（通信与信息系统专业论文）基于arm11的存储器式任意波形发生器设计.pdf

硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 摘要 任意波形发生器( a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , a w g ) 作为一种复杂波形信号 源，在通信、雷达、导航、超声、自动测量等领域的仿真测试中有重要应用价值， 但商业化任意波形发生器非常昂贵。本论文致力于设计开发一种基于a r m 的嵌入 式低成本、人机界面友好、操作简单的存储器式任意波形发生器。 本论文设计开发了一套存储器式任意波形发生器，它以a r m l l 芯片$ 3 c 6 4 1 0 为核心控制芯片，采用两片1 2 8 mb y t e s 的m o b i l ed d r 和一片2 gb y t e s 的n a n df l a s h 做存储器，存储软件和数据。系统包括u s b 、r s 2 3 2 、网络接口等多种标准接口， 可用于读取任意波形数据。系统采用具有1 2 位分辨率的a d 9 7 6 2 进行d a 转换， 同时采用a d 8 0 5 2 作为差分运放，通过七阶巴特沃斯滤波器进行高频噪声滤波。论 文对p c b 板布线和信号完整性也进行了讨论。本论文在软件方面对w i n d o w sc e 系 统定制、移植进行了详细介绍，同时编写了g p i o 驱动程序、文件读写、波形输出 控制以及人机交互图形界面。 实验表明本论文开发的存储器式任意波形发生器不但可以产生正弦波、方波、 三角波等标准波形，还能根据用户的需求生成任意波形，包括在绘图板上手绘的任 意波形，成本低、人机界面友好、操作简单。 关键词：任意波形发生器$ 3 c 6 4 1 0a d 9 7 6 2w i n d o w sc e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s a b s t r a c t a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sak i n do fc o m p l e xw a v e f o r ms i g n a lg e n e r a t o r w h i c hh a s i m p o r t a n ta p p l i c a t i o n v a l u ei ns i m u l a t i o nt e s t 卸麟s u c ha s c o m m u n i c a t i o n , r a d a r , n a v i g a t i o n , u l t r a s o u n d a n da u t o m a t i c m e a s u r e m e n t s ，b u t t h e c o m m e r c i a la r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sv e r ye x p e n s i v e t l l i st h e s i si s & v o t e dt o d e s i g na n dd e v e l o pam e m o r yt y p ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rb a s e do ne m b e d d e d 删w h i c hh a sl o w c o s t ，f r i e n d l yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e ，s i m p l eo p e r a t i o n t m st h e s i sd e s i g n sa n dd e v e l o p sam e m o r yb a s e da r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r w h i c hu s e st h ea r m1 ls 3 c 6 410c h i p 鹤t h ec o r ec o n t r o lc h i p a n dc h o o s e st w o12 8 m b y t e sm o b i l ed d ra n da2 gb y t e sn a n df l a s hm e m o r yt os t o r a g es o f t w a r ea n dd a t a t h es y s t e mi n c l u d e su s b ，r s 2 3 2 ，n e t w o r ki n t e r f a c ea n do t h e rs t a n d a r di n t e r f a c e sw h i c h c a nb eu s e dt or e a da r b i t r a r yw a v e f o i t l ld a t a t l l i ss y s t e mu s e s12b i tr e s o l u t i o no f a d 9 7 6 2c h i pt oc o n d u c td fac o n v e r s i o n , w h i l et a k e st h ea d 8 0 5 2a sad i f f e r e n t i a l a m p l i f i e r , f i l t e r sh i 。