阳维力ARM数码相框硬件设计方案.docx
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阳维力ARM数码相框硬件设计方案
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基于ARM9的数码相框硬件设计
摘要
当前，随着数码相机和具有高像素拍照手机的普及和大众化，一种以数码照片的保存、回放和浏览为核心功能的产品，数码相框应运而生。
通过数码相框的图片浏览器直接浏览存储卡内的相片，并可以选择相片进行幻灯片模式播放，解决了需要使用电脑才能查看数码照片的缺陷。
本论文以此为出发点，进行数码相框硬件的研究工作。
作为一款嵌入式产
品，核心部件CPU采用了性能价格比、性能功耗比都很高的ARM架构处理器之中的一款——三星S3C2440A，显示器采用了支持双精度扫描的液晶显示屏。
利用ARM处理器对Linux系统良好的移植性、自带的LCD控制与USB控制器的特点，进行图像显示、音频播放与文件管理。
对于目前大部分数码相框在图
片浏览和文件管理功能上的不足，本设计的图像显示功能充分利用了触摸屏功能，实现了图像的触摸式移动，使用户可以自由的观看放大后的图像；文件管理功能则设计成了类似windows的文件浏览器，不仅具有丰富的文件管理功能，而且使习惯了windows的广大用户可以很快的熟悉此功能，并为将来升级为下一代的细分产品——数码相册做好准备。
本设计的核心是基于ARM平台的系统移植与基于QT的应用程序设计。
本文首先介绍了本设计的工程背景及其发展情况；然后根据系统的总体设计思路
选择合适的硬件组合。
关键词数码相框；嵌入式；ARM
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TheHardwareDesignofDigitalFrameBasedon
ARM9
Abstract
Nowadays，withthemasspopularityofdigitalcamerasandhigh-pixelcameraphones，onekindofdigitalphotoframecameintobeing，whosecorefunctionispreservation，playbackandbrowsingofdigitalpictures．Pictureviewerofdigitalphotoframecallbrowsepicturesinmemorycarddirectlyandplayslideswiththechosenpictures．Thisproductsolvedefectswhichdigitalphotosneedtobeviewedbycomputers
Therefore,Iwritethisthesis，DevelopmentofDigitalPhotoFrameBasedonEmbeddedARMPlatform．Asanembeddedproduct，thecorecomponentCPUisfromthehighprice.performance，highpower-performanceARMarchitectureseries，SamsungS3C2440A；TheLCDscreensupportsdouble—precisionscanning．Linuxkernelversionis2.6.12；Thesystemsoftwareisbusybox，bashandsoon．ARMprocessorhavematureportableLinuxsystem，built．Comparedwiththeimagedisplayandfilemanagementfunctionofmostdigitalphotoframe,myimagedisplayrealizesthefunction：
movingphotobytouch；Idesignedthefilemanagementfunctionaswindowsexplorer．Ithasplentifulmanagingfunction．Andeasyforuserswhoisfamiliarwithwindowstooperate，andreadyforupgradingtothenextgeneration’ssegmentalproduct--digitalalbum．
Thesystem’skeypointissystemmigrationoftheplatformbasedonARMandtheQTapplicationdesign．Firstofall，introducetheprojectbackgroundsanddevelopmentsofthisdesign。
Secondly,analyzetheprojecthardwareandsoftwarearchitectureandproposethedesignspecifications.
