基于ARM的CDMA移動電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)——硬件電路設(shè)計(jì).doc

畢業(yè)論文基于ARM的CDMA移動電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì)摘要在很多需要對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的場合中，無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膽?yīng)用日益廣泛。目前普遍使用的方案是嵌入式CPU+CDMA，由CPU負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，然后交給CDMA模塊將其發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。本文深入研究了基于S3C4510BARM處理器和CDMA模塊的移動電話開發(fā)，它是由CPU、FLASH、MEMORY、CDMA、POWER幾個部分組成，通過Protel99se工具軟件完成了其硬件電路的原理圖設(shè)計(jì)和印制電路版設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)了一個移動電話系統(tǒng)的底層硬件設(shè)計(jì)，涉及到的技術(shù)有CDMA技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)等，同時滿足了系統(tǒng)低成本，低功耗、小體積和移動靈活的要求。關(guān)鍵詞:ARMCDMA硬件電路印制電路版目錄摘要.I1緒論.11.1工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與傳輸.11.2CDMA技術(shù).11.3ARM帶來的優(yōu)勢.32Protel99se介紹.62.1Protel99se特點(diǎn).62.2原理圖設(shè)計(jì).72.3PCB設(shè)計(jì).83硬件主要功能塊實(shí)現(xiàn).113.1總體結(jié)構(gòu).113.2ARM微處理器.113.2.1共同特點(diǎn)及分類.113.2.2S3C4510B芯片.123.3FLASH.153.4SDRAM.163.5串行接口電路.173.6JTAG接口.183.7電源模塊.193.8CD615M5.203.8.1CDMA無線模塊接口使用說明.223.8.2主要功能說明.244原理圖與印制板圖的實(shí)現(xiàn).254.1原理圖的實(shí)現(xiàn).254.1.1創(chuàng)建一個新的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫.254.1.2新建原理圖文檔.254.1.3放置元件.274.1.4繪制電路原理圖.284.1.5電氣規(guī)則檢查.284.1.6生成網(wǎng)絡(luò)表.294.2印制板圖的實(shí)現(xiàn).294.2.1PCB設(shè)計(jì)編輯器.294.2.2建立PCB文件.294.2.3布線設(shè)置.304.2.4設(shè)計(jì)規(guī)則檢查.314.3PCB設(shè)計(jì)的一般原則.314.3.1布局.314.3.2布線.314.3.3焊盤.314.4PCB設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)和經(jīng)驗(yàn).324.4.1PCB設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng).324.4.2PCB設(shè)計(jì)中的經(jīng)驗(yàn).325總結(jié).34參考文獻(xiàn).35英文摘要.36致謝.37附錄.38仲愷農(nóng)業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))成績評定表11緒論1.1工業(yè)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集與傳輸無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膽?yīng)用范圍非常廣，涉及行業(yè)有電力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。一般無線數(shù)據(jù)采集終端都用在專用系統(tǒng)中,特別適合小數(shù)據(jù)量低速數(shù)據(jù)傳輸要求，對工作穩(wěn)定性的要求一般較高。數(shù)據(jù)采集一般采用標(biāo)準(zhǔn)RS232或RS485接口，采集壓力、溫度等傳感器數(shù)據(jù)。由CPU負(fù)責(zé)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，然后交給CDMA模塊將其發(fā)送給遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心。CDMA網(wǎng)絡(luò)支持TCPIP協(xié)議并且覆蓋面廣，比起使用短消息和超短波無線數(shù)傳電臺進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，CDMA無論在費(fèi)用、可靠性和可實(shí)施性等方面都具有很大的優(yōu)勢。