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[待整理] 基于现场总线的开关量 I/O 模块的设计----总体方案设计 (二)

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发表于 2015-4-27 23:35:59 | 只看该作者 |只看大图 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
4.3存储器模块
          存储器模块包含:64M的FLASH和2片32M的SDRAM.
          存储器模块:FLASH存储器是一种在系统可编程器件,存储的信息在系统掉电后不会丢失。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分区编程(烧写)和擦出等特点,并且可由内部潜入的算法完成对芯片的操作,因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器,FLASH在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电以后需要保存的用户数据等。主要的生产厂商为Intel、ATMEL、AMD、SAMSUNG等,他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式,可以通用。常用的FALSH为8位或16位的数据宽度,编程电压为3.3V.本系统中使用的是三星K9F1208的一款Nand flash,数据存储容量为64MB,采用块页式存储管理。8个I/O引脚充当数据、地址、命令的复用端口。如图4.3所示为S3C2440和K9F1208的连接电路原理图。
           
         
           
          与FLASH存储器相比较,SDRAM不具有掉电保持数据的特性,但其存取速度大大高于FLASH存储器,且具有读、写属性。因此,SDRAM在系统中主要用做程序的运行空间、数据及堆栈区。当系统启动时,CPU首先从复位地址0X0处读取启动代码,在完成系统的初始化后,程序代码一般调入SDRAM中运行,以提高系统的运行速度;同时,系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。SDRAM具有单位空间存储容量大、价格便宜的优点,已广泛应用在各种嵌入式系统中。SDRAM的存储单元可以理解为一个电容,总是倾向于放电,为避免数据丢失,必须定时刷新(充电)。因此,要在系统中使用SDRAM,就要求微处理器具有刷新控制逻辑,或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。S3C2440微处理器片内具有独立的SDRAM刷新控制逻辑,可方便地与SDRAM接口相连。目前常用的SDRAM为16位数据宽度,工作电压一般为3.3 V.本系统中使用HY57V561620作为SDRAM,其基本特性为:工作电压为3.3 V,按4Bank *4M *16 Bit方式组织,单片存储容量为32 MB,支持自动刷新( Auto-Refresh )和自刷新(Self-Refresh )功能,16位数据宽度。如图4.4所示为S3C2440和HY57V561620的连接电路原理图。
           
         
           
          4.4电源模块
          供电单元在本系统中起着很重要的作用,电源模块结构如图4.5所示:
         
         
       
        本系统采用220V交流电,经过开关电源产生28V的直流电给光耦继电器供电,经过电压转换模块产生5V直流电给AZ1117、MAX485供电,经过AZ1117产生3.3 V给存储器和IO接口供电,经过MIC5219产生1.3V给S3C2440内核供电。另外,本系统电源模块设计中增加了许多电容,可以起到储能、滤波的作用,当外界电压因干扰而波动时,电容会释放或吸收电量,维持电压稳定。
       
        4.5 IO模块
          4.5.1 GPIO接口介绍
          GPIO,英文全称为General-Purpose I/O ports,即通用I/O口。在嵌入式系统中常常有数量众多,但是结构却比较简单的外部设备/电路,对这些设备/电路有的需要CPU为之提供控制手段,有的则需要被CPU用作输入信号。而且,许多这样的设备/电路只要求一位控制,即只要有开/关两种状态就够了,比如灯亮与灭。对这些设备/电路的控制,使用传统的串行口或并行口都不合适。所以在微控制器芯片上一般都会提供一个“通用可编程I/O接口”,即GPIO.接口至少有两个寄存器,即“通用IO控制寄存器”与“通用IO数据寄存器”。数据寄存器的各位都直接引到芯片外部,而对这种寄存器中每一位的作用,即每一位的信号流通方向,则可以通过控制寄存器中对应位独立的加以设置。这样,有无GPIO接口也就成为微控制器区别于微处理器的一个特征。
       
        在实际的MCU中,GPIO是有多种形式的。比如,有的数据寄存器可以按照位寻址,有些却不能按照位寻址,编程时就要较大区别了。比如传统的8051系列,就区分成可位寻址和不可位寻址两种寄存器。另外,为了使用的方便,很多MCU把glue logic等集成到芯片内部,增强了系统的稳定性能,比如GPIO接口除去两个标准寄存器必须具备外,还提供上拉寄存器,可以设置IO的输出模式是高阻,还是带上拉的电平输出,或者不带上拉的电平输出。这在电路设计中,可以简化外围电路。
       
