系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)

1、第2章系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與開發(fā)整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)分為加速度信號(hào)采集電路、無(wú)線傳輸電路、ARM系統(tǒng)電路三部分。2.1 硬件電路總體結(jié)構(gòu)根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)和基本技術(shù)指標(biāo)，并結(jié)合MEMS加速度傳感器的特點(diǎn)，選用Freescal公司的MMA7261QT三軸加速度傳感器用于加速度信號(hào)的采集。采用STC12C5410AD1l片機(jī)作為信號(hào)采集部分的MCU,其內(nèi)部自帶的8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，很好得保證了傳感器端輸出端模擬信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換精度。無(wú)線傳輸部分采用2.4GHz無(wú)線收發(fā)一體芯片nRF2401,它與STC單片機(jī)采用模擬SPI方式通信。力口速度信號(hào)處理模塊的ARM微處理器采用三星公司的S3c44B0X對(duì)無(wú)線模

2、塊接收到的加速度數(shù)據(jù)作相應(yīng)的處理，可得到速度、位移等信息。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示：加速度信號(hào)第國(guó):1家級(jí)整體修陶國(guó)2.2 加速度信號(hào)采集模塊本設(shè)計(jì)采用Freeseale公司的MEMS三軸加速度傳感器MMA7261QT測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)的加速度信號(hào)，并用宏晶科技的微控制器STC12C5410AD作為核心控制器，控制其內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行采樣，被轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后，由nRF2401無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)傳輸至ARM系統(tǒng)。2.2.1 MEMS三軸加速度傳感器MMA7261Q簡(jiǎn)介MEMS(MicroElectroMechanicalSystems),即微電子機(jī)械系統(tǒng)是建立在微米/納米技術(shù)基礎(chǔ)上的21世

3、紀(jì)前沿技術(shù)，是指對(duì)微米/納米材料進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工、制造、測(cè)量和控制的技術(shù)。近年來(lái)，由于MEMS技術(shù)的迅猛發(fā)展，各種基于MEMS的加速度傳感器也應(yīng)運(yùn)而生,目前已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。它們有著體積小、質(zhì)量輕、成本低、功耗低、可靠性高等特點(diǎn)，而且因?yàn)槠浼庸すに囈欢ǔ潭壬吓c傳統(tǒng)的集成電路工藝兼容，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化以及批量生產(chǎn)，因而從問(wèn)世起就引起了廣泛關(guān)注，并且在汽車、醫(yī)藥、導(dǎo)航和控制、生化分析、工業(yè)檢測(cè)等方面得到了較為迅速的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中采用的是飛思卡爾(Freescal)公司的MEMS三軸加速度傳感器MMA7261QT。MMA7261QT低成本微型電容式加速度傳感器采用了信號(hào)調(diào)理、單極低通濾波器和

4、溫度補(bǔ)償技術(shù)，并且提供4個(gè)量程可選，用戶可在4個(gè)靈敏度中的選擇。該器件帶有低通濾波并已做零g補(bǔ)償并且還提供休眠模式，因而是電池充電的手持設(shè)備產(chǎn)品的理想之選24。MMA7261QT具有高敏感度、低噪聲、高清晰度和高準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，其應(yīng)用包括高級(jí)步程計(jì)，可測(cè)量步行中人的腳步運(yùn)動(dòng)、距離和速度，允許根據(jù)多種不同應(yīng)用和功能選擇敏感度。本設(shè)計(jì)中采用MMA7261QT測(cè)量人體運(yùn)動(dòng)時(shí)三維的加速度信號(hào)。 MMA7261QT特性如下： 可選靈敏度(2.5g/3.3g/6.7/10g); 低功耗：500A; 休眠模式：3A; 低壓運(yùn)行：2.2V-3.6V; 6mmx6mmx1.45mm的無(wú)引線四方扁平(QFN)封裝；

