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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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。