基于S3C44B0X的电能质量分析仪的硬件设计

张大磊, 姚 怡



基于S3C44B0X的电能质量分析仪的硬件设计

张大磊1, 姚 怡2

(1. 湖南文理学院 物理与电子科学学院, 湖南 常德, 415000; 2. 广西大学 计算机与电子信息学院, 广西 南宁, 530004)

以电能质量分析仪的前期开发板的硬件设计为目标, 根据嵌入式体系结构和嵌入式系统设计的原理及相关芯片手册, 构建了基于Samsung公司S3C44B0X ARM7 TDMI处理器的硬件开发平台. 详细阐述了构建核心系统的过程并根据需要扩展了丰富的接口, 包括存储模块、电源、时钟、Reset电路、JTAG接口、以太网接口以及扩展功能设计方面的LCD接口、触摸屏接口、USB接口、串行接口, 为后续开发奠定了基础.

嵌入式; S3C44B0X; ARM ; 硬件设计

嵌入式系统具有很强的针对性, 通常只用来开发专用的电子产品. 目前国内普遍认为开发嵌入式系统应以需求为目的, 以计算机技术为基础, 并要为了适应电子产品对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面的要求而对嵌入式的软件硬件进行相应裁剪[1].

目前国内嵌入式领域应用较为广泛的CPU架构主要有: ARM、MIPS、Power PC、x86、Coldfire. 其中ARM以其高性能、低成本、低功耗的特点被广泛应用于工业控制领域、消费类电子产品、移动式设备等方面.

SAMSUNG公司的S3C44B0X 16/32位RISC处理器常被设计来为手持设备提供一个低成本高性能的解决方案. S3C44B0X基于0.25 μm CMOS工艺制造的ARM7 TDMI内核并提供了以下配置：8 kB cache 和可选的内部SRAM, LCD控制器(最大支持256色STN, 使用LCD专用DMA), 带自动握手的2通道UART(支持IrDA1.0, 具有16 B FIFO), 1通道SIO, 2个通用DMA, 2个外设用DMA(具有外部请求引脚), 系统管理器(FP/EDO/SDRAM控制器), 带PWM功能的5通道定时器和一个内部定时器, 看门狗定时器, I/O端口, 具有日历功能的RTC, 8通道10位ADC, IIC总线接口, IIS总线接口, 同步SIO接口和PLL倍频器[2].

S3C44B0X功耗很低, 其精简, 出色和全静态的设计特别适用于对成本和功耗敏感的电子产品开发. 此外因其内部集成了A/D转换器, 可以方便地进行A/D方面的测试. 此外S3C44B0X还采用了一种新的总线结构SAMBA II (SAMSUNG ARM CPU embe-dded Microcontroller Bus Architecture), 该架构也对便携产品的开发非常适合. 而现在市面上的电能质量分析仪大多采用成本高昂的ARM9加DSP, 但对于电能质量的一般性采集分析而言, 选用ARM7也能胜任这样的工作, 而且ARM7中也不乏S3C44B0X这样即便宜又高效的开发板, 而且其板载有A/D输入端, 只需开发A/D转换程序即可使用.

综合考虑到以上各因素, 选择S3C44B0X为系统核心开发电能质量分析仪, 并以前期开发所需功能为目标进行相关设计.

电能质量分析仪核心部分包括：存储模块、电源、时钟、Reset电路、JTAG接口、以太网接口、串行接口. S3C44B0X内置了8通道10位ADC及LCD控制器, 该设计为减少外围电路、增加系统的稳定性起到了一定的作用. 考虑到现今对数据采集手段的不同需求, 还提供了LCD接口、USB接口[3]. 电能质量分析仪系统结构见图1.

图1 系统的结构框图

1 系统核心部分设计

为构建一个高效、稳定、价廉的核心系统, 本设计遵循的原则为: a. 在满足性能要求的条件下选用性价比较高的芯片; b. 尽量选用对系统紧凑性影响较低的设计方案; c. 便于功能扩展, 以适应多种环境下的需求.