5、 快速開啟：1ms； 高靈敏度(2.5g); 低通濾波器具備內(nèi)部信號(hào)調(diào)理； 設(shè)計(jì)穩(wěn)定、防震能力強(qiáng)；MMA7261QT的功能如圖2.2所示。X、Y、Z三個(gè)相互垂直方向上的加速度G-Cel傳感單元感知，經(jīng)過(guò)容壓變換器、增益放大、濾波器和溫度補(bǔ)償后以電壓信號(hào)輸出。MMA7261QT的三個(gè)相互垂直的傳感方向如圖2.3所示。其引腳配置如表2.1所示：圖22MMA7261QT功能框功圖2.3W'72R1QT的傳感方向表2.1MVA7261QT引腳說(shuō)明引腳序號(hào)引腳名稱描述1Seiect1輸入邏輯電平.選擇是敏度的級(jí)別2Select2輸入邏輯電平，選擇靈敏度的級(jí)別3VDD電源輸入4VSS電源地5-11

6、N/懸空12SleepMode休眠模式13ZOITZ方向輸出電壓11YOVTY方向輸出電壓15XOUTX方向輸出電壓16N/C懸空2.2.2加速度傳感器與MCLg口電路在加速度信號(hào)的采集中，首先使用MMA7261QT獲得三維加速度信號(hào)，然后傳送給STC12C5410AD®行處理。STC12C5410Ao宏晶科技的STC12系列單片機(jī)，其特征如下： 采用RISC型CPU內(nèi)核，兼容普通8051指令集； 片內(nèi)含有10KBFlash程序存儲(chǔ)器，2KBFlash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，512BRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；同時(shí)內(nèi)部還有看門狗（WDT）; 片內(nèi)集成MAX810專用復(fù)位電路、8通道l0位ADC以及4通道P

7、WM; 具有可編程的8級(jí)中斷源4種優(yōu)先級(jí)； 具有在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）; 片內(nèi)資源豐富、集成度高、使用方便；由于MMA7261QT和STC12C5410ADtB具有很高的集成度，因而使得系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化。在MMA7261QT與STC12C5410AD的接口中，首先要解決噪聲問(wèn)題。因?yàn)镸MA7261QT內(nèi)部采用了開關(guān)電容濾波器，有時(shí)鐘噪聲產(chǎn)生，所以需要在MMA7261QT的XOUT、YOUT和ZOUT三個(gè)輸出端分別接RC濾波器。電路設(shè)計(jì)原理如圖2.4所示。MMA7261QT輸出的加速度信號(hào)是模擬信號(hào)，必須將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。因此，必需要MMA7261QT的輸出電壓和微控

8、制器STC12C5410AD內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入電壓范圍的問(wèn)題。MMA7261QT的X軸、Y軸以及Z軸的輸出電壓均在STC12C5410AD的I/O口電壓允許范圍之內(nèi)，滿足其輸入要求，因此MMA7261QT的三軸輸出經(jīng)過(guò)濾波處理后可以直接與STC12C5410A相連接。由于MMA7261QT固有的內(nèi)部采樣頻率為11kHz,設(shè)計(jì)電路時(shí)其外部電源供電開關(guān)頻率及STC12C5410AD的A/D采樣頻率都應(yīng)不與之干擾，以防產(chǎn)生混疊誤差。為了更準(zhǔn)確的獲取步態(tài)加速度信號(hào)，在硬件電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，還應(yīng)保證MMA7261QT與STC12C5410AD勺物理連接距離最短，以減少寄生電阻、寄生電容的產(chǎn)生，防止加速度信號(hào)

9、的衰減和噪聲的干擾。燈口jO*L3ADrdWJI鞏.苜U工ITmP13MCEl：?L&爾4TOH1FI.SDO3IT：.rJ2打上3二rar1列：編工i*11PIO停工匕律2】工(W圖£1MA7261QT與STC12c5410AD接口原理圖2.3ARM系統(tǒng)電路2.3.1 S3C44B0X簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)選用16/32位RISC（ReducedInstructionSetComputer）微處理器S3c44BOX乍為信號(hào)處理部分的主控制器，它是一款由Samsung公司為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用設(shè)計(jì)的低功耗、高度集成的基于ARM7TDMI核的微處理器。S3c4480班供了豐富的內(nèi)置部件，