        S3C2440的GPIO有130pin,通过下面9个寄存器控制和设置。
       
        PortA (GPA): 25-input/output port
          PortB (GPB) : 11-input/output port
          PortC (GPC) : 16-input/output port
          PortD (GPD): 16-input/output port
          PortE (GPE): 16-input/output port
          PortF (GPF): 8-input/output port
          PortG (GPG): 16-input/output port
          PortH (GPH) : 9-input/output port
          PortJ (GPJ):  13 -input/output port
           
          S3C2440的I/O口,很多是复合功能的接口,既可以作为普通的I/O口使用,也可以作为特殊外设接口。在程序设计时,要对整体的资源有所规划,初始化时就应该把所有资源安排合理。避免应用时出现问题。
       
        S3C2440的9个端口,其寄存器是相似的。除了两个通用寄存器GPxCON、GPxDAT外,还提供了GPxUP用于确定是否使用内部上拉电阻(其中x为A-J,需要注意的是没有GPAUP)。应用的主要步骤就是:
           

           
  •                 设置GPIO控制寄存器GPxCON        
  •                 设置GPIO上拉寄存器GPxUP
         
        初始化完成后,就可以通过对GPxDAT的操作来实现相应的应用。其中,PORTA与PORTB-J在功能选择方面有所不同,GPACON的每一位对应一根引脚(共23pin有效)。当某位设为0,相应引脚为输出引脚,此时往GPADAT中写0/1,可以让引脚输出低电平/高电平;当某位设为1,则相应引脚为地址线,或者用于地址控制,此时GPADAT没有用。一般而言,GPACON通常全设为1,以便访问外部存储器件。PORTB-H在寄存器操作方面完全相同。GPxCON中每两位控制一根引脚:00表示输入,01表示输出,10表示特殊功能,11保留。GPxDAT用于读/写引脚:当引脚设为输入时,读此寄存器可知相应引脚状态是高/低;当引脚设为输出时,写此寄存器相应位可以使相应引脚输出低电平或高电平。GPxUP:某位设为1,相应引脚无内部上拉;为0,相应引脚使用内部上拉。关于特殊功能,那需要结合特殊外设来进行设置。
       
        4.5.2开关量输入输出部分电路设计
          开关量输入输出电路是基于SSA12183_33系列的同轴机械式微波开关。此系列开关具有频率范围宽,插损小,驻波比低,隔离度高,可靠性高,寿命长等优点,并具有极佳的电器性能和机械性能,可应用于航天,航空,雷达,通信等微波通信系统和地面测试系统。其相关技术指标如下:
           
          (1)直流指标
          工作电压:DC28V(24-32V )开关速率:≤20ms
          工作电流:120mA/DC28V 工作温度: -35℃~70℃
          存储温度:-55℃~90℃ 工作寿命: >=106
         
          (2)射频指标:
         
          (3)工作原理:SSA12183_33系列同轴机械式微波开关具有遥测功能,其原理如图4.6所示:
         
         
       
        图中J1,J2,J3为射频接口,SMA(F)接头。
       
        +1,+2,-C为控制端,1,2,C为遥测端
          开关切换信号为+28V/280mA(100ms)脉冲,端子-C接地,当脉冲加于+1接口,射频通道J1-J3连通,遥测脚C-1连通;当脉冲加于+2接口,射频通道J2-J3连通,遥测脚C-2连通。
       
        开关量输入电路如图4.7所示,主要完成数字量信号的输入,由2片74HC151(8选1的数据选择器)组成,真值表如图4.8所示,作数字遥测信号的采集,并用10K电阻上拉到3.3 V,形成16个开关量信号的输入。
           
         
         
       
         
        开关量输出电路如图4.9所示,主要完成数字量信号的输出,由2片74LVCH244和5片欧姆龙生产的光耦继电器G3VM-402J组成,形成16个开关量输出。其中74lvch244不仅实现了数据的缓冲隔离,也在一定程度上实现了对CPU的I/O接口的保护,它有8个输入端,8个输出端,使用较为简单。光耦继电器用于低电压逻辑电路驱动大电流负载,输出可承受28V、120mA的直流电流,作为微波开关的控制端输入。
           
         
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