第5章+硬件電路與接口技術.ppt

1、1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.1 最小系統(tǒng),概述,一個嵌入式處理器自己是不能獨立工作的，必須給它供電、加上時鐘信號、提供復位信號，如果芯片沒有片內(nèi)程序存儲器，則還要加上存

2、儲器系統(tǒng)，然后嵌入式處理器芯片才可能工作。這些提供嵌入式處理器運行所必須的條件的電路與嵌入式處理器共同構成了這個嵌入式處理器的最小系統(tǒng)。而大多數(shù)基于ARM7處理器核的微控制器都有調(diào)試接口，這部分在芯片實際工作時不是必需的，但因為這部分在開發(fā)時很重要，所以也把這部分也歸入最小系統(tǒng)中。,5.1 最小系統(tǒng),框圖,可選，因為許多面向嵌入式領域的微控制器內(nèi)部集成了程序和數(shù)據(jù)存儲器,可選，但是在樣品階段通常都會設計這部分電路,各部件簡介,電源,供電系統(tǒng) (電源),電源系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供能量，是整個系統(tǒng)工作的基礎，具有極其重要的地位，但卻往往被忽略。如果電源系統(tǒng)處理得好，整個系統(tǒng)的故障往往減少了一大半。,各

3、部件簡介,電源,設計電源時要考慮的因素： 1.輸出的電壓、電流、功率； 2.輸入的電壓、電流； 3.安全因素； 4.輸出紋波； 5.電池兼容和電磁干擾； 6.體積限制； 7.功耗限制； 8.成本限制。,各部件簡介,電源,1.分析需求 LPC2100、LPC2200需要4組電源輸入：數(shù)字3.3V、數(shù)字1.8V、模擬3.3V和模擬1.8V。因此，理想情況下電源系統(tǒng)需要提供4組獨立的電源：兩組3.3V電源和兩組1.8V電源，它們需要單點接地或大面積接地。如果系統(tǒng)的其它部分還有其它電源需求，則還需要更多的末級電源。但如果不使用LPC2000的AD功能，或?qū)D的要求不高，模擬電源和數(shù)字電源可以不分開供

4、電。這里假設不使用LPC2000的AD功能，且其它部分對電源沒有特殊要求。這樣，末級只需要提供兩組電源。,各部件簡介,電源,2.設計末級電源電路 LPC2000系列微控制1.8V消耗電流的極限值為70mA。為了保證可靠性并為以后升級留下余量，則電源系統(tǒng)1.8V能夠提供的電流應當大于300mA。 整個系統(tǒng)在3.3V上消耗的電流與外部條件有很大的關系，這里假設電流不超過200mA，這樣，電源系統(tǒng)3.3V能夠提供600mA電流即可。 分析得到以下參數(shù)： 3.3V電源設計最大電流：600mA； 1.8V電源設計最大電流：300mA。,各部件簡介,電源,2.設計末級電源電路 在了解功率消耗之后，需要選擇

5、合適的器件。 因為系統(tǒng)對這兩組電壓的要求比較高，且其功耗不是很大，所以不適合用開關電源，應當用低壓差模擬電源（LDO）。合乎技術參數(shù)的LDO芯片很多，Sipex 半導體SPX1117是一個較好的選擇，它的性價比較好，且有一些產(chǎn)品可以與它直接替換，減少采購風險。,各部件簡介,電源,SPX1117主要特點： 0.8A穩(wěn)定輸出電流； 1A穩(wěn)定峰值電流； 3V可調(diào)節(jié)； 低靜態(tài)電流； 0.8A時低壓差為1.1V； 0.1%線形調(diào)整率； 0.2%負載調(diào)整率； 過流及溫度保護； 多種封裝供選擇。,各部件簡介,電源,3.設計前級電源電路 盡管SPX1117允許的輸入電壓可達20V（參考芯片數(shù)據(jù)手冊），但太高的

