the hardware schematic diagram of a mobile Internet device was designed in detail， including power supply， microprocessor， serial port， audio processing device， DDR SDRAM， TD module interface， FPGA and so on. The design of the mobile equipment hardware based on embedded devices was implemented effectively. The experimental results show that the proposed system has high reliability and practicability.

Keywords： embedded device； mobile Internet equipment； hardware design； model selection of FPGA

0 引 言

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用，移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備逐漸成為人們生活中的必需品[1?3]。移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備不僅體積小，且方便攜帶。其將PC的部分性能和手機(jī)的通信性能組合起來(lái)，不但能結(jié)成無(wú)線通信，還能經(jīng)過(guò)互聯(lián)網(wǎng)取得很多服務(wù)，使用很多功能[4?5]。而嵌入式設(shè)備可將需要的功能嵌入所有應(yīng)用系統(tǒng)中，特別適用于要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)的場(chǎng)合[6?8]。因此，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件設(shè)計(jì)具備關(guān)鍵作用[9?10]。本文設(shè)計(jì)并達(dá)成了基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件，為提高移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的安全性和推動(dòng)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用提供可靠依據(jù)。

1 基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體組成

基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件總體組成如圖1所示。

分析圖1可以看出，移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)按照功能可劃分為下述幾個(gè)部分：核心處理器S3C6410、FPGA器件、RAM和FLASH、音頻信號(hào)輸入/輸出、串口、TD/GPRS/GSM模塊、電源管理。

1.2 移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備的關(guān)鍵器件選型

1.2.1 嵌入式微處理器選型

基于嵌入式設(shè)備的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備將三星公司生產(chǎn)的內(nèi)核為16/32?bit RISC ARM1176版本的S3C6410作為微處理器，其不僅成本低，而且功耗也相對(duì)較低，被廣泛應(yīng)用在移動(dòng)電話領(lǐng)域中。為了增強(qiáng)硬件的性能，S3C6410采用64/32?bit內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，含有很多高性能硬件加速器；合成各樣形式編解碼器，可給MPEG4，H.263，H.264視頻編解碼及VC1解碼。硬件編碼器具備及時(shí)NTSC、視頻會(huì)議和PAL格式的TV輸送等性能；具有高級(jí)3D圖形加速器、OpenGL ES1.1/2.0，D3DM API接口。S3C6410是一種標(biāo)準(zhǔn)ARM11芯片，其具有很多多媒體應(yīng)用方面的功能，具體功能框圖如圖2所示。

1.2.2 TD模塊選型

SIM4100屬于雙模TD?SCDMA模塊，TD?SCDMA形式下的工作頻率是 2 225～2 250 MHz；GSM形式下的工作頻率是三頻800/1 600/1 700 MHz。該模塊有兩個(gè)不一樣的模擬語(yǔ)音接口，支持5×5鍵盤(pán)，還配備LCD接口以及串行接口，其支持RTC、具備流量管理功能的AT接口、Debug口天線接口以及天線焊盤(pán)，操作簡(jiǎn)單，使用靈活。

1.2.3 FPGA的選型

將Altera公司的StratixⅡ系列EP2S180作為FPGA芯片，其結(jié)合了性能最優(yōu)、密度最大、功耗最低的100 nm器件，性能及集成度均較高。StratixⅡ器件支持高速內(nèi)核和高速I(mǎi)/O，同時(shí)能夠保證信號(hào)的完整性。給出Altera StratixⅡ FPGA三個(gè)型號(hào)用來(lái)表示DSP、邏輯、收發(fā)器和存儲(chǔ)器，其中EP2S180的邏輯容量最大，符合當(dāng)前項(xiàng)目FPGA安全算法設(shè)計(jì)的要求。

2 移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備硬件原理圖設(shè)計(jì)

2.1 核心板原理圖設(shè)計(jì)

2.1.1 微處理器原理圖設(shè)計(jì)

微處理器采用Samsung公司的S3C641，其以ARM1176JZF?S為內(nèi)核，由20 KB指令數(shù)據(jù)Cache和TCM構(gòu)成，當(dāng)ARM Core電壓是1.0 V時(shí)，其可達(dá)553 MHz，當(dāng)ARM Core電壓為1.2 V時(shí)，可達(dá)667 MHz。通過(guò)FPGA封裝，利用外接總線，經(jīng)I/O以及專用模塊的擴(kuò)展，提高其性能。S3C6410片內(nèi)包含一個(gè)具有日歷功能的RTC以及具有PLL的芯片時(shí)鐘發(fā)生器，下面給出RTC原理圖及系統(tǒng)時(shí)鐘示意圖，如圖3，圖4所示。

