基于ARM的嵌入式通讯平台设计

2010-06-05杨宝龙华斌

船电技术 2010年1期

杨宝龙华斌

（中国船舶重工集团公司712研究所，武汉 430064）

1 引言

随着信息技术的发展，以台式计算机为主流的时代将进入以嵌入式系统形式存在的“后PC”时代。ARM体系作为专为嵌入式系统设计的处理器内核，由于其高性能、低功耗、易扩展的特点，己成为嵌入式系统领域应用最广泛的处理器之一。同时随着工控及消费电子领域的发展，对于通信方式及速度等的要求越来越高，目前比较流行的通讯方式包括各种总线通讯及无线通讯等。

本文介绍了在以LPC2294为核心的ARM控制器的基础上，充分利用ARM的控制优势，整合各种通讯方式，为开发者打造一个资源丰富的嵌入式通讯控制平台，在此平台上囊括了目前流行的各种通讯方式以及基本的键盘输入、LCD彩色液晶显示、触摸屏等人机接口。开发者可在其上方便地开发各种通讯类产品，使产品研发周期更短，上市时间更短，系统可靠性更高，性价比更高。

2 系统设计

整个平台的硬件组成由一块核心板以及一块功能板组成，使用板间连接的方式组成一个整体，采用此种设计可使两块板方便的与另外所需的控制板组合，组成新的系统，也利于各种模块尤其是处理器的更新换代。

平台功能划分框图如图1所示。

核心板包括处理器及其最小外围扩展电路，该模块是整个平台的核心，负责所有的控制与信息处理、存储，软件操作系统存放于其外扩闪存中。处理器的资源处理与使用情况为：利用其UART0完成IAP与RS232功能，UART1扩展为RS485功能，4路CAN口只引出2路CAN口，存储空间4个 BANK：BANK0、BANK1、BANK2分配给片外存储器，BANK3的CS3与地址A23、A22经过3-8译码器分配给液晶、以太网芯片、其他需片选的控制器。共引出4路I/O口作为指示灯控制引脚。

功能板包括各种通讯方式的收发及控制电路，电源、键盘、显示、触摸屏等的控制电路和接口电路，实现各种通讯功能与人机交互。

2.1 处理器及外围电路

该部分包括 ARM 控制器及扩展 NAND FLASHROOM，SRAM，NOR FLASHROOM，EEPROM以及复位、晶振和必要的跳线开关等，ARM控制器选用NXP的LPC2294，LPC2294是基于一个支持实时仿真和跟踪的 16/32位ARM7TDMI的控制器，片内集成了256 KB的高速Flash存储器和l6 KB的静态RAM。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32位代码能够在最高时钟速率下运行。此外，LPC2294处理器还具有很多其他特性，使得它非常适用于工业控制；外部8、16或32位总线；片内Boot装载程序实现ISP和IAP，为数据存储和固件升级带来极大的灵活性；4个CAN接口，带有先进的验收滤波器；2个 32位定时器(带 4路捕获和 4路比较通道)、PWM 单元(6路输出)、实时时钟和看门狗；多个串行接口，包括 2个工业标准UART；高速I2C接口(400 kHz)和2个SPI接口；向量中断控制器，可配置优先级和向量地址；多达112个通用I／0口(可承受5V电压)。

NAND FLASHROOM 采用的是K9F2808U0C，存储空间为（16M+512K）×8 位，片内写控制自动实现所有编程和擦除功能；SRAM 采用的是 IS61LV51216，共有 512 K×16（8MB）的存储空间；NOR FLASHROOM采用的是SST39VF160，其大小为 1M×16（16MB）。可通过跳线选择程序的启动、下载是从SRAM还是 NOR FLASHROOM；EEPROM 选择的是CAT24WC16，其容量为 16KB，接口方式为 I2C总线方式[2]。

复位芯片采用MAX708，其复位输出端直接接单片机的RST脚。

2.2 CA路N收发电

CAN隔离收发器采用 CTM1050芯片，CTM1050是一款带隔离的高速 CAN收发器芯片，该芯片内部集成了所有必需的DC/DC模块、电气隔离器件、CAN收发器件以及总线保护器件。芯片的主要功能是将 CAN控制器的逻辑电平转换为 CAN总线的差分电平并且具有 DC 2500 V的隔离功能。该芯片具有良好的EMC性能，在不上电状态下有理想的无源性能，并集成有完善的总线保护功能。其网络端接有瞬变抑制器、分立终端电阻及其跳线[5]。

