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作者：王茜 來源：微型機與應用2012年第22期 摘要：為了給學生搭建專業實踐的平臺，設計了基于ARM的平板電腦硬件平臺系統，供學生開發各種應用軟件。該系統以三星公司的ARM處理器S5PV210為控制核心，采用核心板加擴展板的設計方案，結合各種外圍設備完成了相關的設計。目前，該平臺上已成功運行了Android操作系統，并交由學生進行應用軟件的開發。 2010年1月,蘋果公司發布了iPad平板電腦，從此為IT行業帶來了一個全新的產業[1]。平板電腦在性能方面介于手機和筆記本電腦兩者之間，兼顧二者的優點，給人們提供了一款操作簡單、視覺優良、上網快速、視頻流暢、游戲豐富的便于隨身攜帶的電子本。鑒于平板電腦的流行性和前沿性，可將它搭建為實踐平臺，讓學生在這個平臺上自由地開發各種應用軟件，從而達到學習與實踐的目的。 平板電腦的特色決定了它必須具有體積小和功耗低的特性，但如果采用以往的分立式元件來設計，勢必無法實現這兩點。然而，得益于集成電路的高速發展，以前需要很多電路才可以完成的功能現在都被高度整合到了片上系統(SoC)之中，ARM處理器就是其中的佼佼者。由于ARM建立起了良好的軟硬件生態環境，所以目前市場上絕大多數移動設備都采用了ARM處理器。本文提出的平板電腦的設計架構，其CPU采用基于ARM公司的CortexTM-A8系列處理器，在Android操作系統環境下完成了應用軟件的開發及交叉編譯[2]。 1 硬件電路的系統設計 為降低系統開發難度，方便二次開發，系統采用核心板加擴展板的設計方案，核心板和擴展板之間通過連接器相連，這樣可以在核心板不變動的情況下，更改擴展板的功能組成，以適應不同的需求。 系統硬件電路中的核心板電路主要包括系統的控制中心CPU(S5PV210）、存儲設備Flash和SDRAM(DDRⅡ)、電源、時鐘(1 GHz)、復位、RTC等電路；擴展板電路則包括USB(USB Host和USB OTG)控制器、串行口(UART)、SD卡/MMC卡控制器、攝像頭接口、LCD控制器、鍵盤控制器、觸摸屏控制、HDMI、WIFI、音頻等電路[3]，如圖1所示。 
其中最核心的芯片是三星公司的S5PV210，其內核為最適宜于消費產品使用的ARM CortexTM-A8[4]，指令集為ARM V7，主頻可達1 GHz，具有64/32 bit內部總線結構、32/32 KB數據/指令一級緩存、512 KB二級緩存，可以實現200 DMIPS(每秒運算2億條指令集)的高性能運算能力[5]。S5PV210提供了豐富的外圍接口，本設計使用了其中的串行、LCD、DMA、USB、WIFI、HDMI等接口。 考慮到系統設計的復雜性，本文重點介紹了電源系統和LCD屏的硬件設計。 1.1 電源系統的分配 由于本設計外擴了許多功能，各部分所使用的電壓不盡相同，同時為了提高電源驅動能力，在設計中對整個系統進行了電源系統的分配，如圖2所示。
整個電源系統首先將外接電源9 V通過DC/DC轉換為5 V電壓；然后根據不同的設備需求，采用DC/DC或LDO進行電壓轉換分配，本設計中DC/DC變換除了液晶的背光是升壓型的，其余都是降壓型的。LDO主要用于對紋波要求較小的外設電源。 圖3所示為9 V轉5 V的輸入電源電路,其中DC/DC變換采用美國芯源公司的MP1482芯片。首先開機，按住 SW12(即電源鍵)，MOS 管 Q5 的柵級由高電平變為低電平，MOS 管導通，MP1482的使能腳EN被拉高，VDD_IN(9 V)變換為VDD_5V，即5 V電壓產生;隨后，依次將各路電壓打開，程序開始運行，在 bootloader [2]中將底板中網絡標號為 PWR_LOCK 的 GPIO 口拉高，這時三極管 Q6 導通，MOS 管 Q5 維持導通。至此，可以松開電源按鍵，整個電源已經置鎖。 如需要關機,再次按下電源鍵。因網絡標號為 ON/OFF_INT的GPIO口在程序中設置為中斷口,當電源按鍵按下后，則該中斷口有一個從高電平到低電平的跳變,觸發中斷產生；程序檢測到該中斷后，將 PWR_LOCK 腳拉低，實現關機。當然，還可以通過短按和長按實現睡眠喚醒和關機。 1.2 LCD屏的硬件設計 S5PV210自帶顯示控制器，可以將總線上的圖像數據和視屏緩沖區里的數據傳輸到外部LCD接口上。它支持三種LCD接口類型:RGB接口、間接I80接口和YUV接口，本設計采用RGB接口。三星9.7寸IPS屏LTN097X02是一個完整的具有LED背光系統的彩色有源矩陣液晶顯示器，采用了LVDS接口，以使整個模塊達到低功耗、高速且低EMI的要求。但由于S5PV210的顯示控制器不支持LVDS接口，所以外接電路需要實現RGB到LVDS的轉換電路。本設計選用DOESTEK DTC34LM85A做為LVDS發送器，完成RGB接口到LVDS接口的時序轉換[6]，整個轉換過程如圖4所示。
在進行PCB布局時，LVDS差分信號線在走線時的物理長度要等長并盡可能短；LVDS差分信號對的差分阻抗必須控制在接近100 ?贅；LVDS差分信號對的間隔至少保持兩個線寬的距離。 2 功耗測試 本設計在完成了基于ARM的平板電腦硬件平臺的搭建后進行了整機功耗測試，如表1所示。測試結果證明該設計具有很強的實用價值[7]。
目前，該平臺上已成功運行了Andriod操作系統，并交由學生進行應用軟件的開發。本設計的創新點是將目前流行的前沿科技引入到教學活動中來，自主設計價廉物美的學習平臺。 參考文獻 [1] IT168評論. 聊聊iPad 從平板電腦現狀論后平板時代[EB/OL].(2011-01-12)[2012-09-01].http://tech.sina.com.cn//2011-01-12/01011629342.shtml. [2] 倪旭翔,計春雷.ARM Cortex-A8嵌入式系統開發與實踐——WinCE與Android平臺[M]. 北京：中國水利水電出版社，2011. [3] 范書瑞, 高鐵成.ARM處理器與C語言開發應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008. [4] ARM公司.Cortex-A8 technical reference manual[Z].2010. [5] Samsung公司.User’s manual-S5PV210X[Z]. 2009. [6] DOESTEK公司.DTC34LM85A[Z].2003. [7] 佚名.32nm A5效果如何,蘋果新版iPAD2測試[EB/OL]. (2012-05-04)[2012-09-01].http://pad.pconline.com.cn/reviews/1205/2775602.html. |