無線數(shù)據(jù)采集與傳輸終端的設(shè)計(jì)可以有兩套方案：第一套為單片機(jī)CDMA調(diào)制解調(diào)器，此方案雖然硬件成本較低，但功能比較有限，在協(xié)議的開發(fā)和支持上都有一定難度；第二套方案為嵌入式CPUCDMA模塊，此方案雖然硬件成本稍高，需要嵌入式CPU芯片來支持嵌入式操作系統(tǒng)，但可以實(shí)現(xiàn)豐富協(xié)議接口，便于移植和向高端系統(tǒng)應(yīng)用升級，更加便于數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)的目的就在于遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)采集與傳輸。1.2CDMA技術(shù)CDMA是碼分多址的英文縮寫（CodeDivisionMultipleAccess），它是在數(shù)字技術(shù)的分支-擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠(yuǎn)大于信號帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴(kuò)展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼，與接收的帶寬信號作相關(guān)處理，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴(kuò)，以實(shí)現(xiàn)信息通信。移動通信系統(tǒng)有多種分類方法。例如按信號性質(zhì)分，可分為模擬、數(shù)字；按調(diào)制方式分，可分為調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅；按多址連接方式分，可分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）。目前中國聯(lián)通、中國移動所使用的GSM移動電話網(wǎng)采用的便是FDMA和TDMA兩種方式的結(jié)合。GSM比模擬移動電話有很大的優(yōu)勢，但是，在頻譜效率上僅是模擬系統(tǒng)的3倍，容量有限；在話音質(zhì)量上也很難達(dá)到有線電話水平；TDMA終端接入速率最高也只能達(dá)到9.6kbit/s；TDMA系統(tǒng)無軟切換功能，因而容易掉話，影響服務(wù)質(zhì)量。因此，TDMA并不是現(xiàn)代蜂窩移動通信的最佳無線接入，而CDMA多2址技術(shù)完全適合現(xiàn)代移動通信網(wǎng)所要求的大容量、高質(zhì)量、綜合業(yè)務(wù)、軟切換等，正受到越來越多的運(yùn)營商和用戶的青睞。CDMA技術(shù)的出現(xiàn)源自于人類對更高質(zhì)量無線通信的需求。第二次世界大戰(zhàn)期間因戰(zhàn)爭的需要而研究開發(fā)出CDMA技術(shù)，其思想初衷是防止敵方對己方通訊的干擾，在戰(zhàn)爭期間廣泛應(yīng)用于軍事抗干擾通信，后來由美國高通公司更新成為商用蜂窩電信技術(shù)。1995年，第一個CDMA商用系統(tǒng)運(yùn)行之后，CDMA技術(shù)理論上的諸多優(yōu)勢在實(shí)踐中得到了檢驗(yàn)，從而在北美、南美和亞洲等地得到了迅速推廣和應(yīng)用。全球許多國家和地區(qū)，包括中國香港、韓國、日本、美國都已建有CDMA商用網(wǎng)絡(luò)。在美國和日本，CDMA成為國內(nèi)的主要移動通信技術(shù)。在美國，10個移動通信運(yùn)營公司中有7家選用CDMA。到今年4月，韓國有60%的人口成為CDMA用戶。在澳大利亞主辦的第28屆奧運(yùn)會中，CDMA技術(shù)更是發(fā)揮了重要作用。CDMA具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：1.抗干擾性能好；由于CDMA經(jīng)過擴(kuò)頻處理，故抗干擾性能好，可和同頻帶的窄帶共存，而不影響其正常工作。2.抗多徑衰落能力強(qiáng)；多徑衰落是影響移動通信質(zhì)量的一個突出問題，通常必須采取空間分集、自適應(yīng)均衡等技術(shù)加以克服，還有較大衰落余量。CDMA系統(tǒng)可以利用多徑信號提供路徑分集，這樣不但緩和瑞利衰落，而且還緩和了因物理遮擋所造成的慢衰落，從而大大提高通信質(zhì)量。3.系統(tǒng)容量增大；對于FDMA與TDMA，若小區(qū)的頻點(diǎn)或時隙一分配完，則小區(qū)就不能接收新的呼叫，容量有硬性限制。而CDMA是干擾受限系統(tǒng)，在指定的干擾電平下，即使用戶數(shù)已達(dá)到限定數(shù)目時，也還允許增加個別用戶，其缺點(diǎn)是造成話音質(zhì)量下降。業(yè)務(wù)提供者可在容量與話音質(zhì)量之間進(jìn)行平衡。CDMA精確的功率控制和軟切換技術(shù)大大降低了干擾信號的強(qiáng)度和所需的信噪比要求，而且有效地采用諸如話音激活或可變速率話音編碼、分集接收、功率控制。據(jù)介紹，CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的3.7倍，是TACS的11.2倍，是AMPS的13.6倍，是FMFDMA方式的20倍。4.