嵌入式系统原理与应用 第5章 硬件电路与接口技术.ppt

1.最小系统2.总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART3.UART接口电路接口电路4.RS-4854.RS-485接口电路接口电路5.CAN-bus5.CAN-bus接口电路接口电路6.GPRS DTU6.GPRS DTU接口电路接口电路7.GPRS Modem7.GPRS Modem模块模块8.ZLG5008.ZLG500系列读卡模块系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.1 最小系统概述 一个嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电、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。而大多数基于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。5.1 最小系统框图嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)可选，因为许多面向嵌入式领域的微控制器内部集成了程序和数据存储器可选，但是在样品阶段通常都会设计这部分电路嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)各部件简介电源供电系统(电源)电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理得好，整个系统的故障往往减少了一大半。各部件简介电源嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)供电系统(电源)设计电源时要考虑的因素：1.输出的电压、电流、功率；2.输入的电压、电流；3.安全因素；4.输出纹波；5.电池兼容和电磁干扰；6.体积限制；7.功耗限制；8.成本限制。各部件简介电源1.分析需求 LPC2100、LPC2200需要4组电源输入：数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3V和模拟1.8V。因此，理想情况下电源系统需要提供4组独立的电源：两组3.3V电源和两组1.8V电源，它们需要单点接地或大面积接地。如果系统的其它部分还有其它电源需求，则还需要更多的末级电源。但如果不使用LPC2000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。这里假设不使用LPC2000的AD功能，且其它部分对电源没有特殊要求。这样，末级只需要提供两组电源。各部件简介电源2.设计末级电源电路 LPC2000系列微控制1.8V消耗电流的极限值为70mA。为了保证可靠性并为以后升级留下余量，则电源系统1.8V能够提供的电流应当大于300mA。整个系统在3.3V上消耗的电流与外部条件有很大的关系，这里假设电流不超过200mA，这样，电源系统3.3V能够提供600mA电流即可。分析得到以下参数：3.3V电源设计最大电流：600mA；1.8V电源设计最大电流：300mA。各部件简介电源2.设计末级电源电路 在了解功率消耗之后，需要选择合适的器件。因为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（LDO）。合乎技术参数的LDO芯片很多，Sipex 半导体SPX1117是一个较好的选择，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。各部件简介电源SPX1117主要特点：0.8A稳定输出电流；1A稳定峰值电流；3V可调节；低静态电流；0.8A0.8A时低压差为时低压差为1.1V1.1V；0.1%线形调整率；0.2%负载调整率；过流及温度保护；多种封装供选择。各部件简介电源3.设计前级电源电路 尽管SPX1117允许的输入电压可达20V（参考芯片数据手册），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（如交流电和电池），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。选择5V作为前级的输出有两个原因：这个电压满足SPX1117的要求；目前很多器件还是需要5V供电的，这个5V可以兼做前级和末级了。各部件简介电源3.设计前级电源电路 根据系统在5V上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路可以使用开关电源，也可以使用模拟电源。它们的特别如下：开关电源：效率较高，可以减少发热量，因而在功率较大时可以减小电源模块的体积；模拟电源：电路简单，输出电压纹波较小，并且干扰较开关电源小得多。各部件简介电源模拟电源开关电源嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)各部件简介时钟 目前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。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（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。时钟系统各部件简介时钟 目前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。