g h 丘e q u e n c yn o i s et h r o u g has e v e no r d e rb u t t e r w o r t hf i l t e r s t u d yo n t h ep c bb o a r dw i r i n ga n ds i g n a li n t e g r i t ya r ea l s od i s c u s s e d i nt h i st h e s i s ，t h es o f t w a r e a b o u tw i n d o w sc es y s t e mc u s t o m i z a t i o n , t r a n s p l a n t a t i o na r ed e s c r i b e di nd e t a i l ，a tt h e s a m et i m e ，t h eg p i od r i v e r , f i l er e a d i n ga n dw r i t i n g ，t h eo u t p u tw a v e f o r mc o n t r o la n d h u m a n - c o m p u t e ri n t e r a c t i o ng r a p h i c a li n t e r f a c ea r ea l s ow r i t t e n 1 1 1 ce x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e v e l o p m e n to fm e m o r yb a s e da r b i t r a r y w a v e f o r n lg e n e r a t o rc a l lg e n e r a t es t a n d a r dw a v e f o r m ss u c ha ss i n ew a v e ，s q u a r ew a v e ， t r i a n g l ew a v e ，a l s og e n e r a t ea r b i t r a r yw a v e f o r mb a s e do nu s e r sn e e d s ，i n c l u d e dd r a w i n g a r b i t r a r yw a v e f o r i l li nt h ed r a w i n gb o a r d ，l o wc o s t , f r i e n d l yh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c e a n ds i m p l eo p e r a t i o n k e y w o r d s ：a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rs 3 c 6 410a d 9 7 6 2w i n d o w sc e 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第一章绪论 1 1 引言 传统的信号源能提供标准信号如方波、三角波、正弦波、锯齿波、脉冲波等， 随着电子电路行业的发展，加上输出波形有限，传统的信号源在很多特定的场合已 经无法达到要求，许多研究领域需要能提供非常规的复杂波形信号，如声音和振动 分析需要复杂调制的信号源以仿真真实的信号，医疗仪器测试往往需要心电波形， 因此需要能即时产生所需波形的任意波形发生器( a r b i t r a r yw a v e f o r i l lg e n e r a t o r ，简 称a w g ) 。a w g 除了产生标准波形外，还可以根据用户需求灵活地生成任意波形 和不规则信号，极大了丰富了信号源产生的波形。 7 0 年代时，常采用由分立元件组成的硬件模拟电路产生标准波形，输出波形速 度快、相位噪声好、寄生分量低，但是其电路结构复杂、信号频率低、幅度稳定性 差、漂移大，而且产生复杂波形成本高、电路复杂、尺寸大、功耗高、输出频率及 占空比无法调节。 8 0 年代后，随着微处理器的出现、d a 和a i ) 芯片的发展、半导体工艺的进 步，以微处理器为核心的集成电路已取代分立元件，不但减小了体积，提高了带宽 和频率，还增加了通用性，也能产生更为复杂的波形。 9 0 年代开始，电子技术的发展日新月异，各种高性能集成电路使得任意波形发 生器飞速发展。此时数字电路已逐步取代模拟电路，而d d s ( d i r e c t ed i g i t a l s y n t h e s i s ) 技术作为新兴的波形发生器技术成为了市场的主流。