基于S3C2440A 嵌入式系统的硬件设计

基于S3C2440A嵌入式系统的硬件设计
李述良，冯杰，刘文进，漆进峰
黄冈师范学院物理科学与技术学院，湖北黄冈 (438000)
E-mail：lishuliang8888@
摘要：本文采用Samsung公司S3C2440A微处理器设计了嵌入式系统硬件开发平台，给出了硬件结构设计思路，着重分析了以太网端口，USB接口，UART接口，含触摸屏的LCD 接口，IIS音频接口和电源管理单元电路的设计方法，并总结了嵌入式系统测试和调试的基本方法。

关键词：嵌入式系统；ARM；硬件设计；S3C2440A
中图分类号：TM02
随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅速发展，嵌入式系统在工农业等诸多领域得到了广泛的应用。

传统的8位单片机已经暴露了本身资源有限的缺点，越来越不能适应日渐复杂的应用需求，而随着32位处理器价格的不断下降，采用更高性能的32位处理器作为嵌入式系统的核心成为更加合理的选择。

ARM处理器是目前公认的业界领先的32位嵌入式RISC微处理器，已成为许多行业嵌入式解决方案的RISC标准[1]。

开发一个集嵌入式控制、高速数据采集和网络通信于一体，并提供友好的人机操作界面的硬件平台和多种总线接口，对于提高智能嵌入式系统可靠性、组网灵活性很有意义。

据此本文主要完成了以太网接口，USB接口，UART接口，含触摸屏的LCD显示接口，IIS音频接口以及电源管理单元电路的嵌入式系统的硬件设计。

1. 嵌入式系统概述
1.1 ARM的含义
ARM是Advanced RISC Machines的缩写，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。

1991年ARM公司成立于英国剑桥，本身不直接从事芯片生产，主要出售芯片设计技术的授权半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场。

目前，基于ARM技术的微处理器应用约占据了32位RISC微处理器75%以上的市场份额，ARM技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。

1.2 ARM微处理器的特点及应用
ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，除了RISC的一些特点外，ARM体系结构还采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面积，并降低功耗。

ARM微处理器具有体积小、低功耗、低成本、高性能；支持Thumb(16位)/ARM(32位)双指令集；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定等特点。

ARM微处理器主要应用在工业控制、无线通讯、网络应用、消费电子、成像产品、安全产品、存储产品、汽车行业等八个领域。

1.3嵌入式系统的定义
嵌入式系统被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适用于应
用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统[1]。

嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，即每一套嵌入式系统的开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用计算机系统最主要的区别。

1.4 S3C2440A微处理器概述
S3C2440A是Samsung公司设计的一款高性价比16/32位ARM9系列微处理器，内含一个由ARM公司设计的16/32位ARM920T RISC处理器核，采用五级流水线和哈佛体系结构，工作频率最高可达533MHz；同时还具备体积小、成本低、功耗低、资源众多等诸多特点。

内部集成的常用资源[4]主要有：外部存储控制器（SDRAM控制和片选逻辑）；LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT屏），提供1通道LCD专用DMA；4通道DMA并有外部请求引脚；3通道UART(IrDA1.0，64字节TxFIFO和64字节RxFIFO)；2通道SPI；1通道IIC-BUS接口（支持多主机）；1通道IIS-BUS音频编码解码器接口；AC’97解码器接口；兼容SD卡接口协议1.0版和MMC卡2.11版；2端口USB主机和1端口USB设备；4通道PWM定时器和1通道内部定时器，看门狗定时器；8通道10比特ADC和触摸屏接口；具有日历功能的RTC；相机接口（最大支持4096*4096像素）；130个通用I/O口和24通道外部中断源等资源[4]。

这些资源大大的方便了应用系统的开发，同时节约开发成本，缩短开发周期，提高了系统的性价比。

2. 嵌入式系统的硬件电路设计
2.1硬件系统结构
为降低开发难度，方便二次开发，系统采用核心板加底板的设计方案，核心板和底板之间通过连接器相连。

这样可以在核心板不变动的情况下，更改底板的功能组成，以适用不同的功能。

同时，由于核心板采用多层PCB 板设计，而底板采用双层板即可，从而大大的降低了系统的成本。

系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构框图
2.2核心板电路构成
微处理器：即S3C2440A,为系统的控制中心；
Flash电路：用于存放嵌入式操作系统及用户应用程序，其特点是系统掉电后数据不易丢失；
SDRAM电路：系统代码的运行场所，其特点是系统掉电后数据即丢失；
晶振电路：12MHz 的无源晶振通过芯片内部的PLL电路为S3C244A0芯片提供高达533MHz的时钟频率；
JTAG接口：采用ARM公司的提供的标准20脚JTAG仿真调试接口电路，S3C2440A 芯片内部有JTAG核，因此，可以通过外部JTAG调试电缆或仿真器与开发系统连接调试和编程。