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（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。LPC2000X1X2CCXtalLPC2000X1X2CClock使用内部振荡器使用外部时钟源可以使用稳定的时钟信号源，如有源晶振等。嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)各部件简介存储器系统 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。存储器系统各部件简介存储器系统LPC2210存储器系统LPC2210SRAMFLASH嵌入式控制器时钟系统调试测试接口复位及其配置系统存储器系统供电系统(电源)各部件简介调试与测试接口 调试与测试接口不是系统运行必须的，但现代系统越来越强调可测性，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。调试测试接口调试接口电路一各部件简介调试与测试接口 在该电路中，复位电路与前面介绍电路有所不同。它在复位信号和CPU之间插入了三态门74HC125。使用三态门主要是为了复位芯片和JTAG（ETM）仿真器都可以复位芯片。如果没有74HC125，当复位芯片输出高电平时，JTAG（ETM）仿真器就不可能把它拉低，这不但不能实现需要的功能，还可能损坏复位芯片或JTAG（ETM）仿真器。各部件简介调试与测试接口 因为这种电路JTAG（ETM）仿真器对LPC2000有完全的控制，其仿真性能最好。不过，由于74HC125工作的电压范围低于复位芯片的工作电压范围，所以此电路一般用于样机。正式产品中可以不需要这部分电路。调试接口电路一各部件简介调试与测试接口ETM功能仅在高级仿真器中具有，用户如果没有使用，可以将其省略，同时把TRACESYNC信号上的电阻也去掉。调试接口电路二各部件简介调试与测试接口注：实际应用中，通常使用这种接口电路。5.1 最小系统完整的最小系统 LPC2000系列微控制器有3个典型芯片的最小系统。LPC2114最小系统；LPC2210最小系统；LPC2214最小系统；完整的最小系统LPC2114决定是否进入ISP状态，如果该引脚悬空将影响程序脱机运行完整的最小系统LPC2210复位后使用外部16位宽度存储器完整的最小系统LPC2214复位后使用内部存储器1.最小系统2.总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.2 总线接口设计RAM概述 目前，RAM大体上可以分为SRAM和DRAM。SRAM的存储单元由触发器构成，没有刷新部分，外围电路比较简单；DRAM的存储单元是由电容和晶体管构成的，需要定时刷新，外围电路比较复杂。RAMSRAMDRAM5.2 总线接口设计SRAM概述 静态随机存储器（SRAM）基本单元是锁存器，使用多个晶体管，通常是四个、六个或者八个。存取速度快，容量小，外围电路简单，价格贵。5.2 总线接口设计DRAM概述 动态随机存储器（DRAM）的内存单元是由晶体管和电容搭配组成的，需要定时刷新电容上的电荷。SDRAM同步动态随机存储器（SDRAM）是DRAM中的一种，利用突发模式工作。SDRAM价格便宜，外围接口电路复杂。LPC2400/2800支持SDRAM存储器。数据线字选择5.2 总线接口设计PSRAM概述 PSRAM（即Pseudo-SRAM）器件是异步SRAM接口技术和高密度DRAM技术相结合的产物。具有突发读/写、带宽高和功耗低的特点。CellularRAM是一种增强的PSRAM存储器，它是带有SRAM接口的DRAM 存储器。LPC2200支持CellularRAM存储器。SRAM 接口DRAM 存储器CellularRAM5.2 总线接口设计SRAM接口电路 SRAM为静态RAM存储器，具有极高的读写速度，在嵌入式系统中常用来作变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。注意：SRAM属于易失性存储器，电源掉电后SRAM中的数据将会丢失。5.2 总线接口设计 容量：512K字节；数据宽度：16位；工作电压：3.3V；SRAM接口电路 IS61LV25616IS61LV256165.2 总线接口设计 MT45W4ML16PFA是CellularRAM的一种，是一个4M16位的64Mb器件。为了减少功耗，内核电压被降低到1.8V，为了兼容各种不同存储器总线的接口，I/O电压为3.0V。PSRAM接口电路 MT45W4ML16PFA5.2 总线接口设计并行Flash FLASH存储器又称闪存，是一种可在线多次擦除的非易失性存储器，即，掉电后数据不会丢失。FLASH存储器还具有体积小、功耗低、抗振性强等优点，是嵌入式系统的首选存储设备。FLASH存储器主要分为两种：NOR型FLASH NAND型FLASH类型特点芯片举例NOR型可以直接读取芯片内存储器的数据，速度比较快，但价格较高。应用程序可以直接在FLASH上运行，不必再把代码读到系统RAM中。SST39VF160NAND型内部数据以块为单位进行存储，地址线和数据线共用，使用控制信号选择。极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND型的困难在于FLASH的管理和需要特殊的系统接口。