它不但能产生纯净 的标准波形，还能实现幅度、频率和相位的数字调制，可以生成用户需要的任意波 形，大大增强了任意波形发生器的灵活性【l l 。 1 2 国内外任意波形发生器动态 1 2 1 任意波形发生器发展概况 任意波形发生器的发展趋势是更高取样率，更高分辨率和更大存储量，目前实 时带宽超过1 g h z 的产品比较少，而且分辨率只有8 位，不能满足快速发展的移动 通信和高速网络的测量要求。与数字存储示波器相比，任意波形发生器的全面指标 存在明显差距，前者的取样率达到2 0 g s s 和带宽6 g h z ，后者的取样率是4 8 g s s 和带宽2 g h z 。任意波形发生器的核心部件是高速数模转换器，它的工艺潜力还很 大，显然缺少的是市场需求。 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 任意波形发生器的另一重要应用领域是低频，例如心电图、汽车点火、防撞气 囊、医疗仪器等，频率范围在声频以下，多组信号输出，1 6 位以上的分辨率。这类 任意波形发生器以v x i 总线、p x i 总线和p c 总线模块较多。 由于国外对波形发生器的研究和发展较早，因此技术成熟，产品种类齐全。目 前国际上居领先地位的是美国的泰克( t e k t r o n i x ) 和安捷伦( a g i l e n t ) ，其产品在技 术和市场占有率上享誉全球。 泰克公司的任意波形函数发生器从a f g 3 0 0 0 、a f g 5 0 0 0 到a f g 7 0 0 0 ，可产生 高达2 4g s s 的采样率，成为当前市场上唯- - f l 皂够生成最高达9 6g h z 任意宽频带 调制信号的单个设备信号发生解决方案。但是其价格十分昂贵，低端的a f g 3 0 2 1 b 带宽为2 5 m h z ，最大采样率2 5 0 m s s ，1 2 8 k 内存深度，单通道输出，其官方价格 2 2 3 0 美元【2 】； 安捷伦公司低端的3 3 5 2 1 a 系列函数任意波形发生器，具有2 5 0 m s a s ，1 6 位 分辨率，带宽3 0 m h z ，双通道型号，官方价格为2 2 0 6 美元f 3 l 。 国内从上世纪末开始开发任意波形发生器，价格比国外便宜，但性能指标与国 际品牌相距甚远。如江苏的江南电子仪器有限公司生产的e m 3 2 2 0 1 型全数字合成 任意波形发生器，带宽2 0 m h z ，采样速率1 0 0 m s a s ，存贮长度3 2 k ，双通道输出， 价格4 2 0 0 元人民币左右；北京普源精电科技有限公司的最高端产品d g s 0 0 0 系列 函数任意波形发生器，最大输入带宽3 5 0 m h z ，1 g s s 采样率，1 4 位分辨率，双通 道输出，市场价为1 1 5 8 0 0 元人民币。 通过对比国内外具有代表性任意波形发生器，可以很明显的看出目前国内在这 方面技术很落后，性能也与国外先进产品有着不小的差距。随着国内电子电路技术 的发展，以及行业对任意波形发生器要求的提高，研制低成本高性能的任意波形发 生器有重大的现实意义。 1 2 2 任意波形发生器技术 传统的波形发生器多采用模拟电路，其设计简单，但是频率分辨率低，对硬件 要求较高，频率转换速度较慢，产生波形单一，已逐渐被市场淘汰。目前，由于 d d s 技术的成熟，市场上的任意波形发生器多采用此技术，其分辨率高，输出相位 连续，宽带宽，转换速度快，还能配合计算机产生有限带宽的任意波形信号【4 】。 产生任意波形的方法主要有两种：即存储器和直接数字合成( d d s ) ，前者电 路比较简单，分两种形式：相位累加器式与计数器式，但需要较深的存储容量。仪 器的分辨率为8 1 6 位，其主要特性由d a c 和存储器性能决定，一般而言，采样率 高时分辨率低。 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s d d s 即直接数字频率合成技术，是以采样定理为基础，由相位出发直接合成所 需波形的全数字频率技术5 一。d d s 一般由n 位相位累加器、波形存储器r o m 、数 模转换器d a c 和低通滤波器l p f 四部分组成，d d s 原理框图如图1 1 所示。 图1 1d d s 原理框图 电路工作时，首先对需要产生的波形采样，n 位相位累加器对相位增量进行累 加，相位累加值对应量化的振幅值，存入r o m 中作为查询地址，这样就可以完成 相位幅值转换。波形存储器的振幅数据送到d a 转换器，d a 转换器将波形幅值 转换成特定频率的阶梯波。低通滤波器对阶梯波进行平滑处理，同时滤除不需要的 高频噪声分量，以输出纯净的波形信号【7 l 。 d d s 技术是目前的主流技术，在电子设计中有广泛应用，已经有成熟的d d s 芯片上市，它的优点主要有【8 9 l ： 1 d d s 可产生任意波形 可通过实时修改存储的波形数据生成任意波形，d d s 的基础是采样定理，任何 周期性波形只要满足条件都可采用d d s 技术来实现。 2 d d s 输出分辨率高 在系统时钟频率不变的情况下，只要增大相位累加器的字长，即可得到任意小 的频率分辨率，使得其输出频率逼近连续变化。 