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基于PXA270设定手持GPS方案设计

黑龙江八一农垦大学

Heilongjiang Bayi Agricultural University

“嵌入式系统”课程结题设计(论文)

(基于嵌入式ARM实验平台)

基于PXA270的嵌入式系统设计

姓名:孙国治

专业班级:电气4班

学号:20084073424

PXA270简介:

英特尔公司于2003年底推出了性能最为强劲的PXA27x系列嵌入式处理器,PXA27x系列嵌入式处理器基于ARMv5E的Xscale核心,最高频率可达624MHz。作为一款性能极其强劲的嵌入式处理器,配合嵌入式Linux或Wince操作系统,PXA270理论上可以支持任何媒体格式,并通过软件升级,支持未来媒体格式。但由于媒体播放对硬件的极高要求,因此单纯依靠PXA270处理器进行媒体播放是不现实的,实际测试的结果也不理想。因此,为了满足PXA270的PMP (MP4)功能,必须外加2700G多媒体加速芯片,配合PXA270进行视频加速与3D加速。

PXA270

PXA270天生不是专门为PMP设计的,更适合传统PDA,手持PC,平板电脑,智能手机市场。它最初出现在PDA(比如惠普HP4700)和智能手机(如MOTO E680)上。因此它的扩展接口相当丰富,扩展接口有SD/SDIO/MMC、CF/PCMCIA、CMOS/CCD CAMERA、蓝牙、USB1.1、OTG 等。

选择PXA270作为PMP处理器,是源于它wireless MMX技术和SpeedStep动态电源管理技术。SpeedStep技术原用于英特尔移动处理器,这种技术用通俗的语言表述就是系统需要多高的主频,它就调节到多高的频率,系统不需要时,它就将处理器主频调节到最低,绝不浪费一点点。SpeedStep技术可以将PXA270的主频在26MHz~624MHz(最高)之间自由调节!也就是说,在系统完全空闲时,PXA270可以运行在26MHz的主频下.

基于PXA270设定手持GPS方案设计

技术特点

Quick Capture

是成像设备与无线设备提供接口,有助于改进图像质量以及降低产品整体成本,该项技术包括快速浏览、快速拍照和快速视频拍摄三种操作模式。该技术使得Bulverde可以支持400万象素数码镜头,并能提供最大416Mbit的数据传输速率。

Speed Step

该技术可以智能切换空闲、待机和深层睡眠三种低功耗状态,以提高动态电压管理性能,可在一定程度上缓解目前手持设备普遍存在电池续航能力较弱的现象,在保证CPU 性能的情况下,最大限度地降低移动设备功耗。

Pentium's MMX

Pentium's MMX是一种基于Intel MMXT先进的多媒体指令集MMX技术,使得基于Bulverde的无线设备在拥有堪与PC相比的多媒体性能同时,能够最大限度减轻系统功耗,另一方面,也有助于软件开发商提供类似游戏、MPEG4视频文件以及语音识别等应用服务。该款芯片把X86架构奔腾4系列上的多媒体扩展功能引入了Xscale芯片组的产品线中,用户通过这个无线多媒体扩展技术(MMX)可以在掌上设备上播放高质量的视频和玩三维游戏。

配合技术

Intel同时还发表了配合PXA270使用的图形协处理器——2700G多媒体加速器。这

颗芯片可以以每秒30帧,的速度播放MPEG4或WMV的图像,使PXA270的多媒体性能达到极大提升。

系统设计

随着嵌入式系统的发展,产品功能与功耗越来越成为系统设计所要考虑的重要方面。仅仅实现了丰富的功能而电量消耗大的产品并不能满足人们的需求。基于Intel XScale架构的PXA270处理器,集成了存储单元控制器、时钟和电源控制器、DMA控制器、LCD控制器、AC97控制器、I2S控制器、快速红外线通信 (FIR)控制器等外围控制器,可以实现丰富的外围接口功能。其低电源运行模式以及动态电源管理技术可以有效的降低电源的功耗。基于这些优点,使得PXA270广泛的应用于智能手机、PDA、Web记事本、远程通信、医疗器械等领域。

系统硬件组成

整个系统以PXA270处理器为核心,以音频输入输出接口,红外接口,10/100M自适应以太网口,触摸屏接口等为外围接口,通过宽温高亮度LCD实现视频输出。系统框图如图1所示。