2.1.2 FLASH原理圖設(shè)計(jì)

FLASH存儲(chǔ)器能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的電擦寫(xiě)，同時(shí)能夠保證斷電后信息不丟失。因?yàn)镹AND FLASH具有體積小，容量大，成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以S3C6410系統(tǒng)選用NAND啟動(dòng)方式。本文系統(tǒng)采用K9F2G08U0芯片，其是由SAMSUNG公司生產(chǎn)的FLASH儲(chǔ)存器，其存儲(chǔ)空間大、可靠性高。這個(gè)器件可儲(chǔ)存空間為256 MB，經(jīng)過(guò)TSSOP48裝封，工作電壓為2.7～3.6 V。8位I/O端口經(jīng)過(guò)地點(diǎn)、數(shù)據(jù)和指令復(fù)制法減少引腳數(shù)，造成接口電路非常簡(jiǎn)單。NAND FLASH步驟圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.1.3 DDR RAM原理圖設(shè)計(jì)

DDR SDRAM即雙倍速率SDRAM。使用由三星公司研發(fā)的MOBILE DDR SDRAM芯片K4X51163PC，具有32M×16 B的大容量，1.8 V的供電電壓，1.8 V的I/O邏輯，通過(guò)BGA封裝。該芯片自身具備的刷新電流、電源電壓低特別低，大大減少了整個(gè)系統(tǒng)的功耗。它經(jīng)過(guò)DRAM技術(shù)添加了合理的移動(dòng)設(shè)備，為移動(dòng)系統(tǒng)組成專門(mén)的構(gòu)架及特點(diǎn)集，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，其通過(guò)Endur?IC技術(shù)為移動(dòng)設(shè)備提供了低功耗、高品質(zhì)、高可靠性的功能，具體原理圖如圖6所示。

2.2 底板原理圖設(shè)計(jì)

2.2.1 電源部分原理圖設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)的最根本的模塊是電源，在此將ALPHAOMEGA SEMICONDUCTOR公司的DC?DC電源芯片AOZ1014作為四路電源，輸入電壓是5.0～17 V，輸出電壓是0.9～17 V，工作頻率為600 kHz，可對(duì)短路、過(guò)流、過(guò)溫、欠壓進(jìn)行保護(hù)。電源芯片AOZ1014的應(yīng)用原理圖如圖7所示。

2.2.2 AC97音頻的原理圖設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)需要達(dá)成的音頻性能有音頻播放、視頻播放、錄音等，S3C6410能給出IIS和AC97音頻接口。

將WOLFSON公司的AC97解碼芯片WM9714作為芯片，其具有高度集成化的特點(diǎn)，適用于移動(dòng)計(jì)算以及通信設(shè)備方面。其直接與單聲道或立體聲麥克風(fēng)、立體聲耳機(jī)及單聲道揚(yáng)聲器進(jìn)行連接，減少了元件使用量，節(jié)約成本。WM9714L還供應(yīng)5個(gè)GPIO引腳用在其他數(shù)字式器件的入口處。這個(gè)模塊經(jīng)過(guò)AC97標(biāo)準(zhǔn)的AC?Link接口結(jié)合了所有功能，同時(shí)完成對(duì)其的管理。WM9714L的規(guī)定電壓是1.8～3.6 V。運(yùn)用軟件對(duì)芯片的整個(gè)局部是否連接進(jìn)行管理，使得功耗大大降低，其原理圖設(shè)計(jì)如圖8所示。

2.2.3 TD模塊接口原理圖設(shè)計(jì)

TD模塊接口選擇SIMCom公司生產(chǎn)的SIM4100接口，其具有功能強(qiáng)大、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，工作電壓為5.2 V。該模塊中分別用MIC及SPK1P，SPK2N對(duì)麥克及耳機(jī)進(jìn)行輸送，需把其引出與物理耳機(jī)、麥克接口處連接在一起，RST是模塊的開(kāi)關(guān)信號(hào)，通過(guò)一組全功能串口和S3C6410進(jìn)行連接，達(dá)到這個(gè)模塊的運(yùn)用效果。細(xì)致的原理圖設(shè)計(jì)步驟如圖9所示。

