嵌入式系统用户板硬件设计Word格式.docx
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1.1技术背景
嵌入式系统是现代计算机发展的重要分支，是基于计算机科学技术的全功能、低功耗、微型化的SOC（片上系统）。
通用计算机和嵌入式微处理器根据不同用途，具有不同的发展思路，形成了两个独立的分支；
通用计算机按照高速、海量的技术发展；
嵌入式计算机系统则为满足控制对象要求，按照嵌入式、智能化的路线发展。
我们所处的时代是信息时代，是高新技术迅猛发展的时代，作为信息技术支撑的是计算机技术在在各个领域的广泛应用。
而嵌入式系统就是“32位单片机+专用操作系统”的微型计算机系统，是计算机科学的重要分支。
目前，嵌入式系统已得到广泛的应用，涵盖网络、通信、多媒体、信息处理、工业测控、航空、航天等各种领域。
1.2选题意义
目前，嵌入式系统的应用日益普及，遍及各个应用领域，国际上形成了ARM公司领军，众多厂家参与，计算机专业、电子技术专业以及对象专业人士共同推动的局面，成为现在和未来32位嵌入式系统应用的主流趋势，这种集中分工的技术发展模式有利于嵌入式系统的快速发展。
我校根据现代科技发展和教学需要，成立了嵌入式系统实验室，花巨资筹建嵌入式系统实验室，购置了嵌入式系统实验教学设备，08年第一学期开设了4个期班的嵌入式系统课程，这在全国高校中，是起步较早的院校之一。
为了进一步改善实验教学手段，提高教学水平和科研创新能力，从08年开始，学院专门成立嵌入式系统研发小组，开发用于教学、工程应用的Ⅰ型多功能用户板。
09年3月，针对Ⅰ型用户板存在的问题，本着“完善设计、扩展功能”的设计思路，又开发设计了Ⅱ型多功能用户板，包括：
8位、16位、32位多功能用户板；
从2010年又承担了省教育厅的嵌入式系统培训基地项目，开发功能更多、更高端的嵌入式系统教学设备。
我参与教学设备的硬件设计任务。
该任务涉及微电脑技术、微电子技术、电路仿真技术、PCB工程设计、电子测量技术等，是我在校所学知识的综合应用。
2工具软件介绍
2.1电路仿真软件介绍
Multisim是新一代电路设计和仿真工具软件，具有下述特点：
2.1.1强大的仿真能力
以SPICE3F5和Xspice的内核作为仿真的引擎，通过Electronicworkbench带有的增强设计功能将数字和混合模式的仿真性能进行优化。
包括SPICE仿真、RF仿真、MCU仿真、VHDL仿真、电路向导等功能。
2.1.2丰富的元器件库
提供了世界主流元件提供商的超过17000多种元件，同时能方便的对元件各种参数进行编辑修改，能利用模型生成器以及代码模式创建模型等功能，创建自己的元器件。
2.1.3直观的图形界面
整个操作界面就像一个电子实验工作台，绘制电路所需的元器件和仿真所需的测试仪器均可直接拖放到屏幕上，轻点鼠标可用导线将它们连接起来，软件仪器的控制面板和操作方式都与实物相似，测量数据、波形和特性曲线如同在真实仪器上看到的。
如图2.1所示
图2.1Multisim操作界面
2.1.4MCU调试功能
支持4种类型的单片机芯片，支持对外部RAM、外部ROM、键盘和LCD等外围设备的仿真，分别对4种类型芯片提供汇编和编译支持；
所建项目支持C代码、汇编代码以及16进制代码，并兼容第三方工具源代码；
包含设置断点、单步运行、查看和编辑内部RAM、特殊功能寄存器等高级调试功能。
2.1.5完善的后处理功能
对分析结果进行的数学运算操作类型包括算术运算、三角运算、指数运行、对数运算、复合运算、向量运算和逻辑运算等。
2.1.6丰富的测试仪器
提供了多种虚拟仪器进行电路动作的测量：
Multimeter（万用表）、FunctionGeneratoer（函数信号发生器）、Wattmeter（瓦特表）、Oscilloscope（示波器）、BodePlotter（波特仪）、WordGenerator（字符发生器）、LogicAnalyzer（逻辑分析仪）、LogicConverter（逻辑转换仪）、DistortionAnalyer（失真度仪）等等。
这些仪器的设置和使用与真实的一样，动态互交显示。
除了Multisim提供的默认的仪器外，还可以创建LabVIEW自定义仪器。
2.1.7完备的分析手段
Multisimt提供了多种分析功能：
DCOperatingPointAnalysis（直流工作点分析）ACAnalysis（交流分析）TransientAnalysis（瞬态分析）FourierAnalysis（傅里叶分析）NoiseAnalysis（噪声分析）DistortionAnalysis（失真度分析）DCSweepAnalysis（直流扫描分析）等。