Keywordsdigitalframe。
embeddedsystem。
ARM
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摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2数码相框的国内外的发展状况1
1.3简介ARM92
1.4论文的主要内容3
第2章介绍S3C2440以及JTAG调试接口4
2.1概述S3C24404
2.2ARMJTAG调试接口5
2.2.1JTAG调试接口6
2.2.2JTAG接口控制指令6
2.3本章小结7
第3章数码相框硬件设计8
3.1用户功能需求分析8
3.1.1图片显示功能8
3.1.2音乐播放功能8
3.1.3文件管理功能8
3.1.4系统设置功能8
3.1.5用户按键功能9
3.2系统硬件结构9
3.3电源电路设计9
3.4复位及时钟电路设计11
3.4.1复位电路11
3.4.2时钟电路12
3.5FLASH电路设计12
3.5.1特性13
3.5.2Bootloader功能13
3.5.3引脚配置13
3.5.4NANDFLASH接口电路14
3.6SDRAM电路设计14
3.7USB接口电路设计17
3.7.1USB接口基本原理与结构17
3.7.2S3C2440的USB主机控制器19
3.7.3数码相框中USB接口电路19
3.8串口电路设计20
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3.8.1串行接口基本原理与结构20
3.8.2S3C2440中的UART结构23
3.8.3数码相框中的串行接口电路24
3.9LCD接口电路设计25
3.10I2S音频接口电路设计26
3.10.1S3C244的I2S结构27
3.10.2数码相框I2S电路28
3.11本章小结28
结论30
致谢31
参考文献32
附录A33
附录B37
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第1章绪论
1.1课题背景
DigtalPhotoFrame或DigitalAlbum，中文名：
数码相框，或数码相机。
可以从网上看到为了适应市场的需求，现在许多公司都在数码相框的设计、制造
和销售方面扩张业务，其中包括韩国的LGPhlipsLCD，韩国的三星电子公司和日本的精工爱普生公司。
有人认为一旦在设计和技术上有突破的话，数码相框
的销售将正式起飞。
伴随着数码相机孕育而生的数码相框，替代了传统的电脑和冲洗打印的观看方式，取而代之以一种更新颖，更健康以及更经济的来浏览数码相片。
在数码相框中，图片可以播放，可以伴有背景音乐，同时可以暂停喜欢的图片，并
可以旋转和任意缩放图片大小。
图片可以通过存储介质（例如优盘，SD卡>连接获得[1]。
数码相框有三大部件组成：
PCB电路板，LCD液晶屏和外框。
液晶屏可以是模拟的也可以是数字的。
PCB电路板是数码相框的核心，因为它包含必须处理的硬件电路。
对于最终用户而言，外框则是一个重要的标准。
外框的材质通常是塑料或木头的，有一些数码相框提供可更换的外框。
如同MP3，MP4之类的电子产品，数码相框也是一种时尚的电子消费产品，也是家庭修饰品。
继承了数码的时尚和温情，用途十分广泛。
例如商务礼品，节日礼品，随身个性化饰品等。
随着数码相框的大众化，数码相框将有更多创意应用，为平淡生活增添几分乐趣。
1.2数码相框的国内外的发展状况
2005年，第一款数码相框在中关村亮相，自此，国内数码相框行业正式建立，数码相框市场飞速增长，业内专家对这一新兴市场兴奋的同时，由于处在市场发展初期，难免有一些人仍对这一产品的功能特性以及发展走向存在着诸多认知误区。
国内数码相框市场却是一个暗藏玄机之地，其中的容量之大，未来前景之广，难以想象。
数码相框市场现阶段尚处在发展阶段，教育市场的重担任重而道远。
如今，数码相机的普及与应用，让人们无时无刻不在实现着留
影梦想。
2007年数码相机市场保有量1625万台，年销量近800万台，2008年数码相机中国市场容量1000万台。
如果每一台数码相机大概产生100张照片，2008年新购买数码相机的用户就会产生10亿张数码照片。
自然而然，能把这么多照片“秀”出来的数码相框，则成为最好的工具。
既能存储照片、又能展示
照片，更重要的是，造型时尚多变、具备许多附加功能的数码相框，在家居生活中也占有着一个重要的位置。
数码相框绝对不会是过渡性产品，更不会昙花
一现。
未来，数码相框将是家庭里除了TV、PC之后的第三块屏幕。
中国有几千万家庭，由此获得的数字又是十分惊人[2]。
除了用户需求的带动，大势所趋。
第二个促动这块“千亿大蛋糕”的重要
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因素则在于整个数码相框产业链的日渐成熟与完善。
目前，在各个环节的产业
供应中，都较以往有了很大改观，首先，数码相框4:
3专用屏幕出现，与数码相机的照片比例非常吻合，专为数码相框而打造。
其次，在主控芯片供应上，工
厂数量也从2005年的五六家上升到如今的五六十家；第三，在产品的外壳设计上，从原有的单一逐渐向多样化的个性化需求转变，由此亦带动了成本的降
低；此外，流水线也从千台提升到万台。
而国内的数码相框品牌厂商数量更是
迅速增长，从2005年华旗爱国者一枝独秀到目前活跃的品牌数量已经超过50家。
这一切，无不向我们展示了中国数码相框产业的快速发展和成长，而这一
产业上升的空间却依然非常广阔。
未来几年，数码相框的市场将处在逐渐走向