10、包括：8KBcache內(nèi)部SRAM,LCD控制器，帶自動(dòng)握手的2通道UART4通道DMA,系統(tǒng)管理器（片內(nèi)邏輯，F(xiàn)P/EDO/SDRAM控制器），帶有PWM功能的5通道定制器，I/O端口，RTC8通道10位ADC,IIC-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍頻器。S3c44B0X使用ARM7TDMI內(nèi)核，采用0.25科mCMOS工藝制造，它的低功耗和全靜態(tài)設(shè)計(jì)特別適用于對(duì)低成本和功耗敏感的應(yīng)用。S3c44B0X®采用一種新的總線結(jié)構(gòu)，即SAMBALL（三星ARMCPU嵌入式微處理器總線結(jié)構(gòu)）。其工作頻率66MHz，包才Thumb代碼壓縮器，片上ICE調(diào)試支持和一個(gè)32位硬件乘法器。S

11、3C44B0X通過(guò)全面、通用的片上外圍接口，大大減少了系統(tǒng)中除處理器以外的元器件配置，從而使系統(tǒng)的成本大大降低。S3C44B0X具有非常豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。其各種片上功能如下： 采用ARM7TDMI內(nèi)核，I/O電壓3.3V,內(nèi)核電壓2.5V; 內(nèi)置存儲(chǔ)器控制器； LCD控制器（高至256色DSTN）,并有1通道LCD專用DMA; 2通道通用DMA或2通道外設(shè)DMA,并有外部請(qǐng)求信號(hào)的引腳； 1通道多主IIC總線控制器及1通道US總線控制器； 5通道PWM定時(shí)器及1通道內(nèi)部定時(shí)器； 內(nèi)置鎖相環(huán)（PLL）,系統(tǒng)主頻最高達(dá)66MHz; 4種工作模式，可以實(shí)現(xiàn)電源管理以降低系統(tǒng)功

12、耗； 8KB的系統(tǒng)高速緩存（CACHE）極大地提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度； 支持8個(gè)MEMORYBANK256MB,內(nèi)置SDRAM控制器，可直接外接SDRAM達(dá)64MB;71個(gè)通用I/O口； 實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC和看門狗電路（WATCHDOG） 功耗控制：具有普通、慢速、空閑和停止模式； 8通道10位ADC;其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.5所示：2.3.2 復(fù)位電路復(fù)位電路主要完成系統(tǒng)的上電復(fù)位和系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的按鍵復(fù)位功能。所以在功能上復(fù)位電路分為兩類：一種即電源復(fù)位，即外部的復(fù)位電路在系統(tǒng)上電后自動(dòng)復(fù)位；另一種是在復(fù)位電路設(shè)計(jì)按鍵開關(guān)，通過(guò)按鍵開關(guān)觸發(fā)復(fù)位電平，從而控制處理器的復(fù)位。在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，復(fù)位電路是容易

13、受噪聲干擾的敏感部位，當(dāng)復(fù)位串入干擾時(shí)，大多數(shù)情況下不會(huì)造成錯(cuò)誤復(fù)位，但會(huì)引起CPU內(nèi)部的某些寄存器和接口電路錯(cuò)誤復(fù)位。因此，復(fù)位電路的條件是既要保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠復(fù)位，又要考慮復(fù)位電路具有良好的抗干擾能力。本系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖2.6所示。該復(fù)位電路工作原理為：當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，通過(guò)電阻R10向電容E5充電，當(dāng)E5電壓未達(dá)到高電平的門限電壓時(shí)，nRESE礎(chǔ)輸出為低電平，系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)E5兩端的電壓達(dá)到高電平的門限電壓時(shí)，RESET俞出為高電平，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。當(dāng)按鍵K1被按下時(shí)，E5兩端的電荷被泄放掉，nRESE環(huán)輸出為低電平，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，再重復(fù)以上的充電過(guò)程，系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀

14、態(tài)。二極管D2能在電源掉電時(shí)使電容E5迅速放電，在電源恢復(fù)正常時(shí)實(shí)現(xiàn)可靠復(fù)位。避免了由于電源瞬間掉電而電容不能迅速放電而引起的不可靠復(fù)位，導(dǎo)致程序運(yùn)行失控，造成“程序亂飛”和“死循環(huán)氣。兩級(jí)或門電路用于按鈕去抖動(dòng)和波形整形，通過(guò)調(diào)整E5和R10的參數(shù)，可調(diào)整復(fù)位狀態(tài)的時(shí)間。2.3.3 SDRAM及FLASH電路1.SDRAM電路SDRAM具有單位空間存儲(chǔ)容量大和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)中。SDRAM沒(méi)有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，不能長(zhǎng)久保存數(shù)據(jù)。但其存取速度大大高于Flash存儲(chǔ)器，且具有可翻寫的屬性。因此，SDRAM在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間、數(shù)據(jù)及堆棧區(qū)。 SDRAM的選擇

15、當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，CPU首先從復(fù)位地址0x0處讀取啟動(dòng)代碼。在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼一般應(yīng)調(diào)入SDRAM中運(yùn)行，以提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。同時(shí)，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在SDRAM中。若要在系統(tǒng)中使用SDRAM,就要求微處理器具有刷新控制邏輯，否則就必須在系統(tǒng)中另外加入刷新控制邏輯電路。S3c44BOXM其他一些ARM芯片在片內(nèi)具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯，可方便地與SDRAM接口。 SDRAM接口設(shè)計(jì)由于S3c44BO泗部沒(méi)有提供RAM儲(chǔ)空間，需要擴(kuò)展。在本系統(tǒng)中選用了HY57V641620,它的存儲(chǔ)組織方式為4BankX16X1M,工作電壓為3.3V,常見封裝為54腳TSOP支持自

16、動(dòng)刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh),16位數(shù)據(jù)寬度。其接口原理如圖2.7所示:U5ADDRIaAODQOAlDQlA2DQ2A4DQ4A5DQSDQ6*7DQ7Jl8DQBA9DQ?AWDQLOAllDQLlDQL2BAOPQL3BAIDQL*DQL5LDQMDQMnSCShSIUSSCOhSCASnWEVSSIVDD1VSS2VDD2VSSQOVDDQOVSSQ1VDDQlWSSQ2VDDQ2VDDQ3itiiTAO4DATADATA2ADDR4267D1,TAJADD©29fCATA4屬g庭30IDDATA511MhT"ADCE&am

17、p;3213DiTA?4SDATAB&D函口X*4WADDRI12245DATA10ADDItC3S4?D1TAHADDR2120照DATA250DATA13ADDEU22151DATA14nWBEO1553©ATAU19mSCSOnWBEI3?sets3718nSRAS17ktXASSCLK3®Ifi皿WE第li彳41Mk卜U27612§拈52HT57TMIWQ圖2.7SDRAM接口電路S3c44B0X內(nèi)部的存儲(chǔ)器控制部件提供了專門與SDRAM器件接口的控制信號(hào)線，因此，對(duì)SDRAM的讀和寫都不需要特殊編程操作。只需要很據(jù)選所擇的存儲(chǔ)器件的特性，在系統(tǒng)初

18、始化時(shí)對(duì)S3c44B0X勺相關(guān)寄存器進(jìn)行設(shè)置即可。HY57V641620的數(shù)據(jù)接口為DQ15-DQ0,為16位，所以地址線也要偏移一位。SDRAM映射在Bank6中，因此SDRAM的起始地址為0X0C000000O在系統(tǒng)進(jìn)入C語(yǔ)言段之前，Bootloader要又S3c44B0X的寄存器控制器進(jìn)行初始化。其中包括對(duì)與SDRAM相關(guān)的寄存器的初始化，使得SDRAM能夠正常工作。由于C語(yǔ)言程序段使用的數(shù)據(jù)空間和堆?？臻g都定位在SDRAM上，因此，如果沒(méi)有對(duì)SDRAM進(jìn)行正確初始化，系統(tǒng)也就無(wú)法正確啟動(dòng)。2.FLASH電路S3c44BOX自身不具有ROM,因此必須外接ROM器件來(lái)存儲(chǔ)掉電后仍需要保存的