K9F2808U0C5.2 总线接口设计NOR型和NAND型FLASH特点 5.2 总线接口设计NOR Flash接口电路 SST39VF160存储容量：2M字节数据宽度：16位数据工作电压：2.73.6V5.2 总线接口设计NAND Flash接口电路 K9F2808U0C 存储容量：16M8Bit 工作电压：2.73.6V 页编程操作时间：200s 块擦除操作时间：2ms 页面的数据以每个字50ns的速度被读出；片内写控制自动实现所有编程和擦除功能 刷新脉冲 内部校验 数据冗余 l 命令输入：0 x83000001（CLE=1，ALE=0）l 地址输入：0 x83000002（CLE=0，ALE=1）l 数据操作：0 x83000000（CLE=0，ALE=0）5.2 总线接口设计CS8900 以太网接口电路 CS8900A是一款符合IEEE802.3标准的低功耗10M以太网控制器。它具有硬件连接简单、低电压工作、低功耗，还具有工业级芯片的特点。该器件具有4KB片上SRAM，用于缓存收发的数据包和芯片功能控制。具有标准的ISA总线接口，可以方便的修改为其它控制器的总线接口方式，5.2 总线接口设计CF卡接口电路CF卡工作模式：PC卡I/O MEMORY True IDE True IDE模式兼容IDE硬盘，该模式比其它的两种模式更实用，是3种模式中使用较多的一种。5.2 总线接口设计LPC2200与CF卡的接口LPC2200CF卡卡LPC2200CF卡卡P0.17-RESETP1.17A01P2.16P2.31D00D15P1.16A00P0.18P1.19-CS0P0.19-IOWRP1.23P0.21-IORDP1.24-IOCS16P0.22IORDYP1.25-PDIAGP1.21*P1.18A02P0.20INTRQ*P1.20-CS15.2 总线接口设计USB Host接口电路 ISP1160 ISP1160为一嵌入式USB主控器，遵循USB规范2.0，支持全速（12Mbit/s）及低速（1.5Mbit/s）两种数据传输模式。ISP1160提供两个下行端口。每一个下行端口都有一个过流检测输入引脚及电源开关控制输出引脚。LPC2200与ISP1160的硬件连接主机命令地址：0 x82000002；主机数据地址：0 x82000000；低功耗控制命令地址：0 x82000006；低功耗控制数据地址：0 x82000004；ISP1160下行端口 电源控制ISP1160的/H_PSW1和/H_PSW2分别可以用于控制下行端口的供电。ISP1160 的/H_OC1和/H_OC2为内部过流检测引脚。过电流保护PRTR5V0U2X为NXP公司的设计的USB专业ESD器件。ESD保护5.2 总线接口设计液晶接口电路 SMG240128点阵图形液晶模块 类型：STN液晶屏 像素：240128 显示：黑色字/白色底 控制器：内嵌东芝T6963C 外部显存：32K字节5.2 总线接口设计SMG240128与LPC2200的连接1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.3 UART接口电路UART是通用异步收发器的简称是通用异步收发器的简称连接两个计算机系统的简单而且低成本的串行接口具有工业标准的异步数据通讯接口比高速的串行通讯更加稳定可靠所需的通讯线路比并行传输少可进行长距离传输（RS23250英尺，RS485为4千英尺）UART是如何运作的？各种系统间互相通讯的手段各种系统间互相通讯的手段UART发送端从发送处理器处获取数据并逐位把每个字节发送出去UART接收端每次接收一个位，然后把接收到的位拼接成数据发送给接收处理器在在UART的发送和接收过程中的发送和接收过程中能够检测到通讯的错误大幅的减轻了处理器在管理通讯信道方面的任务负担CPU 发送端发送端CPU 接收端接收端中断中断中断中断串口通讯串口通讯满载满载空载空载空载空载发送移位寄存器发送移位寄存器 接收移位寄存器接收移位寄存器 满载满载并行接口并行接口发送发送 UART 发送发送 UART NXP公司公司UART解决方案解决方案创新是致胜的关键，创新是致胜的关键，NXP仍在不停的开发新的解决方案！仍在不停的开发新的解决方案！SC28L201/202:首款具备实时数据错误检测以及智能中断仲裁功能、以及256个字节FIFO（1-2信道）的高速低功耗UART芯片。SC16CxxxB:具有最宽电压跨度，5Mbps波特率，快速总线周期时间，IrDA，工业级温度范围但却是商业级价位，无铅的高级高速UART芯片Micro-UART:采用HVQFN封装、缩简型LQFP封装、以及BGA封装的最小型的1-2-4通道UART芯片SC68C752B,SC68C652B:带Motorola接口的16CxxxB 双UART芯片SC16C850L,SC16C852L,SC16C852V:带128字节FIFO以及Intel/Motorola 和VLIO接口的1.8V UART芯片UART芯片芯片优点-提高了系统性能-减轻处理器负担-提供与环境相关的向量表-可实时的验证到达目的地的数据的正确性-在高数据吞吐量的情况下能够对接收FIFO中的短报文发出警告-可避免数据丢失以及重发的需要-电池供电应用的理想解决方案应用-电信/网络：路由器、服务器、以及VoIP系统-家用电子产品以及安防器件-工业控制以及医疗设备-便携式器件：手机、PDA、GPRS、以及游戏机-多点式工业远程控制站：显示、传感、仪表等-POS系统：贩卖系统、银行终端、加油站-远程访问路由器：控制台、终端、诊断、调制解调制单路/双路全双工UART可选择I2C或者SPI总线接口2.5V或3.3V运行，输入耐压5V低功耗，睡眠模式30AUART波特率可达5MbpsFIFO：65字节（发送和接收）通过RTS/CTS管脚实现自动硬件流控制自动软件流控制并可对Xon/Xoff字符编程（单字符或者双字符）可编程I/O管脚（多达8个）支持IrDA，SIR速率可达1.152Mbps软件复位功能I2C 从机速度可达400KbpsSPI从机速度可达15Mbps采用小型封装：HVQFN，TSSOP封装SC16IS75x/76x I2C/SPI转转UART/IrDA/GPIO什么是桥接器什么是桥接器IC芯片？