3 d d s 输出频率范围宽 一般情况下，d d s 系统的最大输出频率可接近系统时钟频率的一半，目前市面 上专用的d d s 芯片的最大输出频率已经可以达到g h z 水平。 4 d d s 输出频率转换速度快 作为区别于锁相环系统的开环系统，d d s 系统能在纳秒量级内将送入的频率字 快速合成新的频率。在频率转换过程中，输出波形的相位是连续的。 作为一项新的技术，d d s 也存在着不足： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 1 d d s 最高输出频率依赖于时钟，在实际应用中甚至无法达到时钟运行周期的 一半，因此时钟频率必须足够高，还要求相位累加器、r o m 和d a c 等器件也具备 高速性能，在增加成本的同时也加大了难度。 2 d d s 系统在数字信号转换成模拟输出时，受r o m 存储能力限制，会产生相 位截断误差，导致噪声和杂散的产生。 3 d d s 适合于周期性的满足采样定理条件的波形合成，无法适用于一些无规则 的，随机的信号波形。 1 3 存储器式任意波形发生器 如果采用大容量存储器存储任意波形数据，并通过高速数模转换技术进行d a 转换，也能产生任意波形。图1 2 给出存储器式任意波形发生器系统的结构方框图， 它主要由c p u 存储器模块和数模转换模块组成。该系统通过通信接口或人机交互 界面接收或编辑由用户自定义的波形参数，并存储在存储器中。c p u 从存储器中读 取波形数据，并通过数模转换模块进行d a 转换，再加上滤波电路和放大电路，即 可产生任意波形【l o l 。 图1 2 任意波形发生器系统 由于单片机无法运行操作系统，使得人机交换无法下载到片内运行，只能将外 部波形编辑软件和用户自定义的图形信息通过串口来传送到存贮单元里面，使用较 为不方便。相比之下，基于a r m 嵌入式系统具有以下特点： 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 1 体积小，功耗低，速度快，可靠性高，能实现复杂的功能，因此性价比高。 2 有较大容量的存储空间，数据存取和交换速度快。 3 外围资源丰富，集成串口，u s b 口，音频、视频接口，网络端口等常用接口， 能方便快速地与外界进行通信。 4 能运行操作系统，实现简易友好的人机界面和应用程序，方便用户界面以及 操作系统的开发和移植。 综上所述，基于a r m 的嵌入式系统在功能和性能上完全能满足任意波形发生 器的设计要求。 1 4 嵌入式硬件系统 1 4 1 嵌入式系统的组成 嵌入式系统通常由嵌入式微处理器、外围设备、嵌入式操作系统和应用软件等 几大部分组成，其典型的硬件和软件组成如图1 3 所示1 1 】。 广 应用层l应崩程序l 0 s 层 驱挈层 二二二亘蔓 二 ，硬件层 图1 3 嵌入式系统组成 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 一般嵌入式系统设计过程为：根据用户需求和设计要求，选择合适的嵌入式微 处理器和外围接口电路进行硬件平台的设计，同时选择合适的嵌入式操作系统进行 软件设计。 1 4 2 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器与通用计算机中的c p u 功能相似，但只保留与嵌入应用紧密 相关的功能硬件，去除冗余功能，这样就可以最低的功耗和资源满足嵌入式应用的 特殊要求，同时，嵌入式微处理器还在工作温度、抗电磁干扰、可靠性方面都做了 增强。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可 靠性高等优点。目前市面上的嵌入式微处理器体系各异，处理器品种众多，比较常 用的嵌入式微处理器主要有以下几种i i i , 1 2 ： 1 m i p s m i p s 技术公司是一家设计制造高性能、高档次及嵌入式3 2 位和6 4 位处理器 的厂商，在r i s c 处理器方面占有重要地位。m i p s 的系统结构及设计理念比较先进， 它强调软硬件协同提高性能，同时简化硬件设计。和英特尔采用的复杂指令系统计 算结构( c i s c ) 相比，r i s c 具有设计更简单、设计周期更短等优点。为了使用户更方 便的应用m i p s 处理器，m i p s 公司推出了一套集成的开发工具，称为m i p si d f ， 特别适合嵌入式系统的开发。 2 p o w e r p c p o w e r p c 是一种采用3 2 位或6 4 位r i s c 体系架构的c p u ，具有优异的性能、 较低的能量损耗以及较低的散热量。其处理器品种很多，从电子产品、通信设备到 高端服务器、桌面系统均应用广泛。第四代p o w e r p c 产品工艺o 1 5 o 3 0 微米，主 频3 5 0 1 0 0 0 m h z ，能集成多达五千万个晶体管。 基于p o w e r p c 架构的处理器有m m 公司开发的p o w e r p c4 0 5g p ，它是一个集 成1 0 1 0 0 m b p s 以太网控制器、串行和并行端口、内存控制器以及其他外设的高性 能嵌入式微处理器。 