19、代碼和數(shù)據(jù)。閃速存儲(chǔ)器(FlashMemory)結(jié)合了OTP存儲(chǔ)器的成本優(yōu)勢(shì)和EPROM的可再編程性能，具有非易失性，并且可輕易擦除，因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)采用的Flash芯片是SST公司的SST39VF1601該芯片是1MX16位CMOS工藝制造的Flash存儲(chǔ)器，無(wú)論是讀操作，擦除操作還是寫操作，該芯片都較一般Flash省電，由于Flash所記憶的信息不易丟失，因此特別適合應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)。Flash主要是用于代替ROM,必要時(shí)，還可以存儲(chǔ)部分重要數(shù)據(jù)。SST39VF1601與S3c44BOX勺連接較為簡(jiǎn)單，只需要采用標(biāo)準(zhǔn)總線接口進(jìn)行交互，并將其CE片選使能卜OE(輸出使能)和

20、WE(寫使能)與S3c44BOX的相應(yīng)管腳相連即可。其連接電路圖如圖2.8所示。If*AJDQQAlDQl3L'ATAUAD0H2加JIDAUIADDraJ3上口口附箱AJLV1*nn*2$口ATA3*口口出21取DQ*itDOSjSDATA42040上E）6的42L*T的M'ATA7m砂eAf期DATA37n3A2DQ9AlODQlO支DAT觸ADDM1S24ATA10ADDRI23AllD01LirwM予:6口ATJU】ADDS134CATA12ADDRI43AJMiUv1.UI立inniit41HATAI3aIJuvljAlArwllJ<3DATA1JADDRI&#

21、171;1jnl*rItM5DQ15/AI寫DATA15ADDK1E17麓tfJCSO皿ItiJHi1f,Er當(dāng)A18eOEnOEADDTQO。11_MADDR2110AJynWLAXnRY3Tt»EFSFTIN血SET<7收VmUMuii1lV5SIVEDO二71幾STWVF160)因28FLASH接口電幅在本設(shè)at中，F(xiàn)lash存儲(chǔ)器在系統(tǒng)中用于存放系統(tǒng)啟動(dòng)代碼Bootloader,即使系統(tǒng)斷電后也不丟失，系統(tǒng)復(fù)位后，會(huì)自動(dòng)加載到SDRAM中運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)計(jì)中該Flash存儲(chǔ)器配置至US3c44B0X的ROM/SDRAMBank0。當(dāng)S3c44B0XM位時(shí)，它立即從0X00

22、000000地指處開始取指令，而從此地址開始的存儲(chǔ)介質(zhì)是FLASHROM,即本系統(tǒng)中的FLASH對(duì)應(yīng)的起始地址為0X00000000。CPU對(duì)FLASH的接口不需要任何軟件上的設(shè)置，在系統(tǒng)第一次上電時(shí)，CPU對(duì)FLASH®行讀取。（1是要使CPU正常地對(duì)FLASH®行操作，需要注意兩個(gè)硬件上的設(shè)置：大端/小端的設(shè)置以及Bank0總線寬度，可通過(guò)CPU外部引腳進(jìn)行設(shè)置。2.3.4 串口通信電路S3c44BOX勺UART（!用異步收發(fā)器）單元提供兩個(gè)獨(dú)立的異步串行I/O端口，每個(gè)都可以在中斷和DMA兩種模式下工作。它們支持的最高波特率為115.2Kbps。每個(gè)UART通道包含2