成熟期的阶段，其产销量和市场需求依然将保持大幅度的增长。
2007年全球数
码相框市场超过1000万台的销售量。
2008年这一数据超过3000万台，到2018
年，将超过8000万台。
而起步较晚的中国市场，在快速的腾飞过程中，将紧跟这一步伐。
作为一款新鲜时尚的电子产品，数码相框一直缺乏相应的产品标准，不过这种现状有望在2018年得到彻底改善。
我国数码相框行业标准起草筹备小组已经在京正式成立，数码相框行业标准之路开始起航。
国内的数码相框发展起步
于2006年年底，最早是由飞利浦等国际品牌从国外传入中国。
开始是作为一种
具有新、奇、特等特点的产品存在于电子消费市场。
进入2007年，国内品牌爱国者和国际品牌三星也先后加入到这个行业，推出了自己的产品，数码相框也
逐步开始走向大众市场。
当时国产品牌的产品特点主要是功能多，除照片播放功能外，还有万年历、时钟甚至是看电影等功能，走的是多媒体数码相框发展
路线，国际品牌则功能相对单一，但比较注重播放时的高品质画质。
2008年，
国内外越来越多的品牌开始进入这一领域，并开始走向细分市场。
随着市场逐渐升温，一些山寨数码相框也开始充斥市场。
从市场占有率来说，国内品牌目前占主导地位。
但从产品特点来看，国际品牌和国内品牌各有侧重。
国内品牌开始更加注重产品的个性化和人性化，国际品牌则更注重产品外形的精致等。
目前数码相框市场国际品牌的产品比较贵，走的是高端市场路线，爱国者、佳
的美等国内品牌相对而言有一定的价格优势。
同时，目前70%的数码相框产品属于礼品市场，国内品牌在行业、渠道积累等方面也有优势。
另一方面，由于
数码相框的技术准入门槛较低，造成大量山寨产品进入，整个市场开始显得有些混乱。
使得消费者无法认识到什么样的数码相框算好，市场急需行业标准来规范。
从国际市场范围来看，数码相框产业目前尚无一个国际例行的通用标准。
所以标准的出台对于数码相框的良性发展非常重要。
由于目前国内外厂商对于数码相框的下一步发展趋势存在认识上的差异，具体标准的内容估计会被分解，推出单机版、数码看板、网络化等不同产品的行业标准，最终形成一个数码相框的行业标准体系[3]。
1.3简介ARM9
ARM公司成立于1990年11月在英国剑桥成立，主要从事转让芯片技术的
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授权，全称“AdvancedRISCMachinesLtd”。
ARM公司专门从事基于RISC技术芯片的开发设计，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让
设计许可有合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器芯片进入市场，而ARM技术获得第三方工具制造，软件的支持，使整个系统成本降低，产品更容易进入市场并具有竞争力。
目
前，采用ARM技术产权的微处理器，即通常所说的ARMCPU，版本已经从
V3发展到V6，已遍及工业制造，消费类电子铲平，通信系统，网络系统，无
线系统各产品市场。
基于ARM技术的微处理器应用占据32位处理器的75%以
上的是份额，ARM技术已渗透到人们生活的各个方面。
AMR9微处理器系列采用ARMV47（Harvard>结构，五级流水线，指令与数
据分离的Cache，平均功耗为0.7mw/MHz，时钟频率为120MHz~200MHz，在
高性能和低功耗等方面提供最佳性能[4]。
ARM9微处理器具有下列特点：
1．无极整数流水线，指令执行效率更高
2．支持数据Cache和指令Cache，具有更高的指令和数据处理能力。
3．支持32位告诉MBA总线接口，MPU支持实时操作系统。
4．支持32位ARM指令集和16位Thumb指令集，提供1.1MIP/s/MHz的
哈弗结构。
5．全性能MMU，支持WindowsCE,Linux,PalmOS等多种主流嵌入式操作
系统。
本论文研究的就是基于Sumsung公司的S3C2440微处理器数码相框的硬件设计。
1.4论文的主要内容
本论文提出一种基于S3C2440为核心的数码相框硬件设计方案，该数码想框框主要完成通过USB口读取U盘中的BMP，JPEG格式的图片，并动态显示
在LCD上，另外还加入了MP3功能，更加增添了数码相框的娱乐性。
论文主要内容如下：
1．阐述课题研究的背景及意义，描述数码相的发展状况以及简单介绍
ARM9。
2．简单介绍S3C2440的工作性能及原理，数码相框的整体设计以及功能结
构。
3．通过从图片显示，音乐播放，文件管理，系统设置，用户按键等功能分析用户需求，介绍了系统各部分硬件。
主要介绍电源电路，复位及时钟电路，flash电路，按键电路，USB接口电路，串口电路等部分的功能和性质并绘制出相关电路图。
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第2章介绍S3C2440以及JTAG调试接口
2.1概述S3C2440
三星公司推出的16/32位RISC微处理器S3C2440A,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。
为了降低整体
系统成本，S3C2440A提供了一下丰富的内部设备。
采用了ARM920t的内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。
其低功耗，简单，优雅，且全静态
设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。
它采用了新的总线架构Advanced