系统存储器接口

Intel XSclae PXA270处理器集成了存储单元控制器,其外部的存储总线接口支持:SDRAM、FLASH、ROM、SRAM、PC卡等。

SDRAM电路

选用Hynix的HY57V561620C,其组织形式为4 Banks x 4M x 16Bit,单片容量为32MB,采用3.3±0.3V单电源供电,封装形式为标准54引脚TSOP-II,属于16位的数据总线宽度,选用两片并联的方式,使SDRAM的总线宽度达到32位。两片SDRAM的32条数据线分别连到PXA270的高16位地址和低16位地址上HY57V561620C的时钟频率分了100MHz~166MHz四个档,这里选用133MHz这一档的

基于PXA270设定手持GPS方案设计

pxa270嵌入式系统

芯片。

FLASH电路

嵌入式应用程序一般直接存在板子上的Flash芯片中,根据应用的不同可选用不同容量和速度的芯片,在这里选用的是Intel的同步FLASH 28F256L18,单片容量为32MB,采用1.8V 单电源供电,封装形式为标准79脚的VF BGA,选用两片并联的方式,使FLASH的总线宽度达到32位。两片FLASH的32条数据线分别连到PXA270的高16位地址和低16位地址上。

电源

系统采用TPS65020为PXA270供电,此解决方案除了高效率之外还可以提供业界最佳的瞬态响应,且不会影响静态电源电流和效率,是便携设备处理器电源的理想解决方案。

音频输入输出

UCB1400是飞利浦半导体公司推出的专为液晶显示器手持设备开发的混合信号音频解码/编码芯片。在一个芯片上集成了音频解码/编码功能、一个触屏控制器和功率管理接口,UCB1400与英特尔音频解码/编码器97 (AC'97) 元件规格2.1版本完全兼容,可与众多嵌入式处理器的AC-Link主机控制器通信,如英特尔基于XScale微结构的各系列处理器。本系统采用PHILIPS公司生产的编/解码芯片UCB1400与PXA270通过AC-LINK连接,输出的信号通过芯片LM4800放大,再通过耳机实现音频输出设计。

10/100M自适应网口

采用SMSC公司的LAN91C111自适应以太网控制器芯片与PXA270通过控制总线,地址总线,和数据总线相连。LAN91C111是专为嵌入式系统设计的,其外围相对比较简单,它与PXA270以及电磁耦合变压器 TG110-S050N2、 RJ-45接口构成嵌入式以太网,实现10/100M 自适应网口设计。

触摸屏

采用PHILIPS公司生产的UCB1400芯片与PXA270的AC97控制器连接,即可实现触摸屏功能基于ARM核的 Intel XScale微体系结构的处理器 PXA270中的AC97控制器与UCB1400通讯,可以实现触摸屏上笔触点数据的采集。PXA270对UCB1400寄存器的地址进行了映射,这样可以通过PXA270的地址直接访问 UCB1400的寄存器,读取存在其中的笔触点的各类数据值,整个实现过程简单、方便。

系统红外接口

PXA270的标准UART口集成有符合IrDA 1.0协议的红外编、解码器,将其与安捷伦SIR 标准型红外收发器HSDL-3600连接便可组成串口红外通信系统。

视频输出

PXA270内部集成了功能较强的LCD控制器,、驱动器及输入输出缓冲。支持STN或TFT显示,支持单色或几种彩色像素格式,支持单或双扫描面板显示,支持每象素点18位、19位、24位和25位(bpp)。推荐的最大显示分辨率是800x600。可编程决定插入等待状态是在行首或者行末,可在52MHz-25.4KHz范围内编程显示每象素点的时钟频率,也可编程设置帧时钟、行时钟和使能信号的极性。当LCD功能不使能时,所有的输入输出管脚都可做为普通的I/O口来使用。本系统通过宽温高亮度LCD实现视频输出,把液晶屏的数据线与CPU的相应引脚相连即可。采用北京技博科技有限公司生产的6.4寸宽温高亮液晶显示器(嵌入式)。分辨率:VGA(640×480),亮度:1200nits,工作温度-40—70℃。