23、個(gè)16位FIFO分別提供給接收和發(fā)送。由于RS232標(biāo)準(zhǔn)所定義的高低電平信號(hào)與S3c44BOX!（統(tǒng)的TTL電路所定義的高低電平信號(hào)完全不同，TTL標(biāo)準(zhǔn)所定義的標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)2V-3.3V,標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)的OV-0.4V,而RS232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯方式，標(biāo)準(zhǔn)邏輯“1”對(duì)應(yīng)-5V-15V,標(biāo)準(zhǔn)邏輯“0”對(duì)應(yīng)的+5V-+15V。故兩者之間要進(jìn)行通訊必須經(jīng)過(guò)信號(hào)電平的轉(zhuǎn)化，本系統(tǒng)中用的電平轉(zhuǎn)換電路為MAX3232。MAX3232芯片Maxim半導(dǎo)體公司所有的RS232接口芯片中的一種。MAX3232電平轉(zhuǎn)換器作為RS232收發(fā)器，簡(jiǎn)單易用，單+5V電源供電，僅需外接幾個(gè)電容即可完成從TTL電

24、平到RS232電平的轉(zhuǎn)換。電路原理圖如圖2.9所示。用ag串11通信電路2.3.5 JTAG接口電路JTAG(JointTestActionGroup聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組)是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路TAP(TestAccessPort)通過(guò)專用的JTAGB式工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。目前，大多數(shù)比較復(fù)雜的器件都支持JTAG協(xié)議，如ARM,DSPCPLD和FPGA器件等。標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口是4線：TMS、TCKTDI、TDO,分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出。JTAG測(cè)試

25、允許多個(gè)器件通過(guò)JTAG接口串聯(lián)在一起，形成一個(gè)JTAG鏈，能實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)器件分別測(cè)試。JTAGg口還常用來(lái)實(shí)現(xiàn)ISP(InSystemProgram)在系統(tǒng)編程功能，如對(duì)Flash器件進(jìn)行編程等。因此，JTAG接口是開發(fā)調(diào)試嵌入式系統(tǒng)的一種簡(jiǎn)潔高效的手段。在本系統(tǒng)中加入JTAG接口，除了進(jìn)行系統(tǒng)的仿真和調(diào)試之外，還可以對(duì)系統(tǒng)中的Flash進(jìn)行編程，可以很大程度的降低開發(fā)難度。本系統(tǒng)中的JTAG電路設(shè)方f如圖2.10所示。£'仁32TMS跳帕共量IOKHTWiJTAG圖2JOJTAG電路原理圖2.3.6 以太網(wǎng)接口電路由于系統(tǒng)選用的嵌入式微處理器S3C44B0X內(nèi)部不具有網(wǎng)絡(luò)接

26、口，所以采用微處理器加RTL8019As網(wǎng)絡(luò)芯片通過(guò)總線與處理器連接。電路設(shè)計(jì)原理如圖2.11所示。RTL8019AS是Realteck公司推出多年的網(wǎng)絡(luò)芯片，專用于ISA總線接口的高度集成以太網(wǎng)控制芯片。它與NE2000標(biāo)準(zhǔn)相兼容，支持即插即用方式，具有全雙工和三級(jí)電源控制特性。全雙工特性不僅使頻帶從l0Mbps提高到20Mbps,同時(shí)也避免了在以太網(wǎng)CSMA/CA協(xié)議下由于信道內(nèi)容沖突而引起的性能下降。RTL8019As還可以選擇跳線模式或非跳線模式，其內(nèi)部帶有16kBRAM緩沖區(qū),可以支持UTP砥絞線）、AUI（粗纜以太網(wǎng)連接器）和BNC0田纜以太網(wǎng)）接口。在系統(tǒng)中引入了科CLinux操

27、作系統(tǒng)，只需對(duì)CLinux操作系統(tǒng)進(jìn)行移植和配置就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)RTL8019的控制，很大程度上給編程帶來(lái)了便利。Sgrru*卜央山<ftiTilrt"Tpqu£.2F用、以74卞幣OlXHl'Tm皿m映網(wǎng)BTOUM取)ZHDUN54百一mi'-±4匚U.U支一Q02+MMaaxTDDRV1l-Li卜巴用：A!<»工事w-IMansJ1<,itL'iiTtnr?mEmcidf2.4電源電路電源是整個(gè)電路系統(tǒng)能量的來(lái)源，是系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)，電源電路設(shè)計(jì)的好壞將在很大程度上決定系統(tǒng)的性能（50HZ的工頻干擾與電源也有直接的