1.1 存储模块

闪存以其制造成本低、体积小、容量大、掉电数据不丢失、可以反复多次擦写进行测试的特性, 在嵌入式系统中被做为具有一定灵活性的只读存储器. 考虑到将来写入系统启动代码、操作系统内核、根文件系统及数据采集程序的大小, 为该系统配备2 M字节大小、16位数据宽度的FLASH芯片就够用了.

在SDRAM的选型上, 考虑到RAM芯片需要不停刷新数据带来的功耗问题, 选用低功耗产品. 芯片容量大小选择为8 M字节.

在地址引脚连接上应注意, 存储器地址引脚A0 A1 A2……, 应对应S3C44B0X的16位数据总线A1 A2 A3……. nGCS6、7不支持DRAM 和SDRAM的组合. 但支持以下组合：DRAM& DRAM, SDRAM&SDRAM, SRAM&SRAM, SRAM &DRAM和SRAM&SDRAM.

1.2 电源、时钟、Reset电路、JTAG接口

电源电路采用DC供电(3.3 V), 通过转换芯片产生另一路电压2.5 V. 其中2.5 V电压给ARM内核供电, 3.3 V给I/O口及外围电路供电.

时钟电路主要由10 MHz晶振组成, 通过设置PLL寄存器产生66 MHz的时钟信号. 时钟电路可以为CPU提供时钟信号, 而且也能为外围设备提供时钟信号.

Reset电路通过MAX811/812, 由外部按键触发使芯片产生一个有效的nRESET复位信号. nRESET至少保持5个时钟周期低电平, 当其为高电平时, S3C44B0X进行初始化操作[4].

S3C44B0X提供芯片上的ICE断点调试, 该调试在开发初期对验证程序的正确性起到了至关重要的作用. 通过相应接口可以直接对CPU内部的寄存器进行访问, 实时了解程序的动态. 通常为此接口连接一个14路的插座, 这个插座通过14路IDC线接到ICE模块. 此外还需设置一个开关用来在调试时断开nRESET与nTRST的连接.

1.3 以太网接口

Realtek RTL8019AS作为一款全双工即插即用型的以太网接口芯片被普遍地应用在ARM系统中. 它内置了16 kB的SDRAM 用于收发缓冲, 支持IEEE802.3标准(10Base5, 0Base2, 0BaseT), 采用100脚PQFP封装, 缩小了PCB的体积.

RTL8019AS有3种工作方式：跳线方式、即插即用方式和免跳线方式. 在本设计中考虑到成本及系统的紧凑性, 采用跳线方式. RTL8019AS的I/O地址由其引脚(IOS3、IOS2、IOS1、IOS0)决定, 其中断方式通过芯片引脚(IRQ2、IRQ1、IRQ0)决定, 而其网络接口类型则由引脚(PL1、PL0)决定. 外部引脚LED0、LED1、LED3则可以反映网络的通讯状态. RTL8019AS与S3C44B0X的连接见图2.

图2 RTL8019AS与S3C44B0X的连接示意图

1.4 串行接口

S3C44B0X的UART (Universal Asynchronous Reciever and Transmiter)单元提供了2个独立的异步串行I/O端口, 每个都可以在中断和DMA两种模式下工作. 其UART能够通过产生一个中断或DMA请求以实现CPU跟UART之间的数据传输. 它能支持的最高波特率为115.2 kB/s. 每个UART通道包含2个16字节的FIFO栈, 它们分别用来接收和发送.

本设计采用2个RS232标准串行接口(DB9), 2片MAX3232作为电平转换器, 其中一路用来接收数据, 一路用来发送数据. 芯片供电电压可以选择3.3 V, 电流仅0.3 mA, 另外需要外接4个0.1 μF的电容.

2 扩展功能设计

面对日益发展的对设备功能的需求, 为了给下一步的开发提供更多有利的开发条件, 本设计还加入了LCD接口、触摸屏接口和USB接口.

2.1 LCD接口

S3C44B0X内置的LCD控制器将定位在系统存储器(SDRAM)中的显示缓冲区中, 其LCD图像数据传送到外部LCD驱动器的同时需要同时传送各种相应的控制信号. LCD控制器支持从4级灰度黑白LCD屏到256级颜色的彩色LCD屏, 并支持4位双扫描、4位单扫描和8位单扫描的显示类型.