3 a i m a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 处理器是a c o r n 计算机有限公司面向低预算 市场设计的一款1 6 3 2 位r i s c 微处理器。其特点是体积小、功耗低、成本少、性 能高、指令执行速度快、效率高，在全球合作伙伴众多。基于a r m 核的产品有： - i n t e l 公司的s t r o n g a r m 和x s c a l e 系列。 - f r e e s c a l e 公司的龙珠系列i m x 系列。 - t i 公司的d s p + a r m 处理器o m a p 及c 5 4 7 0 5 4 7 l 。 - c i r r u sl o g i c 公司的a r m 系列：e p 7 2 1 2 、e p 7 3 1 2 、e p 9 3 1 2 等。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s a m s u n g 公司的a r m 系列：$ 3 c 4 4 8 0 、s 3 c 2 4 1 0 、$ 3 c 2 4 4 0 、$ 3 c 6 4 1 0 等。 - a t m e l 公司的a t 9 1 系列微控制器：a t 9 1 m 4 0 8 0 0 、a t 9 1 f r 4 0 1 6 2 等。 - n x p ( 原飞利浦公司半导体部) 公司的a r m 微控制器：l p c 2 1 0 4 。 - n e t s i l i c o n 公司的a r m 系列：n e t + a r m 。 t r i s c e n d 公司的a r m 系列：a 7 系列。 s t 公司的a r m 系列：s t r 7 系列和s t r 9 系列。 无疑，a r m 是众多微处理器中发展最快，使用最多，资源最丰富的。为了缩 短研发周期，熟练掌握w i n d o w sc e 操作系统，减少软件开发时间，并强化自己的 硬件知识，本设计选择了带m m u 功能的a r m ll 微处理器。 1 4 3 嵌入式操作系统 操作系统( o p e r a t i n gs y s t e m ，简称o s ) 是用来对计算机的硬件和软件资源进行 合理地调度，使系统资源最大限度地发挥作用，并能控制程序运行，为应用软件提 供支持，为用户提供方便的、有效的、友善的服务界面。目前嵌入式操作系统已经 走向成熟，代表性产品主要有以下几种【1 1 , 1 2 , 1 3 】： 1 p a l mo s p a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统，是3 c o m 公司的p a l mc o m p u t i n g 部 开发的专用于p d a 上的一种操作系统，在p d a 市场上占有很大的份额。p a l mo s 与同步软件h o t s y n c 结合可以使掌上电脑与p c 机上的信息实现同步，把台式机的 功能扩展到了手掌上。 p a l mo s 操作系统以简单易用为大前提，运作时需求的内存与处理器资源较小， 速度快，具有开放的操作系统a p i 接口，用户可自行开发所需程序；但它不支持多 线程操作，长远发展受到限制。 2 v x w o r k s ， v x w o r k s 是美国风和( w i n d r i v e r ) 公司1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操 作系统( r t o s ) ，它具有可靠、实时、可裁剪的特性，具备高性能的内核以及友好 的用户开发环境，并且能支持现代市场上主流的嵌入式c p u 。v x w o r k s 性能优越， 开发调试便利，技术支持强大，但是其系统本身不开源，软件和操作系统的开发和 维护都十分昂贵，支持的处理器数量也相对较少。 3 r i i l d o w sc e w i n d o w sc e 是微软公司针对移动设备提供的嵌入式、移动计算平台，具有丰 富应用程序，是一个开放的，可升级的3 2 位嵌入式系统。特点是支持多种硬件平 台，具有多线程、多任务及完整优先权的处理功能，可根据产品灵活定制操作系统 界面，而且基本内核可少至2 0 0 k b 。m i c r o s o f t 公司一般不向用户提供源代码，但是 7 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 其嵌入式w m d o w sc e 却是个例外，从w - m d o w sc e5 0 到后续版本，只要是在 w i n d o w sc e 上开发产品的厂商，均可与m i c r o s o f t 签订合同，取得其源代码。由于 和w i n d o w s 具有较好的兼容性，因此开发简单，学习人员容易上手。 4 1 i n u x l i n u x 应用最广泛的一个系统，它安全稳定，源代码开放，开发人员庞大，开发 工具免费，应用软件共享，开发和维护成本低，有统一的开放标准，再加上其内核 可裁剪，模块可配置，可实时、多任务操作，运行所需资源少，所以很多公司用这 个系统，支持的处理器相对也最多：a r n l 系列，m i p s ，x 8 6 等。