复位电路：为系统提供复位信号。

为防止干扰信号引起误复位操作，常采用专用复位芯片来产生复位信号。

如：MAX811等。

2.3底板硬件电路设计
2.3.1 网络接口设计
S3C2440A本身并没有网络接口，通过扩展网络接口的模式可以为系统提供以太网接入；以太网接入是本系统的一个重要的功能模块，为系统进行下载文件、远程调试等操作提供了条件。

原理图如图2所示。

图2 以太网接口原理图
本系统的以太网控制电路由以太网芯片、网络隔离变压器和RJ45 接口组成，选用的以太网芯片为DM9000。

这是一款提供了通用处理器接口的以太网控制芯片。

DM9000内部集成了MAC 和PHY，它能提供10/100Mbps的PHY 接口。

它为处理器提供了8 位和16 位数据宽度的内部存储访问接口，并且内部包含了4K 的Dword SRAM[3]。

网络隔离变压器的作用主要有两个：一是传输数据，它把PHY 送出来的差分信号用差模耦合的线圈耦合滤波以增强信号，并且通过线圈耦合到不同电平的另外一端连接到网线；二是隔离网线连接的不同网络设备间的不同电平，以防止不同电压通过网线传输损坏设备。

2.3.2 USB接口设计
S3C2440A内部集成了两个USB Host 控制器和一个USB Device 控制器，只需要进行简单的电路连接就可以使用芯片内部集成的USB模块。

从CPU S3C2440A引出来的接线图如下图4所示。

2.3.3 RS232接口设计
串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。

当数据从CPU经过串行
端口发送出去时，字节数据转换为串行的位。

在接收数据时，串行的位被转换成字节数据。

S3C2440A的UART提供了3个独立的串行口，支持红外发送、接收功能，每个串行口都可以工作在基于中断和DMA模式下。

换句话说，UART能发出中断或DMA请求在CPU和UART之间传送数据[4]。

本文的五线异步串行RS232接口电路采用SP3232EEN芯片进行电平转换，同时在CPU上直接扩展了一个UART接口。

五线异步串行RS232接口和UART扩展接口电路如图3所示。

图3 五线异步串行RS232接口与UART扩展接口电路
图4 USB HOST与USB Device接口
2.3.4 液晶屏接口设计
S3C2440 内部包括了一个LCD 的控制器，可以支持STN、TFT 等型号的LCD 以及带触摸屏功能的LCD。

将LCD 的信号引到一个可插拔的底座上，方便LCD 插入使用；下图中通过设置跳线底座J4可以选择3.3V或5V为LCD供电。

可以接各种单色、伪彩、真彩液晶屏以及四线电阻式触摸屏。

液晶屏接口接线原理如下图5所示。

图5 液晶屏接口电路
2.3.5 I2S音频接口设计
I2S是一种串行总线设计技术，主要针对数字音频处理技术和设备，如便携CD机、数
字音频处理器等。

I2S将音频数据和时钟信号分离，避免由时钟带来的抖动问题，因此，系统中不再需要消除抖动的器件。

图6 I2S系统连接配置图
I2S总线仅处理音频数据，其它信号（如控制信号）单独传送。

基于减少引脚数目和布线简单的目的，I2S总线只由3根串行线组成，即时分复用的数据通道线（continuous serial clock，SCK）、字选择线（word select，WS）和时钟线（serial data，SD）[2]。

使用I2S技术设计的系统的连接配置如图6所示。

其中WS信号线指示左通道或右通道的数据将被传输，SD信号线按高有效位MSB到低有效位LSB的顺序传送字长的音频数据，MSB总在WS切换后的第一个时钟发送。

如果数据长度不匹配，接收器和发送器将自动截取或填充。

本文中使用的音频芯片是PHILIPS公司的UDA1341TS音频数字信号编译器。

UDA1341TS可以
将立体声模拟信号转换为数字信号，同样也可以将数字信号转换为模拟信号，并且可用PGA （可编程增益控制）和AGC（自动增益控制）对模拟信号进行处理。