通信質(zhì)量好；CDMA系統(tǒng)采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，綜合應(yīng)用時間分集、頻率分集、空間分集、路徑分集等多種分集技術(shù)克服多徑效應(yīng)，可以獲得很強(qiáng)的抗干擾能力，加上它在越區(qū)切換時采用先建立后中斷的軟切換技術(shù)，保證了CDMA的通信質(zhì)量，特別在越區(qū)切換時無乒乓效應(yīng)。本系統(tǒng)屬寬帶低噪比，波形允許采用高冗余度糾錯編碼和高效數(shù)字調(diào)制技術(shù)來確保高質(zhì)量話音和數(shù)據(jù)傳輸。35.頻率利用率高；CDMA系統(tǒng)的同一頻率，可以在所有小區(qū)內(nèi)重復(fù)使用，其頻率復(fù)用率為2/3（FDMA和TDMA的頻率復(fù)用率為1/7），不需要FDMA和TDMA那樣進(jìn)行頻率配置，大大簡化了小區(qū)分裂和微蜂窩引入。6.多址能力強(qiáng)；CDMA系統(tǒng)多址能力決定擴(kuò)頻編碼間的多址干擾大小，它與使用的擴(kuò)頻編碼方案有關(guān)，與同時發(fā)送信號的用戶間的多址干擾（即擴(kuò)頻編碼的相關(guān)特性）有關(guān)，與允許的接收質(zhì)量有關(guān)（輸出信噪比），因此同時工作用戶間的多址干擾越低，能允許的接收質(zhì)量越低，CDMA技術(shù)的多址能力就越強(qiáng)。7.高度可靠的保密安全性；CDMA移動通信系統(tǒng)是一個保密通信系統(tǒng)，若再加一定的加密算法技術(shù)，能大大提高通信保密性能，這是FDMA、TDMA系統(tǒng)所無法比擬的。分析其采用的擴(kuò)頻系統(tǒng)，要想截獲別人的通信內(nèi)容幾乎是不可能的，如只要機(jī)內(nèi)鋰電池不放完電，它以512kHz的時鐘頻率加以改變其序列的即時狀態(tài)，即使是連續(xù)工作，它的擴(kuò)頻地址序列周期也長達(dá)7年。它還可以方便地在CDMA系統(tǒng)設(shè)置和改變主密鑰、副密鑰、擴(kuò)頻碼表、標(biāo)準(zhǔn)加密算法等，使通信的保密性更為可靠。8.手機(jī)功耗小；CDMA采用功率控制后，僅在衰落期間調(diào)高發(fā)射功率電平，從而使平均發(fā)射功率減小，F(xiàn)DMA的最小功率為5mw、平均發(fā)射功率為794mw、峰值功率為3w，而CDMA的最小功率為2.3mw、平均發(fā)射功率為5mw、峰值功率為100mw。由此可見CDMA的平均發(fā)射功率和最大發(fā)射功率比FDMA低，從而使系統(tǒng)容量增加，減少了小區(qū)數(shù)和降低設(shè)備成本。隨著中國聯(lián)通CDMA1X網(wǎng)絡(luò)的建成商用，CDMA無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由于其覆蓋范圍廣，通信質(zhì)量高，永遠(yuǎn)在線和按流量計(jì)費(fèi)等優(yōu)點(diǎn)，在無線上網(wǎng)、環(huán)境監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集等許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。作為系統(tǒng)重要組成部分的CDMA無線數(shù)據(jù)終端，為了滿足其成本低，體積小和移動靈活的要求，目前普遍使用的方案是在單片機(jī)系統(tǒng)上加載一些操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧來控制無線模塊登錄CDMA網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。1.3ARM帶來的優(yōu)勢嵌入式系統(tǒng)源自80年代以來的8位單片機(jī)技術(shù)。在90年代后期，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們的日常生活進(jìn)入了后PC時代，許多電子設(shè)備需要TCP/IP網(wǎng)絡(luò)功能和更智能、更強(qiáng)大的計(jì)算能力，如語音、音頻、視頻的數(shù)據(jù)采集、處理與傳輸，圖形界面和觸摸屏技術(shù)，無線控制技術(shù)和相應(yīng)的軟件協(xié)議等。因此，對功能更強(qiáng)大的嵌入式處理器的需求也變得越來越突出。ARM作為嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的32位處理器體系結(jié)構(gòu)，已遍及工業(yè)控制、消費(fèi)類電子、通信系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、無線通信、成像和安全等4各類應(yīng)用領(lǐng)域，并成為多個應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)CPU，ARM技術(shù)已經(jīng)滲透到人們生活的各個方面。采用ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)（IP）核的微處理器目前包括：ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SecurCore系列、StrongARM系列和XScale系列。