但其很难被非r r 专 业的用户掌握，而且缺少w i n d o w s 下一些熟知的应用程序，如m i c r o s o f to f f i c e 、 a d o b ep h o t o s h o p 或其他流行的大型主流游戏。 1 5 论文主要研究和章节安排 任意波形发生器与常规信号源的主要区别在于任意性，在现实生活中，许多实 验器材、医用设备、电子产品会用到某些不规则信号，如噪声、心电图、雷电信号 等，它们只是一些实验波形或者无规则信号，无法使用函数表示，因此这类波形的 产生就需要用到任意波形发生器。 本论文致力于设计一种低成本、性能优良、有良好人机界面、操作简单的存储 器式任意波形发生器，它能产生如正弦波、方波、三角波等标准波形，还能根据用 户的需求生成任意波形。 论文具体章节安排如下： 第一章：绪论：介绍了国内外任意波形发生器发展概况，以及相关嵌入式硬件 与软件操作系统。 第二章：硬件系统设计：讨论了基于a r m 的存储式任意波形发生器的硬件系统 的整体设计、各个电路模块的原理、信号完整性分析和仿真等。 第三章：软件系统设计：介绍了w i n d o w sc e 操作系统的定制、移植和硬件驱动 开发，以及任意波形发生器控制程序和用户界面的开发。 第四章：实验测试：给出了实际产生的各种波形。 第五章：总结和展望：对本论文所做工作的总结和展望。 8 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 第二章硬件电路设计 2 1 任意波形发生器总体结构 本论文所设计的存储器式任意波形发生器的系统结构框图如图2 1 所示，它以 型号为$ 3 c 6 4 1 0 的a r m l l 为核心控制芯片，采用两片1 2 8 mb y t e s 的m o b i l ed d r 和一片2 gb y t e s 的n a n df l a s h 做存储器，存储软件和数据。任意波形数据从u s b 接口读入或通过人机交互界面设定。然后$ 3 c 6 4 1 0 不停地从存储器读出任意波形数 据并通过g p i o 端口送给数模转换器，经d a 转换和滤波后输出。本章后续各节对 各个模块的设计以及p c b 板布线和信号完整性分析进行更详细讨论。 图2 1 任意波形发生器总体结构 2 2a r m l l 微处理器简介 根据微处理器选型和本设计需求的原则，本次设计的任意波形发生器将采用 $ 3 c 6 4 1 0 微处理器，加上丰富的片内外设备接口，能良好地满足本设计的需求。以 下是对该处理器的介绍1 1 4 l 。 9 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s s 3 c 6 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m l l 7 6 处理器内核，具有5 3 3 6 6 7 两 种操作频率的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，采用了由a x i 、a h b 和a p b 总线组成的 6 4 3 2 位内部总线结构。是一款适用于手持、移动等终端设备的高速率、低功率、 高性能、性价比出众的通用r s i c 处理器，适用于2 5 g 3 g 通信的服务优化。其内 部集成了p l l 时钟发生器，支持实时视频会议和p a l 模式输出的多格式编解码器， 提供音视频处理，2 d 3 d 加速、图形图像翻转和缩放的硬件加速器。 s 3 c 6 4 1 0 片外有丰富的硬件外设，其特性包括： ( 1 ) 固定1 6 m 像素，缩放高达4 m 像素的8 位i t u 相机接口。 ( 2 ) 显示分辨率高达1 0 2 4 x1 0 2 4 的t i 叮2 4 位真彩色l c d 接口。 ( 3 ) a c 9 7 音频编解码接口 ( 4 ) i i s 和i i c 接口支持。 ( 5 ) 高速的u s b 2 0o t g 和全速的u s b l 1h o s t ( 6 ) 3 2 通道d m a ，4 通道u a r t 和4 通道定时器 ( 7 ) 高速m m c s d 支持 ( 8 ) 1 8 8 个灵活配置的g p i o 端口 2 3a r u l1 核心板硬件设计 ， 本论文所设计核心板基本特性如下【1 5 】： 采用6 层p c b 结构； s a m s u n g $ 3 c 6 4 1 0 处理器，a r m i1 7 6 j z f s 内核，主频5 3 3 m h z 6 6 7 m h z ： - 2 5 6 mb y t e sm o b i l ed d r 内存 2 gb y t e sm l cn a n df l a s h ： 支持5 v 电压供电； - 1 2 m h z 、4 8 m h z 、2 7m h z 、3 2 7 6 8k h z 时钟源； 复位电路 2 3 1 电源电路设计 本论文使用x c 9 2 1 6 和x c 6 2 1 9 电源芯片来实现+ 5 v 电源到各器件工作所需电 源的转换。