2.2原理图及PCB设计软件
ProtelDXP2004是Altium公司于2004年推出的新版本的电路设计软件，该软件能实现从概念设计、顶层设计直到输出生产数据以及这之间的所有分析验证和设计数据的管理。
ProtelDXP2004是由多个模块组成的系统工具，包括：
SCH（原理图）设计、SCH（原理图）仿真、PCB（印制电路板）设计、AutoRouter（自动布线器）和FPGA设计等，覆盖了以PCB为核心的整个物理设计。
该软件将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓朴自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供了强大的支持。
2.2.1人性化的图形界面
图2.2ProtelDXP2004图形界面
（1）改善的列表视图编辑
列表视图已被升级为包含新的显示模式。
您现在可以从当前图表，在一个项目里的图表或全部打开的图表来观察非屏蔽对象，被选对象或全部对象。
同样，检查器可在观察模式或编辑模式之间切换。
在编辑模式里您可以点击一个单元并通过简单地输入立即编辑此单元。
这些改善使列表面板功能更加的强大且更易使用。
（2）查询系统的改善
Protel的强大的基于查询的对象筛选系统已经因追加的过滤器面板而变得更容易使用。
这个面板将筛选系统分为被选择对象列表的面板显示，使得选择和编辑任务更加高效。
（3）支持多种语言
DXP2004平台已被升级为安装有对简体中文，日语，德语，法语的支持。
全部的菜单项和大多数对话框文本现在已经可以通过选择被表示其中任意一种语言。
（4）系统优先设定的集中化
所有的各种系统优先设定已经被集中到一个单一的上下联系的对话框里，它的外形类似一个树状导航结构。
它提高了设定横跨所有文档编辑器和服务器的系统级选项的效率。
（5）新的库查找工具
一个新的工具已被追加。
它允许基于参数的和基于查询的查找。
查找可以在进行其他任务时进行，因此用户可以在使用查找工具时浏览和放置结果。
（6）库编辑的改善
在元件库面板面向原理图和PCB库的一个新的编辑元件/封装的命令已可以使用。
此命令打开适当的库并选择当前的元件/封装。
3功能模块介绍
3.1ARM主控芯片
本产品选用NXP公司的LPC2378作为系统主控芯片。
3.1.1产品特点
NXPLPC2378是一款基于ARM7TDMI-S核的高性能32位RSIC微处理，带有Thumb指令扩展，片内集成：
512KBFlash支持ISP及IAP，58KSRAM；
主频高达72MHz，片内集成：
晶振，4MHzRC晶振，PLL加强型矢量中断控制器，10/100M以太网带DMA，USB2.0全速设备接口，2路CAN2.0B接口，通用DMA控制器，4个UART接口，1个具有全功能Modem接口，3个I2C串行接口，3个SPI/SSP串行接口，I2S接口，SD/MMC记忆卡接口，6路10位ADC，1路10位DAC，4个32位捕获/比较时钟，看门狗时钟，PWM模块支持3相马达控制，RTC实时钟带可选后备电池。
3.1.2技术特性
★72MHz、32位的ARM7TDMI-S，带AHB/APB接口
★高达512KB的ISP/IAPFlash
★高达58KB的SRAM
★Flash编程极快，通过片内的bootloader软件实现
★10/100EthernetMAC接口，带DMA控制器
★全速USB2.0（12Mbps）设备，带片内PHY（物理层）和DMA控制器
★2路CAN2.0B总线接口
★通用DMA控制器
★10位A/D转换器和10位D/A转换器
★多个串行接口：
3个I2C、1个I2S、4个UART和3个SPI/SSP
★4个32位定时器/计数器
★实时时钟和看门狗定时器
★4MHz内部RC（IRC）振荡器，可以调节到1﹪的精度
★加密数字（SD）存储卡接口
3.2供电电源电路的设计
3.2.1设计思路
考虑到多种供电源：
USB供电、外部供电和J_LINK供电和交直流供电。
主要由三部分组成：
★桥式整流（选用DB104桥式整流器）。
★滤波电路（采用大电容与小电容并联方式滤波）。
★稳压电路（采用LM1117_5与LM117_3.3稳压芯片提供5V与3.3V电压。
3.2.2简单工作原理说明
6V交流电或9V直流电经过桥式整流器件变为直流电，在经过大小滤波电容滤除交流成分，使输出的直流更平滑。
再经过稳压器件LM1117_5与LM117_3.3提供5V与3.3V电压。
3.2.3原理电路如图3.1所示
图3.1电源电路
3.2.4直流扫描分析如图3.3所示
图3.2直流扫描分析
3.3音频输入电路
3.3.1音频输入电路设计
