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基于ARM的CDMA移动电话系统设计——硬件电路设计.doc

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基于ARM的CDMA移动电话系统设计——硬件电路设计.doc

毕业论文基于ARM的CDMA移动电话系统设计硬件电路设计摘要在很多需要对远程数据进行处理的场合中,无线数据采集与传输的应用日益广泛。目前普遍使用的方案是嵌入式CPUCDMA,由CPU负责对采集到的数据进行运算和处理,然后交给CDMA模块将其发送给远程数据中心。本文深入研究了基于S3C4510BARM处理器和CDMA模块的移动电话开发,它是由CPU、FLASH、MEMORY、CDMA、POWER几个部分组成,通过PROTEL99SE工具软件完成了其硬件电路的原理图设计和印制电路版设计。本文实现了一个移动电话系统的底层硬件设计,涉及到的技术有CDMA技术、计算机技术、嵌入式技术等,同时满足了系统低成本,低功耗、小体积和移动灵活的要求。关键词ARMCDMA硬件电路印制电路版目录摘要I1绪论111工业应用数据采集与传输112CDMA技术113ARM带来的优势32PROTEL99SE介绍621PROTEL99SE特点622原理图设计723PCB设计83硬件主要功能块实现1131总体结构1132ARM微处理器11321共同特点及分类11322S3C4510B芯片1233FLASH1534SDRAM1635串行接口电路1736JTAG接口1837电源模块1938CD615M520381CDMA无线模块接口使用说明22382主要功能说明244原理图与印制板图的实现2541原理图的实现25411创建一个新的设计数据库25412新建原理图文档25413放置元件27414绘制电路原理图28415电气规则检查28416生成网络表2942印制板图的实现29421PCB设计编辑器29422建立PCB文件29423布线设置30424设计规则检查3143PCB设计的一般原则31431布局31432布线31433焊盘3144PCB设计中的注意事项和经验32441PCB设计中的注意事项32442PCB设计中的经验325总结34参考文献35英文摘要36致谢37附录38仲恺农业技术学院毕业论文设计成绩评定表11绪论11工业应用数据采集与传输无线数据采集与传输的应用范围非常广,涉及行业有电力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。一般无线数据采集终端都用在专用系统中,特别适合小数据量低速数据传输要求,对工作稳定性的要求一般较高。数据采集一般采用标准RS232或RS485接口,采集压力、温度等传感器数据。由CPU负责对采集到的数据进行运算和处理,然后交给CDMA模块将其发送给远程数据中心。CDMA网络支持TCP/IP协议并且覆盖面广,比起使用短消息和超短波无线数传电台进行无线数据传输,CDMA无论在费用、可靠性和可实施性等方面都具有很大的优势。无线数据采集与传输终端的设计可以有两套方案第一套为单片机+CDMA调制解调器,此方案虽然硬件成本较低,但功能比较有限,在协议的开发和支持上都有一定难度;第二套方案为嵌入式CPU+CDMA模块,此方案虽然硬件成本稍高,需要嵌入式CPU芯片来支持嵌入式操作系统,但可以实现丰富协议接口,便于移植和向高端系统应用升级,更加便于数据采集与传输的实现。本设计的目的就在于远程无线数据采集与传输。12CDMA技术CDMA是码分多址的英文缩写(CODEDIVISIONMULTIPLEACCESS),它是在数字技术的分支扩频通信技术上发展起来的一种成熟的无线通信技术。