x c 9 2 1 6 系列是一组同步矫j 下步降式d c d c 转换器，内部集成0 6qp 沟道驱动晶体管和0 7qn 沟道开关晶体管，该设计能使用陶瓷电容。该芯片性能 如下【1 6 1 ： 高效率：9 0 ( 典型值) 低纹波抑制：1 0 m v 1 0 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 输入电压范围：2 0 v ，币0 v 输出电压范围：0 9 v 4 0 v ( 0 i v 递增) 输出电流：4 0 0 m a 振荡频率：6 0 0 乜，1 2 m h z - p w m p f m 转换控制 最大占空比：1 0 0 兼容陶瓷电容器 超小型封装：s o t - 2 5 ，u s p 一6 b 本论文使用x c 9 2 1 6 来完成+ 5 vn + i 2 v 和+ 1 8 v 的转换，分别给a r m 和 m o b i l ed d r 供电，其转换电路图如图2 2 所示。 v d d o p w r r g 予o 鞲 v i o - m o b ite - d d r p o w er 1 8 v 图2 2 a r m 和m o b i l ed d r 电源电路 x c 6 2 1 9 系列是高速l d o 稳压器，兼容低e s r 陶瓷电容，o n o f f 开关。具有 高精度、低噪音、高纹波抑制比、低漏失、开启时间快等特点。x c 9 2 1 6 内部包括 一个参考电压源，误差放大器，驱动器晶体管，电流限制器和相位补偿器。输出电 压范围为0 9 v 到5 0 v ( 5 0 m v 递增) 。其c e 引脚允许调节器的输出被关闭，能大 大减少电力消耗。因此广泛用于移动电话、无线通讯设备、参考电压源等电路。本 论文所选x c 6 2 1 9 采用s o t - 2 5 超小型封装1 1 7 1 。本论文使用x c 6 2 1 9 来完成+ 5 v 到 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s + 1 2 v 和+ 3 3 v 的转换，分别给p l l 和u s bo t g 供电，其转换电路图如图2 3 所示。 了j 7 u s b o t g p o w er 3 3 v - - ：= 。-t。 图2 3p l l 和u s bo t g 电源电路 2 3 2 时钟电路设计 核心板设计了四种时钟频率，分别为1 2 m h z 、4 8 m h z 、2 7m h z 、3 2 7 6 8k h z 。 $ 3 c 6 4 1 0 内部集成三个p l l ，分别是a p l l 、m p l l 和e p l l ，a p l l 用于a r m 时 钟操作，m p l l 产生系统时钟，用于a x i 、a h b 和a p b 总线操作，e p l l 用于特殊 用途。片内的p l l 降低了片外时钟频率，提高了系统的稳定性。其中2 7 m h z 用于 产生s p i 和m m c 时钟；4 8 m h z 用于产生u s bh o s t 时钟；3 2 7 6 8 k h z 用于产生u s b o t g 时钟。因为$ 3 c 6 4 1 0 片内有振荡电路，本设计采用了无源晶振作为时钟电路 方案，利用a r m 内部p l l 锁相环倍频至工作频率。 时钟电路原理图如图2 4 所示。 1 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 绷x t 0 z 。删i x 下| 。r t c x t 0 诏鞴h z f 图2 4 各频率时钟产生电路 2 3 3n a n df l a s h 电路设计 n a n df l a s h 内存是f l a s h 内存的一种，它使用复杂的i o 口来串行地存取 数据，具有容量大，读写速度快的优点，n a n d 结构能提供高存储密度，并且写入 和擦除的速度很快，是高数据存储密度的理想解决方案。 核心板配置2 gb y t e s 大容量n a n df l a s h ，选用s a m s u n g 公司k 9 g a g 0 8 芯 片，n a n df l a s h 存储器主要用于存放内核代码、文件系统、数据资料和应用程 序等。 n a n df l a s h 设计原理图如图2 5 所示。 ：汾：钟：并呷：呼： v d d b u 3 。 。 、 5 。 。 2 ： ：n c o + n c 7 ；12 0 。 3 7：n c n c 8 ： ：2 1 。 。41：n c 2 n c 9 j、2 2 。 。 sj：n c 3 。 n c l o j12 3 。 。 1 一 n c 4 。n c l lj：2 4 ：d a t a 0 ：；5 l 茹二：一； ：n c 5 。n c l 2 )、2 5 。 黑 苏i ：i ；茹蒜荔i r 、，、 口 b 3 x m j3 咀t a l 4 q a m e ：x m l _ a d d r l 2 】 a 2x m ld a t a l 5 b a l1 5 ： c k 。 