6、電壓使芯片的發(fā)熱量上升，散熱系統(tǒng)不好設計，同時影響芯片的性能。這樣，就需要前級電路調(diào)整一下。如果系統(tǒng)可能使用多種電源（如交流電和電池），各種電源的電壓輸出不一樣，就更需要前級調(diào)整以適應末級的輸入。通過之前的分析，前級的輸出選擇為5V。選擇5V作為前級的輸出有兩個原因： 這個電壓滿足SPX1117的要求； 目前很多器件還是需要5V供電的，這個5V可以兼做前級和末級了。,各部件簡介,電源,3.設計前級電源電路 根據(jù)系統(tǒng)在5V上消耗的電流和體積、成本等方面的考慮，前級電路可以使用開關電源，也可以使用模擬電源。 它們的特別如下： 開關電源：效率較高，可以減少發(fā)熱量，因而在功率較大時可以減小電源模塊的體

7、積； 模擬電源：電路簡單，輸出電壓紋波較小，并且干擾較開關電源小得多。,各部件簡介,電源,模擬電源,開關電源,各部件簡介,時鐘,目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要嚴格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。,時鐘系統(tǒng),各部件簡介,時鐘,目前所有的微控制器均為時序電路，需要一個時鐘信號才能工作，大多數(shù)微控制器具有晶體振蕩器。簡單的方法是利用微控制器內(nèi)部的晶體振蕩器，但有些場合（如減少功耗、需要嚴格同步等情況）需要使用外部振蕩源提供時鐘信號。,使用內(nèi)部振蕩器,使用外部時鐘

8、源,可以使用穩(wěn)定的時鐘信號源，如有源晶振等。,各部件簡介,存儲器系統(tǒng),對于大部分微控制器來說，存儲器系統(tǒng)不是必需的，但如果微控制器沒有片內(nèi)程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，就必須設計存儲器系統(tǒng)，這一般通過微控制器的外部總線接口實現(xiàn)。,存儲器系統(tǒng),各部件簡介,存儲器系統(tǒng),LPC2210存儲器系統(tǒng),各部件簡介,調(diào)試與測試接口,調(diào)試與測試接口不是系統(tǒng)運行必須的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來越強調(diào)可測性，調(diào)試、測試接口的設計也要重視了。LPC2000有一個內(nèi)置JTAG調(diào)試接口，通過這個接口可以控制芯片的運行并獲取內(nèi)部信息。,調(diào)試測試接口,調(diào)試接口電路一,各部件簡介,調(diào)試與測試接口,在該電路中，復位電路與前面介紹電路有所不同

9、。它在復位信號和CPU之間插入了三態(tài)門74HC125。使用三態(tài)門主要是為了復位芯片和JTAG（ETM）仿真器都可以復位芯片。如果沒有74HC125，當復位芯片輸出高電平時，JTAG（ETM）仿真器就不可能把它拉低，這不但不能實現(xiàn)需要的功能，還可能損壞復位芯片或JTAG（ETM）仿真器。,各部件簡介,調(diào)試與測試接口,因為這種電路JTAG（ETM）仿真器對LPC2000有完全的控制，其仿真性能最好。不過，由于74HC125工作的電壓范圍低于復位芯片的工作電壓范圍，所以此電路一般用于樣機。正式產(chǎn)品中可以不需要這部分電路。,調(diào)試接口電路一,各部件簡介,調(diào)試與測試接口,ETM功能僅在高級仿真器中具有，用

10、戶如果沒有使用，可以將其省略，同時把TRACESYNC信號上的電阻也去掉。,調(diào)試接口電路二,各部件簡介,調(diào)試與測試接口,注：實際應用中，通常使用這種接口電路。,5.1 最小系統(tǒng),完整的最小系統(tǒng),LPC2000系列微控制器有3個典型芯片的最小系統(tǒng)。 LPC2114最小系統(tǒng)； LPC2210最小系統(tǒng)； LPC2214最小系統(tǒng)；,完整的最小系統(tǒng),LPC2114,決定是否進入ISP狀態(tài)，如果該引腳懸空將影響程序脫機運行,完整的最小系統(tǒng),LPC2210,復位后使用外部16位寬度存儲器,完整的最小系統(tǒng),LPC2214,復位后使用內(nèi)部存儲器,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-4