CDMA技术的原理是基于扩频技术,即将需传送的具有一定信号带宽信息数据,用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制,使原数据信号的带宽被扩展,再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码,与接收的带宽信号作相关处理,把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩,以实现信息通信。移动通信系统有多种分类方法。例如按信号性质分,可分为模拟、数字;按调制方式分,可分为调频、调相、调幅;按多址连接方式分,可分为频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)。目前中国联通、中国移动所使用的GSM移动电话网采用的便是FDMA和TDMA两种方式的结合。GSM比模拟移动电话有很大的优势,但是,在频谱效率上仅是模拟系统的3倍,容量有限;在话音质量上也很难达到有线电话水平;TDMA终端接入速率最高也只能达到96KBIT/S;TDMA系统无软切换功能,因而容易掉话,影响服务质量。因此,TDMA并不是现代蜂窝移动通信的最佳无线接入,而CDMA多2址技术完全适合现代移动通信网所要求的大容量、高质量、综合业务、软切换等,正受到越来越多的运营商和用户的青睐。CDMA技术的出现源自于人类对更高质量无线通信的需求。第二次世界大战期间因战争的需要而研究开发出CDMA技术,其思想初衷是防止敌方对己方通讯的干扰,在战争期间广泛应用于军事抗干扰通信,后来由美国高通公司更新成为商用蜂窝电信技术。1995年,第一个CDMA商用系统运行之后,CDMA技术理论上的诸多优势在实践中得到了检验,从而在北美、南美和亚洲等地得到了迅速推广和应用。全球许多国家和地区,包括中国香港、韩国、日本、美国都已建有CDMA商用网络。在美国和日本,CDMA成为国内的主要移动通信技术。在美国,10个移动通信运营公司中有7家选用CDMA。到今年4月,韩国有60的人口成为CDMA用户。在澳大利亚主办的第28届奥运会中,CDMA技术更是发挥了重要作用。CDMA具有以下突出优点1抗干扰性能好;由于CDMA经过扩频处理,故抗干扰性能好,可和同频带的窄带共存,而不影响其正常工作。2抗多径衰落能力强;多径衰落是影响移动通信质量的一个突出问题,通常必须采取空间分集、自适应均衡等技术加以克服,还有较大衰落余量。CDMA系统可以利用多径信号提供路径分集,这样不但缓和瑞利衰落,而且还缓和了因物理遮挡所造成的慢衰落,从而大大提高通信质量。3系统容量增大;对于FDMA与TDMA,若小区的频点或时隙一分配完,则小区就不能接收新的呼叫,容量有硬性限制。而CDMA是干扰受限系统,在指定的干扰电平下,即使用户数已达到限定数目时,也还允许增加个别用户,其缺点是造成话音质量下降。业务提供者可在容量与话音质量之间进行平衡。CDMA精确的功率控制和软切换技术大大降低了干扰信号的强度和所需的信噪比要求,而且有效地采用诸如话音激活或可变速率话音编码、分集接收、功率控制。据介绍,CDMA信噪比是DAMPS、TDMA的37倍,是TACS的112倍,是AMPS的136倍,是FM/FDMA方式的20倍。4通信质量好;CDMA系统采用直接序列扩频技术,综合应用时间分集、频率分集、空间分集、路径分集等多种分集技术克服多径效应,可以获得很强的抗干扰能力,加上它在越区切换时采用先建立后中断的软切换技术,保证了CDMA的通信质量,特别在越区切换时无乒乓效应。本系统属宽带低噪比,波形允许采用高冗余度纠错编码和高效数字调制技术来确保高质量话音和数据传输。35频率利用率高;CDMA系统的同一频率,可以在所有小区内重复使用,其频率复用率为2/3(FDMA和TDMA的频率复用率为1/7),不需要FDMA和TDMA那样进行频率配置,大大简化了小区分裂和微蜂窝引入。6多址能力强;CDMA系统多址能力决定扩频编码间的多址干扰大小,它与使用的扩频编码方案有关,与同时发送信号的用户间的多址干扰(即扩频编码的相关特性)有关,与允许的接收质量有关(输出信噪比),因此同时工作用户间的多址干扰越低,能允许的接收质量越低,CDMA技术的多址能力就越强。