ARM嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)

1、ARM嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)    摘 要： 在當(dāng)前的數(shù)字信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高速發(fā)展的PC時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地滲入到生產(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。特別是隨著消費(fèi)家電的智能化，嵌入式系統(tǒng)技術(shù)與人們的聯(lián)系更加緊密了。鑒于以上原因，在全球范圍內(nèi)掀起了學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的浪潮。許多高校和職業(yè)技術(shù)學(xué)院都先后開(kāi)設(shè)了嵌入式系統(tǒng)課程，并且為學(xué)生提供了良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，使其熟練掌握嵌入式系統(tǒng)技術(shù)。本文以兼顧硬件設(shè)計(jì)的理論知識(shí)與培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力為出發(fā)點(diǎn)，研究并設(shè)計(jì)了一種基于ARM7嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，完成了該板的硬件設(shè)計(jì)及電路板的制作，并進(jìn)行了調(diào)試，同時(shí)對(duì)重要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真

2、與調(diào)試。 關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng) ARM 教學(xué)實(shí)驗(yàn)板 1.嵌入式實(shí)驗(yàn)板研究現(xiàn)狀及本文自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板的特點(diǎn) 1.1 ARM嵌入式實(shí)驗(yàn)板的研究現(xiàn)狀。 ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。目前，總共有30家半導(dǎo)體公司與ARM簽訂了硬件技術(shù)使用許可協(xié)議，其中包括Intel、IBM、LG半導(dǎo)體、NEC、SONY、菲利浦和國(guó)民半導(dǎo)體這樣的大公司。至于軟件系統(tǒng)的合伙人，則包括微軟、升陽(yáng)和MRI等一系列知名公司。ARM嵌入式系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)板、開(kāi)發(fā)板的開(kāi)發(fā)也層出不窮，目

3、前比較典型的有Magic ARM系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、Smart ARM系列教學(xué)平臺(tái)、Easy ARM系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等。 1.2本文自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板所具有的優(yōu)點(diǎn)。 本著讓初學(xué)者容易上手的目的，本實(shí)驗(yàn)板所用的跳線比較少，模塊精簡(jiǎn)，省去了一些用處不大、復(fù)雜度較高、學(xué)習(xí)難度大的接口模塊。同時(shí)為了滿足教學(xué)和學(xué)習(xí)的需要，本實(shí)驗(yàn)板的擴(kuò)展槽又能接入許多實(shí)驗(yàn)板所沒(méi)有的外圍設(shè)備，既降低了實(shí)驗(yàn)板的功耗，又不影響學(xué)生的正常學(xué)習(xí)。本實(shí)驗(yàn)板絕對(duì)不是對(duì)接口模塊的簡(jiǎn)單刪除，而是一種有目的的取舍，模塊精簡(jiǎn)后，既能減小學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)嵌入式實(shí)驗(yàn)板的學(xué)習(xí)壓力，又能提高實(shí)驗(yàn)板的性價(jià)比，更容易培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，使學(xué)生掌握基礎(chǔ)接口模塊的概念、

4、設(shè)計(jì)原理和應(yīng)用方法等。 1.3本實(shí)驗(yàn)板功能框圖（如圖1所示）。 2.實(shí)驗(yàn)板的硬件原理與結(jié)構(gòu) 本實(shí)驗(yàn)板采用“實(shí)驗(yàn)板+擴(kuò)展槽”的設(shè)計(jì)思想，實(shí)驗(yàn)板上包含了ARM芯片LPC2131微制器、復(fù)位電路、電源電路、JTAG接口電路、鍵盤(pán)電路、蜂鳴器電路、LED電路、UART0和MODEM接口電路、晶振電路等，組建成一個(gè)ARM7的最小系統(tǒng)。部分電路硬件設(shè)計(jì)與原理如下。 2.1實(shí)驗(yàn)板電源電路。 實(shí)驗(yàn)板的微控制器的內(nèi)核和I/O使用同一電源電壓，只需單電源3.3V供電。板子電源電路由USB接口輸入5V直流電源，由CZ1電源接口輸入，接頭上的電源極性外正內(nèi)負(fù)。然后通過(guò)SPX1117M-3.3將電源穩(wěn)壓至3.3V。SP

5、X1117M3-3.3，其特點(diǎn)為輸出電流大，輸出電壓高，穩(wěn)定性好。模擬電源與數(shù)字電源使用10H的電感L1進(jìn)行隔離，其輸出端還需要一個(gè)不小于10F的鉭電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。電源部分的電路如圖2所示。 2.2實(shí)驗(yàn)板的復(fù)位電路。 由于ARM芯片的高速、低功耗、低工作電壓導(dǎo)致其噪聲容限低，對(duì)電源紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性、電源監(jiān)控可靠性等諸多方面也提出了更高的要求。本開(kāi)發(fā)板的復(fù)位電路使用了帶I2C存儲(chǔ)器的電源監(jiān)控芯片CAT1025JI-30，提高系統(tǒng)的可靠性。使用CAT1025JI-30芯片時(shí)，其RESET和引腳上的下拉電阻R1和上拉電阻R21都是不能省略的。復(fù)位電路原理如圖3所示。 3

6、.實(shí)驗(yàn)板的開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)過(guò)程 3.1吸取別人優(yōu)點(diǎn)，然后進(jìn)行創(chuàng)新。 首先，學(xué)習(xí)和借鑒別的開(kāi)發(fā)板、實(shí)驗(yàn)板的優(yōu)點(diǎn)，弄清楚各部分電路的原理、作用。根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，去除那些用處不大、復(fù)雜度較高、學(xué)習(xí)難度大的接口模塊。同時(shí)為了滿足教學(xué)和學(xué)習(xí)的需要，添加一些其他實(shí)驗(yàn)板所沒(méi)有的接口模塊。總之，就是要所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)板既能完成常規(guī)的實(shí)驗(yàn)，又能降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度；既能增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，又能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。 3.2學(xué)習(xí)并掌握基本的繪制電路圖工具。 其次，學(xué)習(xí)一門(mén)能繪制電路原理圖和制作PCB電路板的軟件，這里推薦學(xué)習(xí)protel99se。在熟悉和掌握該軟件后，根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)并繪制該實(shí)驗(yàn)板的電路圖，然后根據(jù)