MicrocontrollerBusArchitecture（AMBA>。
S3C2440A的杰出的特点是其核心处理器（CPU>，是一个由AdvancedRISCMachines限公司设计的16/32位ARM920T的RISC处理器。
ARM920T实现了
MMU，AMBABUS和Harvard高速缓冲体系结构构。
这一结构具有独立的16KB指令Cache和16KB数据Cache每个都是由具有8字长的行组成。
通过提供一套完整的通用系统外设,S3C2440A减少整体统成本和无需配置额外的组件
[5]。
综合对芯片的功能描述,S3C2440A具有以下片上功能：
1．1.2V内核供电，1.8V/2.5V/3.3V存储器供电，3.3V外部I/O供电，具
备16KB的I-Cache和16KBDCache/MMU微处理器。
2．外部存储控制器（SDRAM控制和片选逻辑>。
3．LCD控制器（最大支持4K色STN和256K色TFT>提供1通道LCD专
用DMA。
4．4通道DMA并有外部请求引脚。
5．3通道UART（IrDA1.0,64字节TxFIFO，和64字节RxFIFO>。
6．2通道SPI。
7．1通道IIC-BUS接口（多主支持>。
8．通道IIS-BUS音频编解码器接口。
9．AC97解码器接口。
10．兼容SD主接口协议1.0版和MMC卡协议2.11兼容版。
11．2端口USB主机/1端口USB设备（1.1版>。
12．4通道PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器。
13．8通道10比特ADC和触摸屏接口。
14．具有日历功能的RTC。
15．相机接口（最大4096×4096像素的投入支持。
2048×2048像素的投入，支持缩放>。
16．130个通用I/O接口和24通道外部中断源。
17．具有普通，慢速，空闲和掉电模式。
18．具有PLL片上时钟发生器。
其结构框图如图2-1所示。
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JTAG
IPA[31:
0]
指令cache
外部协处理
指令MMU
器接口
C1
3
ID[31:
0]
ARM9TDMI
AMBA
处理器核
CP1
总线
（内部嵌入
5
DD[31:
0]
写缓
I/F
的ICE）
冲器
c13
DVA[31:
0]
写回PATag
数据cache
WBPA[31:
0]
RAM
数据MMU
DPA[31:
0]
LCDLCD
控制器DMA
USB主控器
外部总线控制器
NAND控制器
NANDFlash
Bootloader
时钟发生器
UART0,1,2
USB设备
SDI/MMC
看门狗定时器
总线控制
仲裁器/译码器
SPI0,1
AHB
总
线
APB
总
线
总线控制
仲裁器/译码器
中断控制器
电源管理
存储控制器
SRAM/NOR/SDRAM
桥&DMA（4通道）
I2C
I2S
GPIO
RTS
ADC
定时器/PWM
0-3,4内部）
图2-1S3C2440结构框图
2.2ARMJTAG调试接口
JTAG（JointTestActionGroup，联合测试行动小组>是一种国际标准测试协
议，主要用于芯片内部测试及对系统性进行仿真，调试。
JTAG技术是一种嵌入
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式调试技术，她在新片内部封装了专门的测试电路TAP（TestAccessPort，测试访问口>，通过专用的JTAG测试从句对内部节点进行测试。
目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，例如ARM，DSP，FPGA器件等。
JTAG测试允许多个器件通过JTAG接口串联在一起，形成一个JTAG链，能实现对各个器件分别测试。
JTAG接口主要用于实现ISP（In-SystemProgrommable，在系统编程>功能，如对Flash期间进行编程等。
通过JTAG接口可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效手段[6]。
2.2.1JTAG调试接口
它由测试访问端口TAP控制器、旁路寄存器、指令寄存器、数据寄存器以
及JTAG接口兼容的ARM架构处理器组成。
处理器的每个引脚都有一个边界扫描单元将JTAG电路与处理器核逻辑电路联系起来，同时，隔离了处理器核逻
辑电路与芯片引脚。
所有边界扫描单元构成了扫描寄存器BSR，该寄存器电路仅在进行JTAG测试时有效，在处理器核正常工作时无效。
2.2.2JTAG接口控制指令
JTAG的调试接口电路如图2-2所示。
图2-2JTAG仿真接口
控制指令用于控制JTAG接口各种操作，控制指令包括公用指令和私有指令。
最基本的公用指令有[7]：
1．BYPASS：
旁路偏上系统逻辑指令，用于未被测试的芯片，即把
TPO旁路（一个时钟延迟>。
2．EXTEST：
片外电路测试指令，用于测试电路板上芯片自己建是否连
TDI
与
上。
3．IDCODE：
读芯片
ID码指令，用于识别电路板上的芯片。
4．INTEST：
片内测试指令，边界扫描寄存器位于TDO与TDI引脚之间，处理器核逻辑输入和输出状态被该寄存器捕获和控制。
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2.3本章小结
这一章节中，主要介绍了数码相框主芯片介绍了S3C2440的一种调试电路JTAG。
S3C2440的性能以及结构特征，并
个
升级会员 