7高度可靠的保密安全性;CDMA移动通信系统是一个保密通信系统,若再加一定的加密算法技术,能大大提高通信保密性能,这是FDMA、TDMA系统所无法比拟的。分析其采用的扩频系统,要想截获别人的通信内容几乎是不可能的,如只要机内锂电池不放完电,它以512KHZ的时钟频率加以改变其序列的即时状态,即使是连续工作,它的扩频地址序列周期也长达7年。它还可以方便地在CDMA系统设置和改变主密钥、副密钥、扩频码表、标准加密算法等,使通信的保密性更为可靠。8手机功耗小;CDMA采用功率控制后,仅在衰落期间调高发射功率电平,从而使平均发射功率减小,FDMA的最小功率为5MW、平均发射功率为794MW、峰值功率为3W,而CDMA的最小功率为23MW、平均发射功率为5MW、峰值功率为100MW。由此可见CDMA的平均发射功率和最大发射功率比FDMA低,从而使系统容量增加,减少了小区数和降低设备成本。随着中国联通CDMA1X网络的建成商用,CDMA无线数据网络系统由于其覆盖范围广,通信质量高,永远在线和按流量计费等优点,在无线上网、环境监控和数据采集等许多行业得到了广泛应用。作为系统重要组成部分的CDMA无线数据终端,为了满足其成本低,体积小和移动灵活的要求,目前普遍使用的方案是在单片机系统上加载一些操作系统和网络协议栈来控制无线模块登录CDMA网络,从而实现数据的传输。13ARM带来的优势嵌入式系统源自80年代以来的8位单片机技术。在90年代后期,随着网络技术的飞速发展,人们的日常生活进入了后PC时代,许多电子设备需要TCP/IP网络功能和更智能、更强大的计算能力,如语音、音频、视频的数据采集、处理与传输,图形界面和触摸屏技术,无线控制技术和相应的软件协议等。因此,对功能更强大的嵌入式处理器的需求也变得越来越突出。ARM作为嵌入式系统领域中应用最广泛的32位处理器体系结构,已遍及工业控制、消费类电子、通信系统、网络应用、无线通信、成像和安全等4各类应用领域,并成为多个应用领域的标准CPU,ARM技术已经渗透到人们生活的各个方面。采用ARM技术知识产权(IP)核的微处理器目前包括ARM7系列、ARM9系列、ARM9E系列、ARM10E系列、SECURCORE系列、STRONGARM系列和XSCALE系列。它们的共同特点是体积小,功耗低,成本低,性能高;支持THUMB(16位)/ARM(32位)双指令集,能很好地兼容8/16位器件;大量使用寄存器,指令执行速度更快;大部分数据操作都在寄存器中完成;寻址方式灵活简单,执行效率高;指令长度固定。除了具有上述共同特点之外,每个系列还具有各自的特色和应用领域。其中,ARM7、ARM9、ARM9E和ARM10E为4个通用处理器系列,每个系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求;SECURCORE系列专门为安全性要求较高的应用而设计,如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域;INTEL公司的STRONGARM系列融合了INTEL的设计和处理技术以及ARM体系结构的电源效率,在软件上兼容ARMV4体系结构,同时还采用了具有INTEL自身优点的技术,适用于便携式通信和消费类电子领域;INTEL公司的XSCALE系列是基于ARMV5TE体系结构的解决方案,具有高性能、高性价比、低功耗等优点,适用于数字移动电话、个人数字助理和网络产品等领域。ARM技术是嵌入式系统方面的主流技术,ARM技术具有很高的性能和更高的功效。目前市场上ARM芯片速度可达几百兆,以此为主控芯片可在硬件上实现高速、高精度且具有一定处理能力的数据采集处理通信系统。例如移动通信所用的ARM7有它的优势所在,它小型、快速、低能耗、集成式RISC内核。