基于ARM的嵌入式系统开发板硬件设计
摘要：为了开发适合学生使用的ARM嵌入式系统板，对LPC2103ARM芯片及周边硬件电路结构进行了分析，以LPC2103为核心设计了ARM嵌入式系统开发板，给出了系统的结构框图和主要周边硬件电路原理图。设计的嵌入式系统开发板配有丰富的周边设备，体积小巧，运行速度快，以LINUX为操作系统软件平台可为学习和开发者提供了一个良好的开发环境。
关键词：ARM 嵌入式系统 开发板 LPC2103
1 概述
随着信息技术的不断发展，嵌入式系统正在越来越广泛的应用到航空航天、消费类电子、通信设备等领域。从广义上说，嵌入式系统指以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适应应用系统且对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，其核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具有实时处理能力强、存储区保护能力强、可扩展及低功耗四大特点。
2 开发板硬件设计
2.1 系统硬件总体结构 ARM开发板系统结构框图如图1所示，主要由ARM基本系统、电源部分、人机交互模块、AD转换、PWM脉宽调制、蜂鸣器电路、单总线电路、总线接口扩展等部分组成。其中ARM基本系统包括复位电路、时钟电路、在系统可编程（ISP）电路；电源部分包括辅助的+5V、+3.3V电源以及相关指示灯电路；人机交互模块包括LCD显示和按键（包括LED）部分，方便用户进行各种输入、输出编程实验；A/D转换采用ADC0809及外围器件组成，能够实现八路八位模拟量数据的适时采集；PWM（Pulse Width Modulation)脉宽调制是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术；蜂鸣器电路用于实现报警信号输出、播放音乐等试验；单总线电路用于数字温度传感器（DS18B20），实现数字温度测量实验；I2C总线接口电路用于串行E2PROM通信，实现主从双向通信实验。
2.2 嵌入式ARM芯片介绍 NXP公司的LPC2103微控制器基于32位ARM7-TDMI-S内核并拥有极小的LQFP48封装；拥有8K片上SRAM，32K 片上FLASH，128位宽接口技术并使支持最高70MHz的工作频率；支持ISP和IAP；嵌入式ICE-RT利用片内实时监控软件提供实时调试功能；8通道10位ADC，2.44us的低转换时间；2路32bit定时器/外部计数器，7路捕获和比较通道；2路16bit定时器/外部计数器，3路捕获和7路比较器；低功耗的实时时钟；支持多种串行接口，包括2路通用串行口，2路高速I2C，支持带缓冲和动态数据长度捕捉的SPI和SSP；支持最高13级外部中断；包含休眠、实时时钟正常工作的掉电模式、掉电模式等节能模式；外围设备可独立配置使能以有效的控制功耗；可通过外中断或实时时钟在掉电模式下唤醒处理器。
LPC2103上述功能比8051系列单片机功能强大得多，能应用的范围也比8051系列单片机广，因此设计选用LPC2103ARM微控制器芯片作为嵌入式系统开发板的核心，使开发板的使用者有更多和更灵活的资源可以使用。
2.3 ARM基本系统部分设计 ARM基本系统包括复位电路、时钟电路、在系统可编程（ISP）电路。复位电路，通过对RESET信号引脚的高低电平控制使芯片处于复位或者工作状态；选择不同的晶振，可对LPC2103时钟的振荡周期进行调整，而且在LPC2103进行串行通信时，可方便地设定串行波特率；在系统可编程电路消除了传统PLD的某些限制和弊病，提高了器件及板级可测试性和系统可靠性，提供了现场系统重构或现场系统用户化的可能性，使遥控现场升级及维护成为可能，因此，LPC2103开发板中采用的ISP电路是比较理想的选择。
2.4 人机交互部分设计 人机交互部分的设计包括键盘、显示和工作模式控制部分的设计。
开发板通过八个独立键盘的硬件资源提供输入接口，在工作可靠性方面采用软硬件结合消抖。硬件上采用按键引脚旁加滤波电容，再增加施密特触发器，使缓慢变化的波形变陡峭。软件上，开发者在使用硬件键盘资源时，键盘检测程序中应增加延时程序，产生5～10ms的延时，让前沿抖动消失后再一次检测键的状态，如果仍保持闭合状态电平，则确认为真正有键按下，当检测到按键释放后，也要给5～10ms的延时，待后沿抖动消失后才能转入该键的处理程序。
显示部分LCD12864汉字图形点阵液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM(GDRAM)。通过LPC2103芯片来控制LCD12864，让LCD12864的0、1脚接高电平，同时使RST有效，将其数据线接到LPC 2103的P[24..31]，读写端、控制端与LPC 2103的读写、控制端相连，并采用滑动变阻器、VCC、GND为LCD12864提供电源。系统开发板输入电源为+5V，但背光电源供电范围为+3.8～4.3V，不能采用输入电源直接供电，否则不仅会增加功耗，更会增加损坏背光灯的可能性和缩短液晶模块的使用寿命，而背光电流约为100mA，故液晶显示模块的背光电源引脚设计为接10欧姆的电阻上拉到+5V电源或通过二极管降压。
开发板以LPC2103为核心，实现对系统信号的接收、处理和控制命令的发送。经过独特的设计，LPC2103开发板可方便地在编程模式、系统IO模式、总线模式三种工作模式下切换。开发板系统以总线方式进行实验、开发时，系统版上的实验资源可以通过简单的跳线设置，改变系统硬件配置，对系统的资源可以选择性的使用。
2.5 1-Wire单总线扩展应用设计 开发板集成单总线器件，可以使学习者练习单总线在系统中的硬件连接、通信协议与驱动程序的编写。单总线系统使用的1-Wire单总线器件是温度传感器DS18B20，1-Wire总线式数字温度传感器DS18B20的出现开辟了温度传感器技术的新领域，它利用LPC2103的特点可以方便地实现多点适时温度测量。通过学习或应用于开发，用户可以深切的体会到1-Wire单总线的独特优点。
2.6 其他部分 包括JTAG调试部分、蜂鸣器部分、A/D转换等电路。ARM可通过JTAG接口接上JTAG下载板（PC机并口与JTAG接口的转接板）与PC机相连。PC机通过ARM的JTAG接口一方面可进行程序的板上调试，另一方面可以将可执行的程序代码下载到板上的NOR Flash中。LPC2103开发板采用直流蜂鸣器，输入声音信号的频率和音长均是用户可控的，因此输出的声响将更逼真、更悦耳。由于LPC2103的IO驱动能力有限，在此系统中采用三极管来驱动蜂鸣器。A/D转换部分可实现从外部采集数据，通过LPC2103芯片处理并进行显示，开发者可以更清楚的认识A/D转换的原理。
3 结语
LPC2103实验开发板具有数据处理速度快，精度高，产品成本低，系统的可靠性高、系统资源丰富等优点。实验板易于初学者的学习和应用，开发者可根据自己的思想去编写程序并在实验板上进行开发，可以对实验板的总线接口进行扩展，增强了实验板的开放性，其功能和运行效率都远远优于传统的单片机实验平台。成功设计的开发板经制版和焊接调试后，可用于嵌入式系统相关课程实验教学和学生课外项目的开发。
参考文献：
[1]宋佳，叶敦范.一种基于ARM嵌入式处理器的便携式智能仪器的设计[J].微计算机信息，2005，21(13):53-55.
基金项目：湖北师范学院研究生启动基金(2007D24)。