豫-s35型kxmis c l k n 湮c k 鲁掰x m 灞i - o q s o ，0 l d o s x m ，c a s n 昙；一w e n 洼 r a s 。u d o s c a s = 二一w e l c s o 。酬 氲蠹舞雕 - 矾，i 妊日z 。 c k e 0 。u d 酣 晶。葫lcc睦sm褥卜mddr c s n i n c 傩。 n c 圮s 1 。 d 1 v d d o v s s 0 1 a 3 。：一。j ” a ， v d d q 2 v s s 0 2 c 1 c 9 v d d 0 3v s s 0 3 七1 哺 v d o q 4 v s s 0 4 日9 v d b q 5 + v s s q 5 明 。的a 1 1 9 v d d l 。+ v s s i - 1 k g 一 v d d 2v s s 2 k ， v d d 3v s s 3 k 4 x 1 g 6 3 p c 2 3 5 复位电路设计 图2 6 m o b i l e d d r 原理图 m a x s l l 是低功耗微处理器，它具有优良的电路可靠性，并消除外部成本低组 件和调整3 v s v 供电电路，提供去抖手动复位输入。该器件采用4 - p i ns o t l 4 3 封 装【2 0 1 。其电路图如图2 7 所示 k e y r s 下 。 图2 7 复位电路原理图 1 5 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 2 4a r m l1 底板设计 底板采用了4 层板设计，性能稳定，特性如表2 1 所示1 1 4 1 ： 表2 1 底板特性及说明 功能说明 系统启动采用8 位拨码开关，支持n a n df l a s h 、n o r f l a s h 和s d 卡 等多种方式启动。 n o rf l a s h 包含一片2 mb y t e sn o rf l a s h 。 串口2 路五线r s 2 3 2 串口，1 个三线r s 一2 3 2 串口。 总线接口一个r s 一4 8 5 总线接口。 u s b 接口一个支持u s b i 1 协议的u s bh o s t 接口，一个支持u s b 2 0 协议 的u s bs l a v e 接口。 j t a g 接口一个使用1 0 2 插针连接器的j t a g 接口 电池一个c r l 2 2 0 型号的纽扣电池，在掉电时为r t c 供电 s d 卡接口一个高速s d 卡座，使用四线s d 卡接口，支持2 0 协议的s d m e m o r y 规格和1 0 协议的s d i o 规格，支持最大g g 存储卡。 w i f i 接口一个w i f i 扩展接口，实现w i f i 上网功能； 液晶屏接口一个支持3 5 寸、4 3 寸、5 6 寸、5 7 寸、7 寸、8 寸等t f t 液晶 屏，支持1 0 寸l v d s 液晶屏，接口采用5 0 p i i l 2 m m 间距； t v - o u t 接口2 路t v - o u t 输出接口 v g a 接口一个最大分辨率为8 0 0 6 0 0 的v g a 接口 音频接口一路立体声音频输出接口，带l i n ei n 输入和m i e 输入功能 网卡接口。一个1 0 0 m 以太网接口 摄像头接口一个使用1 0 2 插针，最大实现4 0 9 6 4 0 9 6 像素点，支持i t u - r b t 6 0 1 6 5 68 位模式摄像头接口； c a n 接口一个支持c a n 2 0 标准的c a n 总线接口 扩展接口一个1 0 2 插针扩展接口；包括8 路a d 输入，1 路d a 输出，1 路s p i 总线，1 路g n d ，其余为g p i o ； 温度红外一个温度传感器和一个红外接收头 按键六个用户按键 l e d 四个l e d 蜂鸣器一个蜂鸣器 1 6 硕士学位论文 m a s t e r st he s i s 由上可见，本论文的开发板采用核心板加底板结构，支持m o b i l ed d r 以及多种 n a n df l a s h ，板上集成了串口，r s 4 8 5 ，u s b ，v g a ，t v ，s d ，l c d ，以太网， 音频，c a n 总线等接口，并配备了温度传感器和红外，可帮助用户实现产品级设计。 2 5 接口板硬件设计 由图2 1 任意波形发生器总体结构可知，通过a r m 的g p i o 口传送来的波形数 据为二进制数据，需要高速d a 芯片把这些数据转换成模拟信号，因此需要数模转 换器件。此外，在转换的过程中，会有部分数字信号串入到模拟信号中，此外还有 各种高次谐波，要得到干净不失真的波形，需要一个滤波器来使输出波形信号平滑。 2 5 1 数模转换电路设计 d a c 转换器的主要技术指标如下1 2 u ： 分辨率：是对d a c 能分辨的最小模拟增量大小的表征，其值往往用输入数字 量的位数表示。 转换精度：指d a 转换器受硬件参数的影响，实际输出的模拟量与理想值之间 误差的最大值。可用最低有效位来衡量( l s b 2 ) 。如分辨率为1 0 位，则转换精 度为：( 1 1 0 2 4 ) 2 = 1 2 0