7、自己設(shè)計(jì)的電路圖進(jìn)行電氣設(shè)計(jì)規(guī)則檢查、元件標(biāo)號(hào)的重新分配、檢查遺漏的封裝、生成網(wǎng)絡(luò)表文件，在完成以上工作后，進(jìn)行PCB板的制作。元件的自動(dòng)布局和自動(dòng)布線往往效果較差，對(duì)于初學(xué)者推薦使用元件手動(dòng)布局和手動(dòng)布線。一方面使設(shè)計(jì)的PCB板更合理，同時(shí)鍛煉了初學(xué)者的動(dòng)手能力。其制作PCB板的步驟如下：規(guī)劃電路板、載入網(wǎng)絡(luò)表和元件、對(duì)元件進(jìn)行手動(dòng)的操作（移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、對(duì)齊、復(fù)制、剪切、粘貼）、進(jìn)行布線規(guī)則的設(shè)定、手動(dòng)布線、對(duì)電路板的編輯等。 3.3鍛煉設(shè)計(jì)與動(dòng)手能力。 再次，就是根據(jù)自己繪制的PCB板，發(fā)給廠家制板，購(gòu)買(mǎi)元件，進(jìn)行安裝和調(diào)試。在調(diào)試過(guò)程中不要等整塊板都安裝好了后才進(jìn)行調(diào)試，一旦某個(gè)地方出現(xiàn)問(wèn)

8、題不易檢查出故障。因此，在安裝時(shí)應(yīng)一個(gè)模塊安裝好后，立即進(jìn)行調(diào)試。在安裝的過(guò)程中，應(yīng)先安裝電源部分，在該部分調(diào)通后，才能安裝其他模塊，直到完成所有模塊的安裝和調(diào)試。 3.4進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，提升調(diào)試的能力。 最后，就是對(duì)書(shū)中的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，這個(gè)過(guò)程通常用ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)完成。ADS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是ARM公司推出的ARM核微控制器集成開(kāi)發(fā)工具，英文全稱(chēng)為ARM Developer Suite，成熟版本為ADS 1.2。ADS 1.2支持ARM10之前的所有ARM系列微控制器，支持軟件調(diào)試及JTAG硬件仿真調(diào)試，支持匯編、C和C+源程序，具有編譯效率高、系統(tǒng)庫(kù)功能強(qiáng)等特點(diǎn)。ADS 1.2由6

9、個(gè)部分組成，即代碼生成工具、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、AXD調(diào)試器、指令模擬器、ARM開(kāi)發(fā)包、ARM應(yīng)用庫(kù)。用戶一般直接使用的是Code Warrior IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和AXD調(diào)試器。CodeWarrior IDE為用戶提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、通用、圖形化的界面，支持C/C+、ARM匯編語(yǔ)言。用戶在這個(gè)IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下可以方便地編寫(xiě)程序并管理好整個(gè)工程項(xiàng)目。AXD調(diào)試器為ARM擴(kuò)展調(diào)試器（ARM eXtended Debugger），包括ADW/ADU的所有特性，支持硬件仿真和軟件仿真（ARMulator）。AXD能夠裝載映像文件到目標(biāo)內(nèi)存，具有單步、全速和斷點(diǎn)等調(diào)試功能，可以觀察變量、寄存器和內(nèi)存的數(shù)據(jù)

10、等。 4.結(jié)語(yǔ) 本文主要介紹了ARM嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和功能特點(diǎn)，并詳細(xì)介紹了自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)板的開(kāi)發(fā)過(guò)程。本次ARM嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)板的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)的經(jīng)驗(yàn)與收獲，主要可以概括如下。 培養(yǎng)了綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問(wèn)題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)。剛剛著手做的時(shí)候，一點(diǎn)頭緒都沒(méi)有，感覺(jué)困難重重，不知道該從哪下手，感覺(jué)到自己對(duì)理論知識(shí)學(xué)習(xí)得還是不扎實(shí)，于是重新仔細(xì)地看了一遍課本，對(duì)課本知識(shí)進(jìn)行了梳理，重新認(rèn)識(shí)了嵌入式教學(xué)實(shí)驗(yàn)板，又理解了一些原來(lái)沒(méi)有理解的東西。等到真正動(dòng)手做的時(shí)候，又發(fā)現(xiàn)了課本與實(shí)際要求的東西還差很多，通過(guò)與其他同學(xué)和老師商討，才使得問(wèn)題逐一解決。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，也加入了一些創(chuàng)新。當(dāng)然設(shè)計(jì)還有很多不足之處，希望同行能給予批評(píng)指正。 本次設(shè)計(jì)，提高了動(dòng)手能力和綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，也深刻理解了理論與實(shí)際結(jié)合的重要性，只有把所學(xué)理論與實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，從理論中得出結(jié)論，從實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，才能真正適應(yīng)以后的工作。 參考文獻(xiàn)： 1LPC2200使用手冊(cè). 2周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教程（2）M.北京航空航天大學(xué)出版社，2005.8. 3吉雷.Protel 99從入門(mén)到精通M.西安電子科技大學(xué)出版社，2000，6. 4張錫鶴，盛鴻宇.印制電路板電路設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材