2.3 FPGA板原理圖設(shè)計(jì)

按照預(yù)先的結(jié)構(gòu)方案在獨(dú)立的PCB板上對(duì)FPGA芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于FPGA板原理圖的設(shè)計(jì)，主要從簡(jiǎn)化的角度分析，除了擴(kuò)展出與CPU連接所需的I/O口之外，僅需預(yù)留若干用于檢測(cè)的一組I/O口即可，該FPGA模塊使用16位數(shù)據(jù)總線，便于調(diào)試以及擴(kuò)展其他功能。

FPGA調(diào)試電路的設(shè)計(jì)包括兩部分：

一部分是AS配置接口與AS配置芯片，要設(shè)計(jì)結(jié)束的程序模塊傳送至配置芯片，那么每個(gè)使用FPGA時(shí)，它把自動(dòng)載入配置芯片里的程序，負(fù)責(zé)結(jié)束某一指定功效。配置接口及配置芯片原理圖如圖10所示。另一部分是JTAG調(diào)試接口，其融入AS模式，JTAG設(shè)計(jì)只負(fù)責(zé)進(jìn)行臨時(shí)調(diào)整。具體原理圖如圖11所示。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了證明本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)的有用性，須要實(shí)行有關(guān)的實(shí)驗(yàn)解析。實(shí)驗(yàn)以某一移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備為研究對(duì)象。除了斷電之外，系統(tǒng)休眠是最低功耗狀態(tài)，其為完成系統(tǒng)低功耗的重要途徑。系統(tǒng)進(jìn)行休眠后，切斷內(nèi)部供電，只保留喚醒邏輯模塊，達(dá)到最低功耗狀態(tài)。因?yàn)橄到y(tǒng)空閑狀態(tài)通常用于為系統(tǒng)進(jìn)入休眠提供條件，因此功耗測(cè)試重點(diǎn)分析運(yùn)行態(tài)以及休眠態(tài)的功率消耗情況。

在IPv4網(wǎng)絡(luò)下，依據(jù)上述分析對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，獲取的結(jié)果如表1所示。

表1 IPv4下系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果

以上IP視頻電話是一個(gè)典型的移動(dòng)互聯(lián)設(shè)備系統(tǒng)。其功能主要依靠軟件和硬件的協(xié)同工作才能完成。在進(jìn)行黑盒和白盒的測(cè)試過(guò)程中，對(duì)于出現(xiàn)的突發(fā)故障，可能是由于多個(gè)控件產(chǎn)生故障所引起的。對(duì)于出現(xiàn)的一些測(cè)試性故障，進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并給出了解決方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

當(dāng)以移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)為主的IP視頻電話的雙方無(wú)法通信，出現(xiàn)斷路的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不能發(fā)送，接收端也出現(xiàn)較大的問(wèn)題。給出的解決方案如下：首先對(duì)二者硬件連接正確與否、WiFi能夠正常使用進(jìn)行判斷；若網(wǎng)絡(luò)連接正常，對(duì)雙方IP地址正確與否、雙方能否ping通進(jìn)行判斷，在IPv4下需通過(guò)ping6命令加對(duì)方地址進(jìn)行檢測(cè)；若網(wǎng)絡(luò)硬件以及操作系統(tǒng)均運(yùn)行正常，系統(tǒng)之間能夠正常ping通，則測(cè)試應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)以及編程是否正確依據(jù)通信協(xié)議組包，保障網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)行通暢穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1] 張策，楊緒劍，王君君.基于FrameBuffer的LCD驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（23）：5372?5375.

[2] 唐浩，代少升.Qt/Embedded在S3C2440平臺(tái)上的移植與開(kāi)發(fā)[J].電視技術(shù)，2010，34（10）：32?35.

[3] 張廣斌，宮金林，陳爽.SQLite嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（6）：11?13.

[4] 倪天龍，張賢高，王培.數(shù)據(jù)庫(kù)SQLite在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005（10）：35?37.

[5] 宋國(guó)軍，張侃諭，林學(xué)龍.嵌入式系統(tǒng)中U?Boot基本特點(diǎn)及其移植方法[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（10）：78?81.

[6] 張國(guó)華，朱世偉，高常波.基于AT91RM9200的U?Boot顯示驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù)，2013（8）：153?155.

[7] 師娟娟，彭迪.基于ARM9的嵌入式Linux移植[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（信息與管理工程版），2008，30（2）：205?208.

[8] 成月良，方壽海.面向應(yīng)用的嵌入式Linux剪裁方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009，30（11）：2684?2686.

[9] 陸寶輅，邵貝貝，李薦民.uClinux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2003（6）：81?83.

[10] 唐輝，賈曉華.基于ARM的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)，2012，39（1）：44?46.