（1）器件选择
对音频电路的要求：
单电源、低噪声、低功耗，在满足电路性能要求的情况下，尽量采用低价位的主流芯片。
我们选用的是MicrochipTechnology公司的MCP601。
芯片特点：
供电电压可低达至2.7V，静态电流消耗小于230µ
A，共模输入电压范围低于系统地电平0.3V，使得该系列放大器十分适合单电源运行方式。
由于静态电流低，这些器件适用于低功耗电池供电的电路，其输入偏置电流低的特点则使其适用于音频输入电路，配合外围电路可以很好的完成音频输入电路的设计并达到我们预期的效果。
（2）原理电路
图3.3音频输入电路及简单工作原理
3.3.2时域仿真波形
图3.4时域仿真波形
3.3.3频域仿真波形
图3.5频域仿真波形
3.4音频输出电路
3.4.1音频输出电路设计
对音频输出电路的要求是：
单电源、低电压、高效率，我们选用National公司的音频功率放大器LM386。
低电压、低静态电流和电路简单是该芯片的主要特点。
为使外围元件最少，电压增益内置为20。
但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。
输入端以地位参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。
图3.6音频输出电路
3.4.2时域仿真波形
图3.7仿真波形
3.4.3频域仿真波形
图3.8频域仿真
3.5CAN总线接口电路的设计
CAN总线是德国BOSCH公司为实现汽车测量和执行部件之间的数据通信而设计的一种现场总线，CAN总线通信的波特率可高达1Mbps，最远距离可达10Km；
CAN总线通信采用短帧结构，使得数据传输的时间短，受干扰的几率低，并且CAN
总线协议有良好的检错措施，因此CAN总线通信的可靠性较高；
CAN总线定义网络中的每一节点对应一地址，理论上基于CAN总线的网络上可以添加删除任一节点，在实际应用中CAN总线最多可挂110个节点，通信方式可以为点对点的方式也可以为广播方式，因此CAN总线通信有相当的灵活性。
3.5.1CAN总线接口电路的设计意义
CAN总线是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，以其高性能和高可靠性在自动控制领域得到了广泛的应用。
为提高系统的驱动能力，增大通信距离，实际应用中多采用MCP2551作为CAN控制器与物理总线间的接口，即CAN收发器，以增强对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接受能力。
为进一步增强抗干扰能力，往往在CAN控制器与收发器之间设置光电隔离电路。
3.5.2CAN总线设计中的关键问题
光电隔离电路虽然能够增强系统的抗干扰能力，但也会怎加CAN总线有效回路信号的传输延迟时间，导致通信速率或距离减少。
MCP2551型号的CAN收发器本身具备瞬间抗干扰、降低射频干扰（RFI）以及实现热保护的能力，其具有电流限制电路还提供了对总线进一步保护功能。
因此，如果现场传输距离近、电磁干扰小，可以不采用光电隔离，以使系统达到最大的通信速率或距离，并且可以简化接口电路。
如果现场环境需要采用光电隔离，应选用高速光电隔离器件，以减少CAN总线有效回路信号的传输延迟时间。
3.5.3CAN总线接口电路芯片MCP2551介绍
MCP2551为一款高速的CAN收发器其主要特点有：
通信的波特率可高达1Mbps、满足ISO-11898物理层标准协议、适用12V和24V系统、外部控制降低射频干扰、具有上电复位和电欠压保护功能、低电流待机操作。
如图3.10所示管脚图
图3.10MCP2551管脚图
管脚功能说明
MCP2551共有8个管脚：
1脚为数据发送端，2脚为接地端，3脚为电源输入端，4脚为数据接收端，5脚为参考输出电压，6脚为CAN低电平电压，7脚为CAN高电平电压，8脚为平衡控制输入。
CAN总线接口电路原理图如图3.11所示:
图3.11CAN接口电路
3.6网卡电路的设计
3.6.1网卡简述与功能：
网卡是工作在数据链路层的网路组件，是局域网中连接计算机和传输介质的接口，不仅能实现与局域网传输介质之间的物理连接和电信号匹配，还涉及帧的发送与接收、帧的封装与拆封、数据的编码与解码以及数据缓存的功能。
网卡上面装有处理器和存储器（包括RAM和ROM）。
网卡和局域网之间的通信是通过电缆或双绞线以串行传输方式进行的。
而网卡和计算机之间的通信则是通过计算机主板上的I/O总线以并行传输方式进行。
因此，网卡的一个重要功能就是要进行串行/并行转换。
由于网络上的数据率和计算机总线上的数据率并不相同，因此在网卡中必须装有对数据进行缓存的存储芯片。
