摘 要：為了給學(xué)生搭建專業(yè)實(shí)踐的平臺，設(shè)計了基于ARM的平板電腦硬件平臺系統(tǒng)，供學(xué)生開發(fā)各種應(yīng)用軟件。該系統(tǒng)以三星公司的ARM處理器S5PV210為控制核心，采用核心板加擴(kuò)展板的設(shè)計方案，結(jié)合各種外圍設(shè)備完成了相關(guān)的設(shè)計。目前，該平臺上已成功運(yùn)行了Android操作系統(tǒng)，并交由學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。
關(guān)鍵詞: ARM； 平板電腦； S5PV210
2010年1月,蘋果公司發(fā)布了iPad平板電腦，從此為IT行業(yè)帶來了一個全新的產(chǎn)業(yè)[1]。平板電腦在性能方面介于手機(jī)和筆記本電腦兩者之間，兼顧二者的優(yōu)點(diǎn)，給人們提供了一款操作簡單、視覺優(yōu)良、上網(wǎng)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(shí)踐平臺，讓學(xué)生在這個平臺上自由地開發(fā)各種應(yīng)用軟件，從而達(dá)到學(xué)習(xí)與實(shí)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(shè)計，勢必?zé)o法實(shí)現(xiàn)這兩點(diǎn)。然而，得益于集成電路的高速發(fā)展，以前需要很多電路才可以完成的功能現(xiàn)在都被高度整合到了片上系統(tǒng)(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(tài)環(huán)境，所以目前市場上絕大多數(shù)移動設(shè)備都采用了ARM處理器。本文提出的平板電腦的設(shè)計架構(gòu)，其CPU采用基于ARM公司的CortexTM-A8系列處理器，在Android操作系統(tǒng)環(huán)境下完成了應(yīng)用軟件的開發(fā)及交叉編譯[2]。
1 硬件電路的系統(tǒng)設(shè)計
為降低系統(tǒng)開發(fā)難度，方便二次開發(fā)，系統(tǒng)采用核心板加擴(kuò)展板的設(shè)計方案，核心板和擴(kuò)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(kuò)展板的功能組成，以適應(yīng)不同的需求。
系統(tǒng)硬件電路中的核心板電路主要包括系統(tǒng)的控制中心CPU(S5PV210）、存儲設(shè)備Flash和SDRAM(DDRⅡ)、電源、時鐘(1 GHz)、復(fù)位、RTC等電路；擴(kuò)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(nèi)核為最適宜于消費(fèi)產(chǎn)品使用的ARM CortexTM-A8[4]，指令集為ARM V7，主頻可達(dá)1 GHz，具有64/32 bit內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)、32/32 KB數(shù)據(jù)/指令一級緩存、512 KB二級緩存，可以實(shí)現(xiàn)200 DMIPS(每秒運(yùn)算2億條指令集)的高性能運(yùn)算能力[5]。S5PV210提供了豐富的外圍接口，本設(shè)計使用了其中的串行、LCD、DMA、USB、WIFI、HDMI等接口。
考慮到系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性，本文重點(diǎn)介紹了電源系統(tǒng)和LCD屏的硬件設(shè)計。
1.1 電源系統(tǒng)的分配
由于本設(shè)計外擴(kuò)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(qū)動能力，在設(shè)計中對整個系統(tǒng)進(jìn)行了電源系統(tǒng)的分配，如圖2所示。
整個電源系統(tǒng)首先將外接電源9 V通過DC/DC轉(zhuǎn)換為5 V電壓；然后根據(jù)不同的設(shè)備需求，采用DC/DC或LDO進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換分配，本設(shè)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(shè)電源。
圖3所示為9 V轉(zhuǎn)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(jī)，按住 SW12(即電源鍵)，MOS 管 Q5 的柵級由高電平變?yōu)榈碗娖剑琈OS 管導(dǎo)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(chǎn)生;隨后，依次將各路電壓打開，程序開始運(yùn)行，在 bootloader [2]中將底板中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為 PWR_LOCK 的 GPIO 口拉高，這時三極管 Q6 導(dǎo)通，MOS 管 Q5 維持導(dǎo)通。至此，可以松開電源按鍵，整個電源已經(jīng)置鎖。
如需要關(guān)機(jī),再次按下電源鍵。因網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號為 ON/OFF_INT的GPIO口在程序中設(shè)置為中斷口,當(dāng)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(fā)中斷產(chǎn)生；程序檢測到該中斷后，將 PWR_LOCK 腳拉低，實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)。當(dāng)然，還可以通過短按和長按實(shí)現(xiàn)睡眠喚醒和關(guān)機(jī)。
1.2 LCD屏的硬件設(shè)計
S5PV210自帶顯示控制器，可以將總線上的圖像數(shù)據(jù)和視屏緩沖區(qū)里的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵獠縇CD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(shè)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(tǒng)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(dá)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(shí)現(xiàn)RGB到LVDS的轉(zhuǎn)換電路。本設(shè)計選用DOESTEK DTC34LM85A做為LVDS發(fā)送器，完成RGB接口到LVDS接口的時序轉(zhuǎn)換[6]，整個轉(zhuǎn)換過程如圖4所示。
在進(jìn)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(shè)計在完成了基于ARM的平板電腦硬件平臺的搭建后進(jìn)行了整機(jī)功耗測試，如表1所示。測試結(jié)果證明該設(shè)計具有很強(qiáng)的實(shí)用價值[7]。
目前，該平臺上已成功運(yùn)行了Andriod操作系統(tǒng)，并交由學(xué)生進(jìn)行應(yīng)用軟件的開發(fā)。本設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn)是將目前流行的前沿科技引入到教學(xué)活動中來，自主設(shè)計價廉物美的學(xué)習(xí)平臺。
參考文獻(xiàn)
[1] IT168評論. 聊聊iPad 從平板電腦現(xiàn)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(tǒng)開發(fā)與實(shí)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(fā)應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)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.