对于数字信号，该芯片提供了DSP（数字音频处理）功能。

I2S音频数据接口电路如图7所示。

本系统把I2S音频数据接口与PHILIPS公司的UDA1341TS音频数字信号编译器相连接，得到MICROPHONE音频输入通道和SPEADER音频输出通道。

图7 UDA1341TS的I2S音频数据接口电路
2.3.6 供电电路的设计
将电源输入的5V电压通过带载1.5A的低压差线性稳压源AS2815AR-3.3 IC芯片稳压，給实验板提供所需的3.3V电压；核心板上的微处理器及存储电路采用低噪声、低压差线性稳压源MAX8860EUA稳压芯片供电；5V 和3.3V 则提供给底板上的以太网、LCD 等接口电路；电源单元原理图分别如图8和图9所示。

图8 3.3V电源电路
图9 1.25V电源电路
3. 嵌入式系统调试和测试
3.1 调试环境
PCB板制作好后，进行系统调试需要进行硬件调试和软件调试两个过程。

其中，硬件调试需要使用示波器、万用表、稳压电源等工具；软件调试则使用SJF2440软件或H-Jtag软件烧写系统引导程序和测试程序。

焊接PCB时应首先焊接电源模块，只有在电源模块测试正常时才能焊接其它的模块，否则在通电测试时会损坏其它模块的芯片；另外，在进行测试时还要注意避免人为造成的短路现象。

3.2 硬件调试
(1)加电前的检查：加电调试之前要对照电路原理图和实际线路进行检查，看PCB板是否有短路、断路情况，看在元器件焊装过程中是否有错装、短路、错接、多接、少接等现象；用万用表检测焊接和接插件是否良好；各焊点之间有无短路，焊点是否存在虚焊；集成电路芯片是否焊装正确，二极管、三极管、电解电容等有极性的器件的极性是否正确；电源的极性连接是否正确、正负极间是否存在短路的情况。

(2)加电检测和调试：做完加电前的检查，确认无误后，电源输入端接入5V电压。

观察有无异味、冒烟、器件发烫等现象。

当发现有异常情况时要立即切断电源，并根据故障现象分析故障原因，然后排除。

如无异常，用万用表分别测量个关键点和各集成芯片的电源端的电压值，各输入和输出端的高、低电平值及逻辑关系等是否正常。

如若这些都没有问题，就通过示波器来检测各相关点的波形是否正常，然后根据波形来分析故障的原因，直至最终故障排除。

3.3 软件调试
在PC机上运行SJF2440或H-Jtag软件，烧写已经编译好的系统引导程序，看系统能否正常启动，输出是否正常，烧写系统测试程序看输入输出是否正确，否则分析原因并排除故障。

烧写前要确保引导程序和测试程序是正确可用的。

4. 结论
本系统使用S3C2440A 进行嵌入式系统硬件平台的搭建，为系统的进一步开发做好了准备。

本系统采用核心板加底板的设计方案，方便二次开发。

要实现不同的功能，只需要更改底板的设计即可，降低了开发难度和开发成本，也缩短了开发周期。

参考文献
[1] 江俊辉．《基于ARM的嵌入式系统硬件设计》[J]．中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)．2005年．第21卷（第7-2期），Ｐ122
[2] 田泽．ARM9嵌入式开发实验与实践[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2006．10
[3] DM9000A-DS-P03 Datasheet. DA VICOM Semiconductor, 2005.
[4] S3C2440A USER' MANUAL Revision 0.12. SAMSUNG ELECTRONICS, 2004.3
Hardware Design for Embedded System Based on
S3C2440A
Lishuliang, Fengjie, Liuwenjin, Qijinfeng
Huang Gang Normal University , Huanggang, Hubei （438000）
Abstract
In this paper, we describe the design of embedded system hardware development platform based on Samsung Corporation’s S3C2440A microprocessor, give the ideas of hardware structure design, focus on analysing the design methodology of the Ethernet ports, USB interfaces, UART interfaces, LCD interface with touch-screen, IIS audio interface and power snap circuit, and summarize the testing and debugging embedded systems’s basic method.
Keywords: Embedded System, ARM, Hardware Design , S3C2440A
作者简介：李述良，男，湖北红安人，黄冈师范学院物理科学与技术学院2005级在读学生。