11、85接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.2 總線接口設計,RAM概述,目前，RAM大體上可以分為SRAM和DRAM。 SRAM的存儲單元由觸發(fā)器構成，沒有刷新部分，外圍電路比較簡單； DRAM的存儲單元是由電容和晶體管構成的，需要定時刷新，外圍電路比較復雜。,5.2 總線接口設計,SRAM概述,靜態(tài)隨機存儲器（SRAM）基本單元是鎖存器，使用多個晶體管，通常是四個、六個或者八個。存取速度快，容量小，外圍電路簡單，價格貴。,5.2 總線接口設計,DRAM概述,動態(tài)隨機存儲

12、器（DRAM）的內(nèi)存單元是由晶體管和電容搭配組成的，需要定時刷新電容上的電荷。 SDRAM同步動態(tài)隨機存儲器（SDRAM）是DRAM中的一種，利用突發(fā)模式工作。SDRAM價格便宜，外圍接口電路復雜。LPC2400/2800支持SDRAM存儲器。,5.2 總線接口設計,PSRAM概述,PSRAM（即Pseudo-SRAM）器件是異步SRAM接口技術和高密度DRAM技術相結(jié)合的產(chǎn)物。 具有突發(fā)讀/寫、帶寬高和功耗低的特點。CellularRAM是一種增強的PSRAM存儲器，它是帶有SRAM接口的DRAM 存儲器。LPC2200支持CellularRAM存儲器。,5.2 總線接口設計,SRAM接口電

13、路,SRAM為靜態(tài)RAM存儲器，具有極高的讀寫速度，在嵌入式系統(tǒng)中常用來作變量/數(shù)據(jù)緩沖，或者將程序復制到SRAM上運行，以提高系統(tǒng)的性能。,注意：SRAM屬于易失性存儲器，電源掉電后SRAM中的數(shù)據(jù)將會丟失。,5.2 總線接口設計,容量：512K字節(jié)；,數(shù)據(jù)寬度：16位；,工作電壓：3.3V；,SRAM接口電路 IS61LV25616,IS61LV25616,5.2 總線接口設計,MT45W4ML16PFA是CellularRAM的一種，是一個4M16位的64Mb器件。為了減少功耗，內(nèi)核電壓被降低到1.8V，為了兼容各種不同存儲器總線的接口，I/O電壓為3.0V。,PSRAM接口電路 MT4

14、5W4ML16PFA,5.2 總線接口設計,并行Flash,FLASH存儲器又稱閃存，是一種可在線多次擦除的非易失性存儲器，即，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失。FLASH存儲器還具有體積小、功耗低、抗振性強等優(yōu)點，是嵌入式系統(tǒng)的首選存儲設備。FLASH存儲器主要分為兩種：,NOR型FLASH,NAND型FLASH,5.2 總線接口設計,NOR型和NAND型FLASH特點,5.2 總線接口設計,NOR Flash接口電路 SST39VF160,存儲容量：2M字節(jié),數(shù)據(jù)寬度：16位數(shù)據(jù),工作電壓：2.73.6V,5.2 總線接口設計,NAND Flash接口電路 K9F2808U0C,存儲容量：16M8Bit

15、 工作電壓：2.73.6V 頁編程操作時間：200s 塊擦除操作時間：2ms 頁面的數(shù)據(jù)以每個字50ns的速度被讀出； 片內(nèi)寫控制自動實現(xiàn)所有編程和擦除功能 刷新脈沖 內(nèi)部校驗 數(shù)據(jù)冗余,命令輸入：0 x83000001（CLE=1，ALE=0） 地址輸入：0 x83000002（CLE=0，ALE=1） 數(shù)據(jù)操作：0 x83000000（CLE=0，ALE=0）,5.2 總線接口設計,CS8900 以太網(wǎng)接口電路,CS8900A是一款符合IEEE802.3標準的低功耗10M以太網(wǎng)控制器。它具有硬件連接簡單、低電壓工作、低功耗，還具有工業(yè)級芯片的特點。 該器件具有4KB片上SRAM，用于緩存收

