(11)嵌入式系统设计实例

第11讲 嵌入式系统设计实例

第一章 嵌入式控制系统设计工作

2002年开始从事嵌入式系统的设计与研究工作

项目支持：嵌入式移动数据库的应用研究，2003,广东省教育厅，5万元 嵌入式智能水文信息采集网络控制器的研究，20004,广东省水利厅，10万元 基于移动数据库的网络通用控制器的研究，2003,广东省科技计划项目，20万元 基于嵌入式移动数据库的水利信息化智能测控器的研究，2004,东莞市科技计划项目 ，15万元 基于嵌入式移动数据库的工业现场网络智能控制器的研究，2004,广州市科技计划项目，50万元 基于工业现场控制网络的嵌入式RFID控制器的研究，2005,广东省科技计划项目，55万元

项目参加研究生：3届基于嵌入式uClinux的测控系统网络平台的研究，2004,仲兆峰

基于ARM与uC/OS-II嵌入式系统的研究与应用，2005,唐其伟 基于QTE的嵌入式工业网络控制器的系统开发与研究，2005,许星嵌入式水文信息采集智能终端的研究与设计，2006,刘 泽 建

基于嵌入式网络控制器的工业监控系统的研究与实现,2006,周珊珊

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CPU

Motorola公司生产的32位RISC结构的MCF5272 微处理器 ARM9核的主频最高达到203MHZ的S3C2410微 处理器 uClinux uC/OS-II Embedded Linux

操作系统

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项目完成情况GPRS 模块 LCD JTAG 接口 12 M 晶振 IO 模块 RS232接口

I/O扩展模块 /

5V 电源

16M NAND FLASH

S3C2410X ARM920T

64 M SDRAM 触摸屏 现场总线协 议转换接口

USB 接口

spi 接口

以太网 PHY

RJ45 以太网 接口

完成的功能

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项目领域

1。工业现场环境网络控制器

2。水文信息采集系统 3。RFID网络控制器4。嵌入式移动数据库

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系统实物图2014年7月31日星期四 6

2.1 系统需求及硬件总体方案设计

2.1.1 系统需求 一般水文信息采集系统包括多个水文数据采集 站，它承担的主要任务是实时采集、存储、传 输各采集站的水位、流量、日降水量、水库水 位、入库流量、蓄水量等信息，实现水文信息 采集和长期存储的数字化处理，并将实时采集 的数据通过嵌入式控制器经GPRS空中接口接 入无线网络，并由移动服务商转接到Internet, 最终通过各种网关和路由到达统一的数据处理 中心工作站，其功能框图如图2-1所示。

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IO模块 水 水 文 文 传 传 感 感 器 器 1 n

监控中心

执 执 行 行 器 器 1 n

主 控 制 器

Internet WANTCP/IP GPRS Connection GPRS通信模块 数 据 中 心

其他用户

图 2-1 嵌入式水文信息采集系统框图

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要研究和设计的嵌入式控制器需满足以下几个方 面的技术要求： 1.控制器应具有数字量、模拟量I/O读写功能， 能很好地读取底端的水文信息采集传感器(如流 量计、水位计等)的数据并能控制各执行器动作； 2.控制器应具有现场水文信息实时显示、数据 查询的功能； 3.控制器应具有良好的有线和无线通信的功能， 能将现场采集到的数据发送到服务器； 4.控制器应具有很好的实时处理能力，将得到 的水文数据进行分析后分组打包，按照设定的协 议将数据传送到数据中心。

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2.1.2 系统硬件平台总体设计方案

通常的嵌入式设备的硬件架构是以嵌入式微处理 器为核心，通过CPU扩展接口以及平台硬件的支 持，把众多的外设单元集到整个系统中，并通过 CPLD等逻辑转换器件和其它硬件电路完成对外 设模块进行读写和控制操作。 本智能终端采用了S3C2410X处理器，利用 S3C2410X出色的内核性能和丰富的外部接口构 造一个嵌入式系统平台，其硬件框图如图2-2所 示。

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GPRS模块 LCD JTAG接口 12M 晶振 IO模块

RS232接口

DC/DC转换

5V电源

16M NAND FLASH

S3C2410X ARM920T

64M SDRAM

触摸屏

USB接口

spi接口

以太网PHY

RJ45以太网 接口

图2-2嵌入式水文信息采集智能终端硬件构架

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各部份基本功能如下： 1.处理器采用S3C2410X,该芯片基于ARM920T 内核，采用五级流水线 和哈佛结构，提供1.1M IPS/MHz 的性能，是高性能和低功耗的硬宏单元。 2.电源电路为5V到3.3V、3.3V到1.8V的DC-DC转换器，给S3C2410X及 其他需要3.3V电源的外围电路供电。 3.采用12MHz晶振为S3C2410X芯片提供系统时钟，通过S3C2410X芯片 内部集成的时钟控制逻辑可以产生系统所需的不同频率的时钟信号。 4.NAND FLASH存储器存放Bootloader、嵌入式操作系统、应用程序和 其它在系统掉电后需要保存的用户数据等。 5.SDRAM存储器作为系统运行时的主要区域，系统及用户数据、堆栈 均位于SDRAM存储器中。 6.1OM/1OOM以太网接口为系统提供以太网接入的物理通道，通过该 接口,系统可以10M或1OOMbps的速率接入以太网。 7.JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统 进行调试、编程等。 8.系统通过一个RS232串口接一GPRS模块，实现无线数据传输功能。 9.系统通过SPI接口扩展IO模块，负责数字量和模拟量的输入输出。