在安装网卡时必须将管理网卡的设备驱动程序安装在计算机的操作系统中。
这个驱动程序以后就会告诉网卡，应当从存储器的什么位置上将局域网传送过来的数据块存储下来。
网卡还要能够实现以太网协议。
网卡并不是独立的自治单元，因为网卡本身不带电源而是必须使用所插入的计算机的电源，并受该计算机的控制。
因此网卡可看成为一个半自治的单元。
当网卡收到一个有差错的帧时，它就将这个帧丢弃而不必通知它所插入的计算机。
当网卡收到一个正确的帧时，它就使用中断来通知该计算机并交付给协议栈中的网络层。
当计算机要发送一个IP数据包时，它就由协议栈向下交给网卡组装成帧后发送到局域网。
随着集成度的不断提高，网卡上的芯片的个数不断的减少，虽然现在个厂家生产的网卡种类繁多，但其功能大同小异。
3.6.2网卡电路的设计核心芯片KS8721BL介绍
KS8721BL是一款基于10BASE-T109BASE-TX和100BASE-FX的物理层传输提供MII/RMII接口到MAC的转换，使用独特的混合信号设计，扩展信号的距离，同时降低功耗，麦克雷尔公司的架构在电力上的消耗超低，其中包括发射输出驱动器功率为275mW，功耗相当理想。
这对提高转换的可靠性，可应用在对功耗敏感的领域。
多重省电模式，通过配置引脚或寄存器访问，允许通过手动选择或自动能量检测水平进一步省电。
该KS8721BL/SL自动配置100Mbps或10Mbps和全或半双工操作，使用片上自动算法，与自动MDI/MDIX自动校正和联合detec-tion交叉和直通电缆，KS8721BL/SL提供了一种易于使用，高性能的解决方案用于10BASE-T，100BASE-TX的，和100BASE-FX的应用。
3.6.3网卡电路原理图如图3.12所示
图3.7
图3.12网卡电路原理图
4成果展示
4.1整机原理电路
图4.1整机原理图
4.2PCB设计
图4.2PCB图
4.3实物展示如图4.3所示
5设计总结及心的
5.1仿真设计心的
首先仿真是为了确保电路设计的成功，消除代价昂贵并且存在潜在危险的设计缺陷，电路仿真给出了一个成本低、效率高的方法，能够在进入更为昂贵费时的原型开发阶段之前，找出问题所在。
因此最佳的设计流程需要将仿真与原型开发混合进行。
然而为了提高仿真的准确性就务必要尽量做到参数设计的准确性，解决这样的问题就必须进行多次仿真，观察记录仿真结果选出最符合自己要求的参数。
仿真软件提供了更多优点，它能够深入了解难以测量或无法测量的电路特性。
举例而言，蒙特卡罗分析通过用随机改变的元件参数运行数十次、数百次迭代分析，使设计者能够深入了解元件公差对电路或设计整体工作方式的影响，有了蒙特卡罗分析的方法，这样就大大的缩短了工作时间，提高了工作效率。
5.2原理图PCB设计问题
原理图PCB设计是整个毕业设计工作中最为重要的一部分内容，也是难度最大的一部分，因为原理图的设计要考虑到的内容很多，例如，怎样在布局方面做到科学合理的摆放元器件，为了降低干扰，如何将模拟电路部分与数字电路部分进行区分，自动布线后如何合理的调整布线方式使布线更加优化等等。
在这一方面我没有什么经验，因此走了好多弯路，但是在老师的帮助下，经过不断的学习总结，最终使问题得到解决。
5.3装配联调心得
经过几个月的不懈努力，终于完成了ARM嵌入式教学设备的装配、调试工作，在这个阶段学会了很多课本上学不到的知识与技能。
通过电路装配，使自己的焊接技能有了很大的提高，掌握了装配的方法，提高了装配置质量，少走了很多弯路。
在联调与故障诊断过程中，我们熟悉了故障分析和排查方法，学会科学分析故障原因，并从根本上解决问题。
这次毕业设计使我系统地学习了项目从开始设计到产品定型的完整过程，并对电子行业有了深刻的认识。
我的深刻体会是：
掌握扎实的基本知识与技能，具有严谨的工作作风，才能应对未来的工作要求。
通过参与ARM教学设备的设计，是对我大学所学专业课的总结，从中发现我的薄弱环节，在以后的工作过程中我还会不断努力的。
参考文献
[1]周立功主编，ARM嵌入式系统基础教程（第2版），北京，北京航空航天大学出版社，2008。
[2]徐爱均编，IAREWARM嵌入式系统编程与实践，北京，北京航空航空大学，2006。
[3]张绮文、谢书纲编，ARM嵌入式常用模块与综合系统设计实例精讲（第2版），北京，电子工业出版社，2008。
[4]韩山、郭云、会海艳编，ARM微处理器应用开发技术详解与实例分析，北京，清华大学出版社，2007。
[5]孙秋野、孙凯、冯健编，ARM嵌入式系统开发典型模块，北京，人民邮电出版社，2007。
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