28、關(guān)系）。本系統(tǒng)電源電路需要使用3.3V、2.5V和5V的電壓。本設(shè)計(jì)中選用開關(guān)型電源芯片LM2576-5得到5V電壓。LM2576系列是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓器，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（52K）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23V）,并且具有完善的保護(hù)電路，最高輸入電壓高達(dá)40-60v（不同芯片有所差別）。利用該器件只需極少的外圍器件即可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。由于LM2576系列芯片有很高的轉(zhuǎn)換效率，可達(dá)88%,所以發(fā)熱比較小，在設(shè)計(jì)上不用考慮散熱問(wèn)題，節(jié)省了PCB的面積。經(jīng)過(guò)實(shí)際使用證明，采用LM2576系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路作為穩(wěn)壓電源的核心器件不僅可以提高穩(wěn)壓電源的工作效率，

29、減少能源損耗，減少對(duì)MCU的熱損害，而且可減少外部交流電壓大幅波動(dòng)對(duì)MCU的干擾，同時(shí)可降低經(jīng)電源竄入的高頻干擾，這對(duì)保障MCU的安全和可靠運(yùn)行能起到事半功倍的作用。系統(tǒng)5V電源電路如圖2.12所示：mmD匚LIHrvw腓出0IV:3*iIIX1?1LELMOIRlUiMOO圖2.125V電源電潞圖vi""HiLUCl"Il圖2.13工邰及3.3V電源電路圖111F、vcc電源部分的3.3V和2.5V電壓分別由LT1117-3.3和LT1117-2.5電源芯片得到。其中3.3V電源為S3c44B0X的I/O接口、SDRAMFLASHNRF2401無(wú)線模塊以及部分外

30、圍器件提供電壓。2.5V則為S3c44B0X內(nèi)核電壓。LM1117需要一個(gè)至少10科F的電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定TlEoLT1117-3.3和LT1117-2.5的輸出電流可達(dá)800mA,能夠滿足系統(tǒng)的電流要求。S3c44B0X的內(nèi)核最大工作電流為80mA,為了保證可靠性并為以后升級(jí)留有余地，電源2.5V的供電電流大于300mA，所以LT1117-2.5能滿足要求。對(duì)于SDRAM消耗約80mA,FLASH約消耗15mA,MAX3232約1mA,因此LT1117-3.3也能滿足要求。電路設(shè)計(jì)如圖2.13所示：2.5無(wú)線傳輸模塊ARM系統(tǒng)。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)加速度信號(hào)通過(guò)無(wú)線傳輸模塊，將信號(hào)從采集模塊

31、傳送至是在動(dòng)態(tài)下，而且需要實(shí)時(shí)不斷地進(jìn)行傳送，需要一個(gè)非常穩(wěn)定可靠的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸單元，因此選擇適當(dāng)射頻收發(fā)芯片顯得尤為關(guān)鍵。正確地選擇可以使開發(fā)工作更有效，選擇芯片時(shí)應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：收發(fā)芯片數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式；外圍元件數(shù)量；功耗；發(fā)射功率；收發(fā)芯片的封裝和管腳數(shù)；2.5.1 射頻收發(fā)芯片nRF2401簡(jiǎn)介綜合考慮，本系統(tǒng)采用nRF2401無(wú)線收發(fā)一體芯片。nRF240l芯片是挪威Nordic公司推出的2.4G單片無(wú)線射頻收發(fā)芯片，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。該芯片具有接收靈敏度高、外圍電路少、發(fā)射功率低、傳輸速率高、低功耗

32、等優(yōu)點(diǎn)。nRF2401芯片和藍(lán)牙一樣，都工作在2.42.5GHzISM自由頻段，能夠在全球無(wú)線市場(chǎng)暢通無(wú)阻。nRE2401芯片支持多點(diǎn)間通信，比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度，其最高傳輸速率超過(guò)lMbps。它采用Soc（SystemonChip）方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍(lán)牙不同的是，nRE2401沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF2401是業(yè)界體積小、功耗低、外圍元件少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。nRF2401適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。nRF24