CTM1050的输入、输出线直接接于LPC2294的CAN0口和CAN1口，两路CAN独立，可分别接入两个CAN网络[5]。

2.3 以太网电路

以太网控制器采用的是RTL8019AS，该芯片是 8／16位 ISA总线的以太网控制器，RTL8019AS实现了以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)的功能，包括MAC数据帧的组装／拆分与收发、地址识别、CRC编码／校验等。支持IEEE02.3；支持8位或16位数据总线；内置16KB的 SRAM，用于收发缓冲；全双工，收发同时达到l0Mbps。

8019芯片的工作电压是+5 V，LPC2294的内核电压是1.8 V，I/O口等逻辑电压是3.3 V。虽然其I/O口可耐受5 V，但相互之间的I/O口连接仍通过限流电阻，以增加可靠性。采用16位数据总线与LPC2294连接。

网络隔离变压器与连接器采用集成于一体的HR901170A。

2.4 USB电路

USB控制器采用的是 CH375，CH375 是一个 USB总线的通用接口芯片，支持 USB-HOST主机方式和 USB-DEVICE/SLAVE 设备方式。CH375 的USB主机方式支持常用的USB全速设备，外部单片机可以通过CH375按照相应的USB协议与 USB 设备通讯。CH375 还内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单位读写常用的 USB 存储设备（包括 USB 硬盘/USB闪存盘/U 盘在本地端，CH375 具有8 位数据总线和读、写、片选控制线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机/DSP/MCU/MPU等控制器的系统总线上。在 USB主机方式下，CH375还提供了串行通讯方式，通过串行输入、串行输出和中断输出与单片机/DSP/MCU/MPU 等相连接。

CH375通过双向总线驱动器 74AC245与LPC2294的低8位数据总线连接，其他的读、写控制线与LPC2294相应的读、写控制线连接，中断口连接LPC2294的P0.15脚（硬件中断1），片选连接于3-8译码器的1路输出。USB主机和设备的接口共用。提供1路连接指示灯。

2.5 串口

RS232接口芯片采用的是MAX3232，连接于UART0口。RS485采用的是MAX3082，集成有必要的电磁防护措施，连接 UART1口。均采用DB9连接器。

2.6 无线

射频收发器采用德州仪器的CC1100，该器件是用于低功耗无线应用的业界系统成本最低的多通道无线电产品。工作于433 MHz频段，控制接口为SPI，有效传输距离可达100 m。

LPC2294的SPI0口控制CC1100，天线采用可拆卸式。

备有蓝牙模块可接插于UART1口。

2.7 其他功能接口

键盘控制芯片采用 MAX7348，可监控达 40个按键，按键输入被静态监控而非动态扫描，确保低EMI，键盘控制器对按键操作去抖并将其保存在 FIFO中（如果使能自动重复电路，包括自动重复按键），I2C接口[3]。

液晶显示器及触摸屏采用 240*320点阵的彩色TFTG240320UTSW。并行8位数据总线接口。LED背光。

另外通过 MAX7317 串行接口外设器件为微处理器扩展10 个I/O 端口，额定电压为7V。每个端口都可单独配置为漏极开路输出或带有过压保护的施密特输入，接入4路LED等。

2.8 电源电路

LPC2294要使用2组电源，I/O口供电电源为3.3V，内核及片内外设供电电源为1.8 V，外部接入电源为DC24 V，经过DC-DC模块转换为5 V，再使用 LDO芯片(低压差电源芯片)稳压输出 3.3 V及 1.8 V。LDO芯片采用了 SPX1117-3.3和SPX1117-1.8，其特点为输出电流大，精度高，稳定性高，功耗低。微控制器的模拟电源和数字电源经过10uH的电感隔离[4]。

2.9 软件

该平台操作系统使用uC /OS-II。uC/OS-II主要特点如下：源代码公开。uC/OS-II不仅公开全部的源代码，并且对代码有详尽的注解；可移植：绝大部分uC /OS-II的源代码是用ANSIC 语言编写。只有和处理器相关的部分是用汇编语言编写。所以只要对处理器相关的部分作相应修改，uC/OS-II就可以在绝大多数8位、16位、32位甚至64位的系统上运行；可剥夺实时内核。uC /OS-II是个完全占先式内核，而响应时间是可知的很适合于对实时性要求比较高的系统；多任务，uC/OS-II最多可以运行64个任务，有8个为系统保留，所以应用程序最多可以有56个任务。每个任务必须有不同的优先级；可确定性，uC /OS-II全部的函数谓用和执行时间都有可确定性；系统服务的执行时间不依赖于应用任务的多少；可裁减，uC /OS-II依靠条件编译实现可裁减性[1]。

在LPC2294上的移植，完成的工作包括：修改三个和体系结构相关的文件；OS_CPU_C.C、OS_CPU_C.H以及OS_CPU_A.S。主要内容为：数据类型定义；ARM处理器相关宏定义；堆栈增长方向、任务的切换等。