芯片？用于管理各种总线接口之间通讯的新一代接口解决方案目的是克服主机总线与外设接口的限制-使设计更加灵活-能够保存原有设计的投入-可加快上市时间-能够使新的系统继承旧有的连接方式，反之亦然，旧的系统也可以使用新的连接方式。什么是桥接器什么是桥接器IC芯片？芯片？上图所示的内容为：lSPI或者I2C主机对远程的UART器件发送数据/接收数据l可编程GPIO可用于控制多个外设，例如LED、风扇控制等l内建的IrDA SIR可实现点对点的无线通讯，通讯速率可达1.152MbpsSC16IS752/762通用特性通用特性SC16IS752/762内部寄存器集向后兼容内部寄存器集向后兼容16C450标准标准 工业级温度范围工业级温度范围 2个全双工个全双工UART 波特率可达波特率可达5Mbit/s自动自动RS-485协议支持协议支持64字节字节FIFO软件复位软件复位5.3 UART接口电路I2C接口连接5.3 UART接口电路SPI接口连接1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.4 RS-485接口电路RS-485概述 RS-485是一个电气接口规范，它只规定了平衡驱动器和接收器的电气特性。电气特性：“1”：200mv VAB6V“0”：6VVAB200mv通用接口电路设计（一）5.4 RS-485接口电路通用接口电路设计（二）5.4 RS-485接口电路RSM485模块中包含：DC-DC、隔离电路以及RS-485收发器。通用接口电路设计（二）5.4 RS-485接口电路RSM485模块中包含：DC-DC、隔离电路以及RS-485收发器。1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.5 CAN-bus接口电路CAN-bus接口 LPC2000系列ARM内部的控制器需要连接专用的CAN收发器才能连接到CAN总线上，收发器的作用就是把收发引脚的TTL电平转换成CAN总线的差分电平，连接了CAN收发器的CAN控制器才能成为真正意义上的CAN节点。5.5 CAN-bus接口电路CAN-bus接口注：CTM隔离CAN收发模块内部含有隔离收发器电路。1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.6 GPRS DTU接口电路 ZWG-23DP GPRS DTU是一款嵌入式 DTU 模块。它具有小巧的体积和灵活的应用方式，可以非常方便的嵌入到用户的设备中，使您的设备具有GPRS无线通信功能。该模块同时提供配置串口和通信串口，使用便捷。5.6 GPRS DTU接口电路接口设计 LINK：用于检测DTU的上线情况。UART_CTR：用于DTU的通讯口和配置口的切换 UART_CTR为低，切换到配置端口B，TxD_B和RxD_B有效；UART_CTR为高，则切换到通讯口A，TxD_A和RxD_A有效。1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.7 GPRS Modem接口电路 ZWG-13DP是一款嵌入式 GPRS Modem 模块，它为用户的设备提供最为简捷的嵌入式无线MODEM接口，使用户的设备轻松实现GPRS上网、短信收发和拨打电话的功能，5.7 GPRS Modem接口电路接口设计 将LPC2000系列ARM UART1接口的各流控管脚与ZWG-13DP的对应管脚相连即可，注意：TXD和RXD要交叉相连。1.最小系统2.2.总线接口设计总线接口设计3.UART接口电路4.RS-485接口电路5.CAN-bus接口电路6.GPRS DTU接口电路7.GPRS Modem模块8.ZLG500系列读卡模块第5章 硬件电路与接口技术5.8 ZLG500系列读卡模块 ZLG系列读卡模块非接触式IC卡读卡模块，支持Mifrae S50、Mifrae S70、Mifrae Ultralight、Mifrae Pro和Mifare DesFire等符合ISO14443标准的卡片，具有I2C、UART、RS232等多种通信接口，能灵活满足各种场合使用。5.8 ZLG500系列读卡模块接口设计UART接口 利用模块的J1.6和J1.7接口可以与主机进行UART通信，主机只要提供一个UART接口即可。5.8 ZLG500系列读卡模块接口设计I2C接口 利用模块的J1.1J1.3接口可以与主机进行I2C通信，主机只要提供一个I2C接口即可。5.8 ZLG500系列读卡模块接口设计RS-232接口 利用天线一体化模块上的接口J6可以进行RS232通信，J6可直接与PC机的RS232接口连接进行通信。5.8 ZLG500系列读卡模块接口设计双天线应用连接 ZLG522S模块可以同时连接两个天线，读写卡时可以识别是哪个天线上有卡。J2口连接两个天线，两个天线分别由TX1和TX2驱动，RX和RX2分别是两个天线的接收。5.8 ZLG500系列读卡模块接口设计远距离双天线应用连接 利用同轴电缆实现双天线的连接。TX1和TX2分别通过电容C1和C2与同轴电缆的中心线连接，同时分别接到接收端RX和RX2，地线接到同轴电缆的屏蔽地。