基于Xscale PXA270 ROM系统模块的手持GPS方案设计

一、 Xscale? PXA270 ROM系统模块概述

1.1 RiSC-On-Module设计理念

针对嵌入产品开发过程中主要设计步骤,调试手段和技术障碍,将Xscale, ARM,MIPS或ARM+DSP等内核的高速嵌入式处理器的核心系统及关键部件集成设计为系统模块的方式,统称“RiSC-On-Module”,简称ROM。对每一款采用”RiSC-On-Module”思想设计的系统模块产品,都会根据相应嵌入式处理器的具体特点对系统模块的对外接口慎重考量,力图满足标准外设和差异外设的扩展需求,同时提供验证的载板评测套件,提供丰富的设计案例和演示软件包,辅助广大嵌入开发工程师快速评审,摆脱或简化复杂的系统硬件设计工作,专心研发具体应用程序,快速推出产品。

1.2 Xscale? PXA270简介

Intel公司推出的基于Intel Xscale? 内核技术的新一代嵌入式微处理芯片PXA27x(开发代号 Bulverde)系列产品处理器主频高达624MHz,针对嵌入控制和手持计算设备提供了丰富的功能接口,如LCD、AC-97、SPI, IIC/IIS,SD/MMC、CF/PCMCIA、数码相机接口、键盘等,同时集成了Speed-Step? 和 Wireless MMX? 技术进一步将高性能计算和动态电源管理技术相结合,在多媒体处理能力和功耗方面有着非常大的优势。内部功能如图1所示。

1.3 ROM-PXA270-V1.0系统模块简介

二、 ROM-PXA270-V1.0手持GPS方案设计

2.1 手持GPS的应用特点分析

GPS导航技术与普通消费者的应用结合日益成为消费数玛领域的产品设计和销售热点。GPS 导航设备目前主要的应用领域是汽车导航和个人导航,作为行业高技术与普通消费市场结合的产品,已经开始出现兼顾GPS导航和普通消费影音娱乐相结合的趋势,对核心嵌入处理器的性能和关键GPS接收设备都提出的更高的要求,同时在具体的产品应用软件方面也有显著的改进呼声。

常见的手持GPS设备具体规格总结如下:

1.3.5’-3.9’(320x240或640x480) TFT显示

2.支持触摸屏功能,输入中英文信息

3.支持大容量的SD卡,存放地图数据和客户应用软件

4.高效电池,支持Adapter /USB充电

5.支持实时时钟,实现定时处理

6.支持Bluetooth V1.2数据传输和实现与蓝牙手机对接免提通话

7.支持特定键盘操作

8.支持高灵敏度GPS接收器,天线内置并可扩接外置天线

9.支持大容量NAND FLASH,实现部分数据和软件的本机储存

10.支持高效加密算法,保护软件产权和用户个人信息

11.支持USB功能

12. 其他

2.2 手持GPS的主要功能块介绍

针对目前手持GPS产品的主要功能,本节开始具体阐述基于ROM-PXA270-V1.0的手持GPS 方案的设计思路和功能块介绍。

一)车载GPS的硬件功能块

具体主要硬件功能块如下:

核心控制:ROM-PXA270-V1.0

显示功能模块

蓝牙功能模块

GPS功能模块

键盘功能模块

存储器功能模块

声音功能模块

充电和电池功能模块

实时时钟功能模块

调试功能模块

1.核心控制:ROM-PXA270-V1.0

系统模块集成Xscale? PXA270,mobile SDRAM,Nor Flash,PMIC电源,AC-97 Audio 和加密芯片,详细规格参考本文相关章节。CPU速度级别和SDRAM/FLASH的容量可以根据具体软件容量需求做调整。

Nor Flash 的ID配合系统模块上的加密芯片实现多重加密处理,用于保护方案的系统软件和GPS地图等需要特别保密的部分。

2.显示功能模块

显示采用台湾TOPPOLY的3.5’TFT屏(TD035STEB2),其简单规格如下。

Item Description Unit

Display Size (Diagonal) 3.5 inch(8.9cm) -

Display Type Transflective -

Active Area (HxV) 53.64 x 71.52 mm

Number of Dots (HxV) 240 x RGB x 320 dot

Dot Pitch (HxV) 0.0745 x 0.2235 mm

Color Arrangement RGB Stripe -

Color Numbers 262,144 (6 bits) -

Outline Dimension (HxVxT) 64 x 85 x 4.05 ( Max 4.9) mm

Weight 43 (Max) g

Power (LCD Panel +

T-CON + L/S) 50 (Typ)

Backlight 432 (Typ, IF= 20mA) mW

主要特点:

不需要专门外接时序控制芯片,硬件设计简单。

支持触摸屏功能。其他触摸式LCD屏设计原理类似。

3.蓝牙功能模块

AvantWave公司的蓝牙模块BTR110支持Bluetooth 1.2规格,采用+3.3V/+1.8V双电源工作,功能框图见下图,支持UART/SPI/PCM接口。BTR110内置L2CAP,SDP,GAP,SPP,HFP和HSP 软件协议,将BRT110的串口连接到ROM-PXA270-V1.0的蓝牙串口,配合蓝牙驱动和应用软件可以实现蓝牙数传或免提通话功能。天线采用内置天线设计。

4. GPS功能模块

台湾丽台公司的GPS模块Leatek 9548采用+3.3V供电,SMD封装,尺寸为24x20x2.8mm,采用美国SiRF公司的 Star III芯片组,该模块可以实现20个通道,支持NMEA-0183 V3.0协议,支持DGPS(WAAS/EGNOS/RTCM),冷启动定位时间42s,热启动定位时间8s,更新率为每秒1次,重捕时间为0.1秒,定位精度小于10米,其工作温度范围为-40℃~85℃。GPS 模块的UART port A(主通道)连接到ROM-PXA270-V1.0的红外串口,实现主要承载航行和测量的数据及软件命令。天线采用内置天线与外置天线兼容设计。

5.键盘功能模块

采用GPIO直接支持矩阵键盘。需要注意的是GPIO0/GPIO1具备特别工作模式切换功能,可用来实现Xscale? PXA270的休眠/开机/工作切换。另一方面增加一个电池电源开关,在机器长期不工作的情况下切断电池。

6.存储器功能模

通过系统模块的板间连接器可以实现NAND FLASH和SD卡座的支持。

7.声音功能模块

ROM-PXA270-V1.0上集成有Philips AC-97 CODEC(UCB1400BE),只要外接功率放大器LM4666SDA可直接实现SPEAKER的声音播放,该放大器的增益可调并可以在系统休眠时关闭。麦克风输入直接支持。另一个方面电池电压和温度也可以用该CODEC提供的辅助ADC口来监测。配合合适的应用软件可以实现蓝牙免提通话功能。

8.充电和电池功能模块

外部直流电源为+5V/2A,并配有高容量可充电锂离子电池,在脱离外部电源的情况下可连续工作4个小时(电池容量不同,工作时间会发生变化)。外部+5V直流电源由专用适配器提供,也可以直接取自汽车上的点烟器电源。ROM-PXA270-V1.0的PMIC采用的是美国MAXIM 公司的MAX1586B,该电源芯片是为Xscale? PXA270 低功耗设备设计的电源管理芯片,支持动态电源管理和电压调整功能。电池充电采用美国国家半导体公司的LM3658,可为4.2V锂离子电池充电,支持外部直流电源充电和USB充电。在使用外部直流电源充电时,充电电流为50mA~1000mA;在使用USB充电时,充电电流为100mA或500mA。当两者同时存在时,外部直流电源充电优先。

电池电量通过系统模块的AC-97 CODEC实现检测。外接电源,USB和电池的插入全部采用GPIO 来检测。

9.实时时钟功能模块

实时时钟采用MAXIM公司的DS1340Z-33,采用PXA270的IIC控制实现时间设置和定时操作,同时配接可充电纽扣电池实现时间信息的备份维持。

10.调试功能模块

调试接口包括RS-232异步全串行口及JTAG接口和USB SLAVE接口。串口输出调试信息并可以配接其他串口设备,USB Slave来下载操作系统image文件和作为应用软件数据同步使用。

3.3 ROM-PXA270-V1.0手持GPS方案功能扩展

手持GPS设备也出现了功能复合化的趋势和呼声,结合ROM-PXA270-V1.0的接口特点可考虑增加如下复合功能:

1. WLAN 802.11g

2.FM调频接收

3.DVB-T/DMB

4.数玛照相

5.其他

参考文献:

1] 童设坤. SVR的参数选择及其应用. 江南大学 2009

2] 季慧芬. PXA270的参数选择及其应用. 同济大学 2008

3] 刘坤,田晓明,郭德华. 基于Intel Xscale PXA270的嵌入式应用系统中电源管理方案的设计. 电子器件. 2007(02)

4] 熊育,周俊. 基于Intel PXA270处理器的PDA设计[J]. 计算机与数字工程. 2008(05)

5] 濮琼,黄建华. 基于IntelPXA270平台的嵌入式媒体播放器设计[J]. 微计算机信息. 2005(19)