目前市场上,ARM技术的IP核在下列领域已经取得或正在取得很大的成功。它们包括无线/PDA,超过85%的无线设备(手机等)都采用了ARM技术,在向3G升级的过程中,ARM也地位稳固。在PDA一类的手持设备中,ARM针对视频流进行了优化,并获得广泛的支持。ARM还为蓝牙的推广做好了准备,有20多家公司的元器件产品采用了ARM技术,如爱立信、英特尔、科胜讯、朗讯、阿尔卡特、飞利浦、德州仪器等。ARM处理器凭借其功能强,功耗低,性能高的优势迅速成为了各种控制应用领域的首选。建立一个新的处理器体系结构并把它推向市场非常昂贵,它不仅包括与设计和开发相关的时间和费用,同时还包括在工具、间接材料、推广程序以及对鼓励新用户具有吸引力的许可体系上的巨大投资。ARM公司已经做了所有这些工作,并且非常出色。ARM处理器已经获得业内广泛的认可,并有一些既定优势,它提供可向上移植的软件兼容性、广泛的处理器内核系列、未来高性能产品的发展计划以及ARM处理器产品的多个供应商5网络。基于ARM的无线产品,例如华为将发布基于ARM的无线产品,并从中取得优势。ARM公司与华为公司共同宣布签署重要的授权协议,华为将获得ARM7和ARM9微处理器授权。华为技术有限公司是一家快速增长的网络和无线技术方案提供商,它在2006年发布一系列新的基于ARM体系结构的无线产品。结合ARMPOWERED技术方案,华为公司以目前在移动通信方面的实力,将顺利进入WCDMA无线市场。他们保持革新才能在竞争中立足。进入无线市场将对他们的业务产生重大影响,因此,选择何种体系结构对他们尤为重要。为了满足消费者不断变化的需求,他们必须快速而灵活地进行技术转换。华为公司已获得ARM7TDMI微处理器内核和ARM926EJPRIMESTARTERKIT授权。ARM926EJPRIMESTARTERKIT包括ARM926EJ微处理器内核、ARM926EJPRIMEXSYS平台和EMBEDDEDTRACEMACROCELL模块。ARM926EJPRIMESTARTERKIT为华为提供了验证和系统集成的技术方案和硬件,还加快了新产品的上市时间。华为公司还将获得包括ARM代工计划合作伙伴在内的ARMCONNECTEDCOMMUNITY成员公司的第三方开发工具支持和其他技术支持。这也将意味着ARM在中国的合作伙伴们将更深入地设计自己的片上系统产品,帮助中国电子业发展。62PROTEL99SE介绍21PROTEL99SE特点PROTEL99SE软件是PROTEL99的升级,它沿袭了PROTEL以前版本方便易学的特点,内部界面与PROTEL99大体相同,新增加了一些功能模块,功能更加强大。新增的层堆栈管理功能,可以设计32个信号层,16个地电层,16个机械层。新增了3D功能,在加工印制版之前可以看到板的三维效果。增强的打印功能,可以轻松修改打印设置控制打印结果。PROTEL99SE容易使用的特性还体现在“这是什么”帮助,按下右上角的小问号,然后输入所要的信息,可以很快地看到特性的功能,然后用到设计中,按下状态栏末端的按钮,使用自然语言帮助顾问。PROTEL99SE采用数据库的管理方式。所有与同一设计相关的原理图文件,印制电路板文件及各种报表文件都可以在同一“DDB”数据库中并存,便于集体开发和文件管理。PROTEL99SE设计平台软硬件配置要求硬件配置最低CPU-PENTIUM100/166以上内存-32M以上硬盘-1G以上显示器-15〃显示分辩率-1024768建议配置CPU-PENTIUMII300以上内存-128M硬盘-6G以上显示器-17〃以上显示分辩率-12801024操作系统MICROSOFTWINDOWSXP(含中文版)或MICROSOFTWINDOWS2000(含中文版)。PROTEL99SE附件安装方法非常简单,只需双击光盘目录下的INSTALLEXE即可。

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