16、發(fā)的數(shù)據(jù)包和芯片功能控制。具有標準的ISA總線接口，可以方便的修改為其它控制器的總線接口方式，,5.2 總線接口設計,CF卡接口電路,CF卡工作模式： PC卡I/O MEMORY True IDE,True IDE模式兼容IDE硬盤，該模式比其它的兩種模式更實用，是3種模式中使用較多的一種。,5.2 總線接口設計,LPC2200與CF卡的接口,5.2 總線接口設計,USB Host接口電路 ISP1160,ISP1160為一嵌入式USB主控器，遵循USB規(guī)范2.0，支持全速（12Mbit/s）及低速（1.5Mbit/s）兩種數(shù)據(jù)傳輸模式。 ISP1160提供兩個下行端口。每一個下行端口都有一個

17、過流檢測輸入引腳及電源開關控制輸出引腳。,LPC2200與ISP1160的 硬件連接,主機命令地址：0 x82000002； 主機數(shù)據(jù)地址：0 x82000000； 低功耗控制命令地址：0 x82000006； 低功耗控制數(shù)據(jù)地址：0 x82000004；,ISP1160下行端口,電源控制,ISP1160的/H_PSW1和/H_PSW2分別可以用于控制下行端口的供電 。,ISP1160 的/H_OC1和/H_OC2為內(nèi)部過流檢測引腳。,過電流保護,PRTR5V0U2X為NXP公司的設計的USB專業(yè)ESD器件。,ESD保護,5.2 總線接口設計,液晶接口電路 SMG240128點陣圖形液晶模塊,

18、類型：STN液晶屏 像素：240128 顯示：黑色字/白色底 控制器：內(nèi)嵌東芝T6963C 外部顯存：32K字節(jié),5.2 總線接口設計,SMG240128與LPC2200的連接,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.3 UART接口電路,UART是通用異步收發(fā)器的簡稱 連接兩個計算機系統(tǒng)的簡單而且低成本的串行接口 具有工業(yè)標準的異步數(shù)據(jù)通訊接口 比高速的串行通訊更加穩(wěn)定可靠 所需的通訊線路比并行傳輸少

19、可進行長距離傳輸 （RS23250英尺，RS485為4千英尺）,UART是如何運作的？,各種系統(tǒng)間互相通訊的手段 UART發(fā)送端 從發(fā)送處理器處獲取數(shù)據(jù)并逐位把每個字節(jié)發(fā)送出去 UART接收端 每次接收一個位，然后把接收到的位拼接成數(shù)據(jù)發(fā)送給接收處理器 在UART的發(fā)送和接收過程中 能夠檢測到通訊的錯誤 大幅的減輕了處理器在管理通訊信道方面的任務負擔,NXP公司UART解決方案,創(chuàng)新是致勝的關鍵，NXP仍在不停的開發(fā)新的解決方案！ SC28L201/202: 首款具備實時數(shù)據(jù)錯誤檢測以及智能中斷仲裁功能、以及256個字節(jié)FIFO（1-2信道）的高速低功耗UART芯片。 SC16CxxxB:具有

20、最寬電壓跨度，5Mbps波特率，快速總線周期時間，IrDA，工業(yè)級溫度范圍但卻是商業(yè)級價位，無鉛的高級高速UART芯片 Micro-UART:采用HVQFN封裝、縮簡型LQFP封裝、以及BGA封裝的最小型的1-2-4通道UART芯片 SC68C752B, SC68C652B:帶Motorola接口的16CxxxB 雙UART芯片 SC16C850L, SC16C852L, SC16C852V: 帶128字節(jié)FIFO以及Intel/Motorola 和VLIO接口的1.8V UART芯片,UART芯片,優(yōu)點 提高了系統(tǒng)性能 減輕處理器負擔 提供與環(huán)境相關的向量表 可實時的驗證到達目的地的數(shù)據(jù)的正

21、確性 在高數(shù)據(jù)吞吐量的情況下能夠?qū)邮誇IFO中的短報文發(fā)出警告 可避免數(shù)據(jù)丟失以及重發(fā)的需要 電池供電應用的理想解決方案 應用 電信/網(wǎng)絡： 路由器、服務器、以及VoIP系統(tǒng) 家用電子產(chǎn)品以及安防器件 工業(yè)控制以及醫(yī)療設備 便攜式器件：手機、PDA、GPRS、以及游戲機 多點式工業(yè)遠程控制站：顯示、傳感、儀表等 POS系統(tǒng)：販賣系統(tǒng)、銀行終端、加油站 遠程訪問路由器：控制臺、終端、診斷、調(diào)制解調(diào)制,單路/雙路全雙工UART 可選擇I2C或者SPI總線接口 2.5V或3.3V運行，輸入耐壓5V 低功耗，睡眠模式30A UART波特率可達5Mbps FIFO：65字節(jié)（發(fā)送和接收） 通過RTS/