33、01特性如下： 采用全球開放的2.4GHz頻段，有125個(gè)頻道，可滿足多頻及跳頻需要； 速率（1Mbps）高于藍(lán)牙，且具有高數(shù)據(jù)吞吐量； 外圍元件極少，只需一個(gè)晶振和一個(gè)電阻即可設(shè)計(jì)射頻電路；發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過(guò)軟件設(shè)置； 電源電壓范圍為1.9V-3.6V,功耗很低； 電流消耗很小，-5dBm輸出功率時(shí)的典型峰值電流為10.5MA; 芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此使用任何電源（包括DC/DC開關(guān)電源）均有很好的通信效果； 每個(gè)芯片均可以通過(guò)軟件設(shè)置最多40bit地址，而且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)（提供一個(gè)中斷指示），同時(shí)編程也很方便； 內(nèi)置CRC校驗(yàn)硬件電路和協(xié)

34、議；采用ShockBurstTM模式時(shí)，能適用極低的功率操作和不嚴(yán)格的MCU執(zhí)行； 無(wú)需外部SAW濾波器； 可100%RF檢驗(yàn)； 帶有數(shù)據(jù)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)功能；1. nRF2401芯片引腳功能nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等功能模塊，只需要很少的外圍元件，使用起來(lái)非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5X5mm。nRF2401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.14所示。KgLP圖2M屈FBOl功能模塊國(guó)2. nRF2401狀態(tài)字nRF2401具有144位狀態(tài)字?？刂破鲗RF2401設(shè)為配置方式，然后由通道1向n

35、RF2401寫入狀態(tài)字的配置值，寫時(shí)高位在前。配置方式下控制器寫狀態(tài)字的過(guò)程與激活方式下向nRF2401寫人數(shù)據(jù)的過(guò)程完全相同，都經(jīng)由CLKDR和DATA組成的三線接口完成。這里各狀態(tài)字位的功能不作詳細(xì)闡述。3. nRF2401工作模式nRF2401有四種工作模式，分別是配置模式、收發(fā)模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。這四種模式分別由PWR_UP、CECS三個(gè)引腳控制。見表2.4。表2,40降2401工作模式工作模式CECS收發(fā)模式110配苴模式101空閑模式100美機(jī)模式0XXnRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種。下面主要介紹一下ShockBurst模式。在S

36、hock-BurstTM收發(fā)模式下，nRF2401使用片內(nèi)的FIFO堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿?，但以高速?Mbit/s）發(fā)射數(shù)據(jù)，因此極大的降低了功耗，而且使用低速的單片機(jī)也能實(shí)現(xiàn)很高的發(fā)射數(shù)據(jù)速率；nRF2401內(nèi)置CRC箱環(huán)冗余校驗(yàn)）糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議，可100%RF檢驗(yàn)；發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)加上處理字頭和CRC碼，接收數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)把字頭和CRM移去。每個(gè)芯片可通過(guò)軟件設(shè)置最多40bit地址，且只有在收到與本機(jī)地址一致時(shí)才會(huì)接收數(shù)據(jù)36。而在直接模式下，nRF2401如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。因此，在本系統(tǒng)中選擇突發(fā)模式作為其工作方式。ShockBurstTM發(fā)射主要通過(guò)MCU接口引腳C

37、ECLK1和DATA來(lái)完成。ShockBurstTM發(fā)射流程： 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其將CE置高，使nRF2401工作； 將接收端地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF2401; 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)彳tShockBurstTM發(fā)射； nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射1 .給射頻前端供電；2 .射頻數(shù)據(jù)打包（加字頭、CRC校驗(yàn)碼）；3 .高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；4 .發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)；ShockBurstTM接收主要使用MCU接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA來(lái)實(shí)現(xiàn)。ShockBurstTM接收流程： 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大??； 進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE置高； 200s后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)； 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包（正確的地址和CRC效驗(yàn)碼），nRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CR或驗(yàn)位移去； nRF2401通過(guò)把DR1（這個(gè)引腳一般引起微控制器中斷）置高，通知微控制器； 微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401移