为突出系统的紧凑性及稳定性, 需选用带LCD驱动器和专门的电压转换电路的LCD模块. 本设计选用LTBHBT 203G31K接口的LCD典型方案.

2.2 触摸屏接口

常见的触摸屏按其工作原理的不同可分为表面声波屏、电容屏、电阻屏和红外屏几种. 各种不同类型的触摸屏被分别应用在不同的场合.

因为考虑到本设计中的成本控制和产品耐用性, 所以在设计中采用电阻触摸屏. 该类型触摸屏最大的特点在于在导电层之上覆盖有一层防刮层, 使得产品具有密封性好、不怕灰尘、水汽和油污的特点. 当有外力作用在该触摸屏上时, 平时相互绝缘的2层导电层就在触摸点的位置有了一个接触, 这使得底层的电压由零转变为一个非零数值, 然后根据这个数值进行A/D转换就可以得到该点的坐标.

触摸屏需要专门的控制芯片来配合使用, 本设计选用带有ADS7843控制芯片的触摸屏模块.

2.3 USB接口

USB(Universal Serial BUS)通用串行总线是一个外部总线标准, 它是目前电脑中的标准扩展接口, 被广泛应用于电脑、数码相机、MP3等电子产品. USB定义了标准A型插头插座、标准B型插头插座、mini A型插头插座、mini B型插头插座. 其后2种对前2种在体积上进行了缩小改进.

在嵌入式系统前期开发过程中, 开发板上普遍采用的是mini B型插座. 这种情况下只需1根一端为标准A型插头, 另一端为mini B型插头的USB连接线就可以实现PC机与开发板的USB通信.

USB设备端同样需要用到专门的USB接口芯片. 综合考虑下本设计采用USBN9603及mini B型插座(常见4pin、5pin接口). 需要注意的是插座D与芯片的3.3 V输出端之间有一个1.5 kΩ的电阻, 其阻值范围必须是1.5 kΩ上下浮动5%, 否则设备将无法被PC或HUB检测到.

3 结论

本文实现了基于S3C44B0X ARM7 TDMI的手持式电能质量分析仪的硬件设计部分, 硬件实现的电路简单, 可靠性高, 而且成本得到了很好的控制, 有一定的实用价值. 产品使用起来也会即经济又方便. 而且由于采用市场上成熟的芯片作为开发对象, 使得系统运行起来也很稳定, 是可行的一套嵌入式系统应用方案. 总之是用较为低廉的成本解决了电能质量的数据采集问题, 并为后续的开发奠定了一定的硬件基础.

[1] 刘淼. 嵌入式系统接口设计与Linux驱动程序开发[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2006.

[2] 唐明军, 杨润贤. 嵌入式数据采集系统的设计[J]. 自动化技术与应用, 2009, 28(10): 100-103.

[3] 张志伟. 基于ARM和Linux的无线数据采集系统设计[J]. 仪表技术, 2009(11): 54-55.

[4] 陈平, 欧阳斌林. 基于ARM的数据采集系统的设计[J].东北农业大学学报, 2008, 29(4): 99-101.

The hardware design of power quality analyzer based on S3C44b0X

ZHANG Da-lei1, YAO Yi2

(1. Department of Physics and Electronics Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China; 2. School of Computer, Electronics and Information Guangxi University, Nanning 530004, China)

Takes embedded power quality analyzer predevelopment as final development target, according to embedded architecture, design principlesof embedded system and related manuals, a development platform of embedded system is developed which uses the S3C44B0X as its embedded microprocessor.It expound the process of building a core system detailedly and in accordance with the need to expand the rich interfaces, including memory modules, power, clock, Reset circuit, JTAG and Ethernet interface, as well as the expansion of functional design including LCD、touchscreen、USB and serial interface, it lay the foundation for follow-up development.

embedded system; S3C44B0X; ARM; hardware design

TP 391.7

A

1672-6146(2010)02-0061-03

10.3969/j.issn.1672-6146.2010.02.016

2010-04-28

湖南文理学院青年专项基金项目(30020092012)

张大磊(1979-), 男, 硕士研究生, 主要研究方向是嵌入式、计算机模拟和人工智能.