嵌入式系统设计6

1、第六讲接口技术与硬件设计,一、最小系统及其结构图二、电源模块设计三、时钟模块设计四、复位电路设计五、存储系统设计六、调试与测试接口设计七、典型电路设计八、GPIO应用举例,6.1最小系统及其框图,1、简介一个能够独立工作的处理器，肯定是有供电装置的，加上时钟信号，提供复位信号，如果芯片没有片内程序存储器，则还要加上存储器系统，然后嵌入式处理器芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。大多数基于ARM7处理器核的微控制器都有调试接口，这部分在芯片实际工作时不是必需的，但因为这部分在开发时很重要，所以也把这部分也归入最小系统中。,

2、最小系统框图,6.2电源模块设计,1、简介电源系统是整个系统工作的基础，它为整个系统提供能源，起着及其重要的地位。对于一个系统而言，很多的故障都是由电源系统所直接或者间接地引起的，所以有一个稳定的电源系统是很有必要的。,2、电源类型对于LPC22XX系列而言，理想情况下需要提供4组独立的电源（V3.3D、V3.3A、V1.8D、V1.8A，V3.3D表示数字电源，V3.3A表示模拟电源），它们需要单点接地或大面积接地。甚至还有为系统中其它的部件提供更多种类的电源。但如果没有使用LPC2000内部的AD功能，或对AD的要求不高，模拟电源和数字电源可以不分开供电。这样LPC22XX只需要两组电源。

3、,3、末级电源电路的设计,系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源。Sipex半导体SPX1117是一个好的选择，它的性价比较好，且有一些产品可以与它直接替换，减少采购风险。,SPX1117主要特点：0.8A稳定输出电流；1A稳定峰值电流；端固定或可调节电压输出；低静态电流；0.8A时低压差为1.1V；0.1%线形调整率/0.2%负载调整率；2.2uF陶瓷电容即可保保持稳定；过流及温度保护；多种封装：SOT-232、TO-252等。,芯片简介,末级电源电路图,4、前级电源电路的设计,参考芯片数据手册，得知SPX1117允许的输入电压可达20V，

4、但太高的电压使芯片的发热量上升，散热系统不好设计，同时影响芯片的性能。这样，就需要前级电路调整一下。如果系统可能使用多种电源，各种电源的电压输出不一样，就更需要前级调整以适应末级的输入。通过之前的分析，前级的输出选择为5V。,前级电源电路图,根据系统在5V上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路可以使用模拟电源。模拟电源的特点：电路简单，输出电压纹波较小，并且干扰较开关电源小得多。电路图如下：,6.3时钟电路设计,就目前而言，所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数微控制器具有晶体振荡器。所以我们需要设计时钟电路。简单的方法是利用微控制器内部的晶体振荡器，但有些场合（

5、如减少功耗、需要严格同步等情况）需要使用外部振荡源提供时钟信号。,时钟电路原理图,使用外部时钟,使用内部振荡器,可以使用稳定的时钟信号源,6.4复位电路设计,由于微控制器在上电时状态并不确定，这造成微控制器不能正确工作，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某个确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微控制器自己在上电时会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。因为这个信号会使微控制初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。,1、复位及其芯片的选择,SP708/R/S/T低功耗微处理器uP监控器件：高精度低电压

6、监控器；独立看门狗定时器；复位脉冲宽度200ms；最大电源电流40uA；支持开关式TTL/CMOS手动复位输入；Vcc下降至1V时，RESET信号仍然有效；WDI可以保持浮空，以禁止看门狗；提供8引脚PDIP、NSOIC及uSOIC封装；可检测供电失败或电压不足的警告；SP708/R/S/T支持高/低电平两种方式。,2、电路连接示意图,6.5存储系统设计,对于大部分微控制器来说，存储器系统不是必需的，但如果微控制器没有片内程序存储器或数据存储器时，就必须设计存储器系统，这一般通过微控制器的外部总线接口实现。,存储器系统实例,6.6调试与测试接口设计,调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统

7、越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也要重视了。LPC2000有一个内置JTAG调试接口，通过这个接口可以控制芯片的运行并获取内部信息。,LPC22XX调试接口电路图,LPC22XX调试接口电路图之一,LPC22XX调试接口电路之二,注意：在上面介绍的两个电路图中均具有ETM接口，但是ETM功能仅在高级仿真器中具有，如果使用的仿真器没有此功能，可以把这个接口去掉，同时把接在TRAC-ESYNC信号的电阻也去掉。,6.7典型外部电路设计,1、GPIO（键盘、蜂鸣器）2、串口电路,主要内容:,1、GPIO外设接口设计,LPC2000系列的绝大多数GPIO为真正的全双向I/O口，可以独立控制每一根

8、I/O口线的状态是输入还是输出，绝大多数GPIO的输出为推挽输出，可以独立控制每一根I/O口的输出状态。虽然LPC2000系列的I/O电压为3.3V，GPIO的输出最高为I/O口电源电压，但绝大多数GPIO能够承受5V电压的输入，绝大多数GPIO作为输入时是处于高阻状态。因为LPC2000系列的GPIO有以上特性，所以可以用它们（通过程序）模拟很多器件的时序达到控制相应器件的目的。,（1）按键设计,独立式按键输入电路,特点：根据IO口的状态了解外部按键是否按下；编程简单，但是口线利用率不高。,特点：行线逐个输出，列线读入，循环一次可以了解外部按键状态；可以连接较多按键；编程较复杂。,（2）行列

9、式按键输入电路,2、蜂鸣器,原理：如果为直流蜂鸣器，那么只需提供额定电压就可以鸣叫。如果为交流蜂鸣器，那么需要提供一定频率的交流信号，蜂鸣器才能鸣叫。通过IO口控制蜂鸣器的供电。R1为上拉电阻可以避免当IO口作为输入时，Q1基极悬空引起漏电。,3、串口电路,（1）UART简介：通用异步收发器UART(即UniversalAsynchronousReceiverandTransmitter)是用硬件实现异步串行通信的通信接口电路。UART异步串行通信接口是嵌入式系统最常用的接口，可用来与上位机或其它外部设备进行数据通信。LPC22XX系列ARM7微控制器均具有两个UART，它们的结构及寄存器符合

10、16C550工业标准。,（2）UART0接口电路,如果要使用UART0与RS232接口的设备进行基本的通讯，那么就需要一个RS232转换器将TTL电平转换成RS232电平。如下图：,（3）UART1接口电路,与UART0不同的是，UART1带有完整的调制解调器(MODEM)接口，只要使用SP3243ECA转换芯片将信号转换成RS232电平，即可与MODEM连接，控制MODEM拔号、通讯等等。,6.8GPIO应用举例,LPC2210微控制器包含四个端口P0，P1，P2和P3，P2和P3这个两个端口与外部存储器总线复用，当它们全部作为GPIO使用时，GPIO引脚数多达112个。,1、引脚描述,GPIO与控制寄存器的关系,2、GPIO相关寄存器描述,3、使用GPIO注意要点,引脚设置为输出方式时，输出状态由IOxSET和IOxCLR中最后操作的寄存器决定；大部分GPIO输出为推挽方式（个别引脚为开漏输出），正常拉出/灌入电流均为4mA（短时间极限值40mA）；复位后默认所有GPIO为输入模式。,4、GPIO应用实例,实例一设置P0.1口输出低电平,程序代码,PINSE