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2.2 系统硬件电路详细设计

基于GPRS的嵌入式水文信息采集智能终端 主要分为两部分来设计，一部份为核心板， 另一部分为扩展板，这样做的优点是两块 板可分别调试，高频和

低频分离，核心板 做成6层板而扩展板可做成2层板，这样可 大大节省成本,其原理框图如图2-3所示。

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图 2-3 嵌入式水文信息采集智能终端核心板原理图

接 扩 展 板 接 口

64M SDRAM

CPU S3C2410X

16M FLASH

外部晶振

图 2-3 嵌入式水文信息采集智能终端核心板原理图

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2.2.1

核心板硬件设计

2.2.1.1 CPU S3C2410X功能概述 S3C2410X是基于ARM920T内核的，最大工作频率能达到203MHz;可支持 基本的外设接口，如彩色TFT LCD、USB、IIC、IIS、SPI、UART等，并支 持MMC和SD等标准的外部插卡。S3C2410X能支持NAND FLASH启动，具 有很高的性价比，另外S3C2410X在市场上已有很多成熟的应用，因此作者 选用了S3C2410X作为基于GPRS的嵌入式水文信息采集智能终端的应用处 理器，下面是对S3C2410X功能的简要说明： S3C2410X芯片是韩国三星电子公司推出的一款基于ARM920T内核的16/32 位RISC嵌入式微处理器，作为S3C2410X芯片的CPU内核，16/32位 ARM920T RISC微处理器采用0.18um CMOS标准单元结构。ARM920T内核 由ARM9TDM1存储管理单元(MMU)和高速缓存三部分组成。其中MMU可以 管理虚拟内存，高速缓存由独立的16KB地址和16KB数据高速Cache组成。 S3C2410X芯片集成了一个LCD控制器(支持STN和TFT液晶显示屏)、NAND FL-ASH控制器、SDRAM控制器、3个通道的UART、4个通道的DMA, 4个 具有PWM(脉冲宽度调制)功能的计时器和一个内部时钟、8通道的10位ADC。 S3C2410X还有很多丰富的外部接口，如触摸屏接口、I2C总线接口、I2S总 线接口、两个USB主机接口、一个USB设备接口、两个SPI接口、SD接口和 MMC卡接口。在时钟方面S3C2410X也有突出的特点，该芯片集成了一个 具有日历功能的RTC(实时控制)和具有PLL(M-PLL和UPLL)的芯片时钟发生 器。MPLL产生主时钟，能够使处理器工作频率最高达到203MHz。这个工 作频率能够使处理器轻松运行WinCE, Linux等操作系统以及进行较为复杂 的数据处理。2014年7月31日星期四 15

2.2.1.2 FLASH接口电路设计

本设计中设定数据宽度为32位,而在ARM中希 望字单元的地址是字对齐的,这就要求地址的 低两位为0,即地址为0B00,因此在连接 SDRAM和FLASH时要使其地址低两位A[0:1]为 0。FLASH采用三星的KM29U128T,FLASH在 实际中主要用nFWE、nFOE、ALE、CLE、 nFCE等的控制信号，电路图如图2-4所示。

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图 2-4 NAND FLASH接口电路图

图 2-4 NAND FLASH接口电路图

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2.2.1.3 SDRAM接口电路设计

在本系统中采用两片32M现代海力思的SDRAM 芯片HY57V561620扩展成64M,S3C2410X对 于SDRAM的控制信号有nSRAS、nSCAS、 nSCS[1:0]、DQM[3:0]、SCLK[1:0]、SCKE、 nBE[3:0]、nWBE[3:0]等, 可以直接与 HY5

7V561620相连来控制其存取，其电路接 线图见附录2。

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2.2.2 扩展板硬件电路设计

扩展板的设计主要是根据终端的需要而设计的 一些外围电路，在本系统中主要包含以下几个 部份：电源管理模块、TFT LCD接口、触摸屏 接口、通过SPI接口扩展IO模块、通过UART扩 展GPRS模块、USB接口、10M以太网接口、 JTAG接口，下面就各部份作具体的设计。

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2.2.2.1 电源电路设计

在该系统中，需要使用5V和3.3V的直流稳压电 源，其中，S3C2410X及部分外围器件需3.3V 电源，另外部分器件需5V电源，5V直流电源 通过DC-DC转换成3.3V,由于ARM内核需要 1.8V的电源，因此需要将3.3V再转换成1.8V, 系统电源电路如图2-6所示:

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图 2-6 电源电路图

图 2-6 电源电路图

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c8nj.html