它們的共同特點(diǎn)是：體積小，功耗低，成本低，性能高；支持Thumb（16位）/ARM（32位）雙指令集，能很好地兼容8/16位器件；大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大部分?jǐn)?shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡單，執(zhí)行效率高；指令長度固定。除了具有上述共同特點(diǎn)之外，每個系列還具有各自的特色和應(yīng)用領(lǐng)域。其中，ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E為4個通用處理器系列，每個系列提供一套相對獨(dú)特的性能來滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求；SecurCore系列專門為安全性要求較高的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，如電子商務(wù)、電子政務(wù)、電子銀行業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)和認(rèn)證系統(tǒng)等領(lǐng)域；Intel公司的StrongARM系列融合了Intel的設(shè)計(jì)和處理技術(shù)以及ARM體系結(jié)構(gòu)的電源效率，在軟件上兼容ARMv4體系結(jié)構(gòu)，同時還采用了具有Intel自身優(yōu)點(diǎn)的技術(shù)，適用于便攜式通信和消費(fèi)類電子領(lǐng)域；Intel公司的XScale系列是基于ARMv5TE體系結(jié)構(gòu)的解決方案，具有高性能、高性價比、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，適用于數(shù)字移動電話、個人數(shù)字助理和網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品等領(lǐng)域。ARM技術(shù)是嵌入式系統(tǒng)方面的主流技術(shù)，ARM技術(shù)具有很高的性能和更高的功效。目前市場上ARM芯片速度可達(dá)幾百兆，以此為主控芯片可在硬件上實(shí)現(xiàn)高速、高精度且具有一定處理能力的數(shù)據(jù)采集處理通信系統(tǒng)。例如移動通信所用的ARM7有它的優(yōu)勢所在，它小型、快速、低能耗、集成式RISC內(nèi)核。目前市場上，ARM技術(shù)的IP核在下列領(lǐng)域已經(jīng)取得或正在取得很大的成功。它們包括：無線/PDA，超過85的無線設(shè)備（手機(jī)等）都采用了ARM技術(shù)，在向3G升級的過程中，ARM也地位穩(wěn)固。在PDA一類的手持設(shè)備中，ARM針對視頻流進(jìn)行了優(yōu)化，并獲得廣泛的支持。ARM還為藍(lán)牙的推廣做好了準(zhǔn)備，有20多家公司的元器件產(chǎn)品采用了ARM技術(shù)，如愛立信、英特爾、科勝訊、朗訊、阿爾卡特、飛利浦、德州儀器等。ARM處理器憑借其功能強(qiáng)，功耗低，性能高的優(yōu)勢迅速成為了各種控制應(yīng)用領(lǐng)域的首選。建立一個新的處理器體系結(jié)構(gòu)并把它推向市場非常昂貴，它不僅包括與設(shè)計(jì)和開發(fā)相關(guān)的時間和費(fèi)用，同時還包括在工具、間接材料、推廣程序以及對鼓勵新用戶具有吸引力的許可體系上的巨大投資。ARM公司已經(jīng)做了所有這些工作，并且非常出色。ARM處理器已經(jīng)獲得業(yè)內(nèi)廣泛的認(rèn)可，并有一些既定優(yōu)勢，它提供可向上移植的軟件兼容性、廣泛的處理器內(nèi)核系列、未來高性能產(chǎn)品的發(fā)展計(jì)劃以及ARM處理器產(chǎn)品的多個供應(yīng)商5網(wǎng)絡(luò)?；贏RM的無線產(chǎn)品，例如華為將發(fā)布基于ARM的無線產(chǎn)品，并從中取得優(yōu)勢。ARM公司與華為公司共同宣布簽署重要的授權(quán)協(xié)議，華為將獲得ARM7和ARM9微處理器授權(quán)。華為技術(shù)有限公司是一家快速增長的網(wǎng)絡(luò)和無線技術(shù)方案提供商，它在2006年發(fā)布一系列新的基于ARM體系結(jié)構(gòu)的無線產(chǎn)品。結(jié)合ARMPowered技術(shù)方案，華為公司以目前在移動通信方面的實(shí)力，將順利進(jìn)入WCDMA無線市場。他們保持革新才能在競爭中立足。進(jìn)入無線市場將對他們的業(yè)務(wù)產(chǎn)生重大影響，因此，選擇何種體系結(jié)構(gòu)對他們尤為重要。為了滿足消費(fèi)者不斷變化的需求，他們必須快速而靈活地進(jìn)行技術(shù)轉(zhuǎn)換。華為公司已獲得ARM7TDMI?微處理器內(nèi)核和ARM926EJPrimeStarterKit授權(quán)。ARM926EJPrimeStarterKit包括ARM926EJ微處理器內(nèi)核、ARM926EJPrimeXsys平臺和EmbeddedTraceMacrocell模塊。ARM926EJPrimeStarterKit為華為提供了驗(yàn)證和系統(tǒng)集成的技術(shù)方案和硬件，還加快了新產(chǎn)品的上市時間。華為公司還將獲得包括ARM代工計(jì)劃合作伙伴在內(nèi)的ARMConnectedCommunity成員公司的第三方開發(fā)工具支持和其他技術(shù)支持。這也將意味著ARM在中國的合作伙