22、CTS管腳實現(xiàn)自動硬件流控制 自動軟件流控制并可對Xon/Xoff字符編程（單字符或者雙字符） 可編程I/O管腳（多達8個） 支持IrDA，SIR速率可達1.152Mbps 軟件復位功能 I2C 從機速度可達400Kbps SPI從機速度可達15Mbps 采用小型封裝：HVQFN，TSSOP封裝,SC16IS75x/76x I2C/SPI轉(zhuǎn)UART/IrDA/GPIO,什么是橋接器IC芯片？,用于管理各種總線接口之間通訊的新一代接口解決方案 目的是克服主機總線與外設接口的限制,使設計更加靈活 能夠保存原有設計的投入 可加快上市時間 能夠使新的系統(tǒng)繼承舊有的連接方式，反之亦然，舊的系統(tǒng)也可以使用

23、新的連接方式。,什么是橋接器IC芯片？,上圖所示的內(nèi)容為： SPI或者I2C主機對遠程的UART器件發(fā)送數(shù)據(jù)/接收數(shù)據(jù) 可編程GPIO可用于控制多個外設，例如LED、風扇控制等 內(nèi)建的IrDA SIR可實現(xiàn)點對點的無線通訊，通訊速率可達1.152Mbps,SC16IS752/762通用特性,內(nèi)部寄存器集向后兼容16C450標準,工業(yè)級溫度范圍,2個全雙工UART,波特率可達5Mbit/s,自動RS-485協(xié)議支持,64字節(jié)FIFO,軟件復位,5.3 UART接口電路,I2C接口連接,5.3 UART接口電路,SPI接口連接,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485

24、接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.4 RS-485接口電路,RS-485概述,RS-485是一個電氣接口規(guī)范，它只規(guī)定了平衡驅(qū)動器和接收器的電氣特性。,電氣特性： “1”： 200mv VAB6V “0”：6VVAB200mv,通用接口電路設計（一）,5.4 RS-485接口電路,通用接口電路設計（二）,5.4 RS-485接口電路,RSM485模塊中包含：DC-DC、隔離電路以及RS-485收發(fā)器。,通用接口電路設計（二）,5.4 RS-485接口電路,RSM485

25、模塊中包含：DC-DC、隔離電路以及RS-485收發(fā)器。,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.5 CAN-bus接口電路,CAN-bus接口,LPC2000系列ARM內(nèi)部的控制器需要連接專用的CAN收發(fā)器才能連接到CAN總線上，收發(fā)器的作用就是把收發(fā)引腳的TTL電平轉(zhuǎn)換成CAN總線的差分電平，連接了CAN收發(fā)器的CAN控制器才能成為真正意義上的CAN節(jié)點。,5.5 CAN-bus接口電路,CAN-bu

26、s接口,注：CTM隔離CAN收發(fā)模塊內(nèi)部含有隔離收發(fā)器電路。,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.6 GPRS DTU接口電路,ZWG-23DP GPRS DTU是一款嵌入式 DTU 模塊。它具有小巧的體積和靈活的應用方式，可以非常方便的嵌入到用戶的設備中，使您的設備具有GPRS無線通信功能。該模塊同時提供配置串口和通信串口，使用便捷。,5.6 GPRS DTU接口電路,接口設計,LINK：用于檢測DTU的上線情況。 UART_CTR：用于DTU的通訊口和配置口的切換 UART_CTR為低，切換到配置端口B，TxD_B和RxD_B有效； UART_CTR為高，則切換到通訊口A，TxD_A和RxD_A有效。,1.最小系統(tǒng) 2.總線接口設計 3.UART接口電路 4.RS-485接口電路 5.CAN-bus接口電路 6.GPRS DTU接口電路 7.GPRS Modem模塊 8. ZLG500系列讀卡模塊,第5章 硬件電路與接口技術,5.7 GPRS Modem接口電路,ZWG