阳维力ARM数码相框硬件设计方案.docx

1、阳维力ARM数码相框硬件设计方案个人资料整理 仅限学习使用基于 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

2、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

3、组合。关键词 数码相框；嵌入式； ARM个人资料整理 仅限学习使用The Hardware Design of Digital Frame Based onARM9AbstractNowadays， with the mass popularity of digital cameras and high-pixel camera phones， one kind of digital photo frame came into being， whose core function is preservation，playback and browsing of digital pictures

4、 Picture viewer of digital photo frame call browse pictures in memory card directly and play slides with the chosen picturesThis product solve defects which digital photos need to be viewed by computersTherefore, I write this thesis， Development of Digital Photo Frame Based on Embedded ARM PlatformA

5、s an embedded product，the core component CPU is from the high price. performance， high power-performance ARM architecture series ， Samsung S3C2440A ； The LCD screen supports doubleprecision scanning Linux kernel version is 2.6.12 ； The system software is busy box， bash and so onARM processor have ma

6、ture portable Linux system，built Compared with the image display and file management function of most digitalphoto frame,my image display realizes the function ： moving photo by touch； I designed thefile management function as windows explorer It has plentiful managing functionAndeasyfor users who i

7、s familiar with windows to operate ，and ready for upgrading to the nextgenerations segmental product-digital albumThe systemskey point is system migration of the platform based on ARM and the QT application design First of all ， introduce the project backgrounds and developments of this design。 Seco

8、ndly, analyze the project hardware and software architecture and propose the design specifications.Keywords digital frame。 embedded system。 ARM个人资料整理 仅限学习使用摘要 IAbstract II第 1章绪论 11.1 课题背景 11.2 数码相框的国内外的发展状况 11.3 简介 ARM921.4 论文的主要内容 3第 2 章介绍 S3C2440 以及 JTAG 调试接口 42.1 概述 S3C244042.2 ARM JTAG 调试接口 52.2

9、.1 JTAG 调试接口 62.2.2 JTAG 接口控制指令 62.3 本章小结 7第 3 章数码相框硬件设计 83.1 用户功能需求分析 83.1.1 图片显示功能 83.1.2 音乐播放功能 83.1.3 文件管理功能 83.1.4 系统设置功能 83.1.5 用户按键功能 93.2 系统硬件结构 93.3 电源电路设计 93.4 复位及时钟电路设计 113.4.1 复位电路 113.4.2 时钟电路 123.5 FLASH 电路设计 123.5.1 特性 133.5.2 Boot loader 功能 133.5.3 引脚配置 133.5.4 NAND FLASH 接口电路 143.6

10、SDRAM 电路设计 143.7 USB 接口电路设计 173.7.1 USB 接口基本原理与结构 173.7.2 S3C2440的 USB 主机控制器 193.7.3 数码相框中 USB 接口电路 193.8 串口电路设计 20个人资料整理 仅限学习使用3.8.1 串行接口基本原理与结构 203.8.2 S3C2440中的 UART 结构 233.8.3 数码相框中的串行接口电路 243.9 LCD 接口电路设计 253.10 I2S 音频接口电路设计 263.10.1 S3C244的 I2S 结构 273.10.2 数码相框 I2S 电路 283.11 本章小结 28结论 30致谢 31参

11、考文献 32附录 A33附录 B37个人资料整理 仅限学习使用第1章绪论1.1 课题背景Digtal Photo Frame 或 Digital Album ，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 LG Phlips LCD ，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

12、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

13、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 10

14、00 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”的重要个人资料整理 仅限学习使用因素则在于整个数码相框产业链的日渐成熟与完善。

15、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

16、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，

17、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

18、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

19、 。1.3 简介 ARM9ARM 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个人资料整理 仅限学习使用授权，全称“ Advanced RISC Machines Ltd ”。 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 ARM CPU，版

20、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 120MHz200MHz ，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

21、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 Windows CE,Linux,Palm OS 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

22、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。个人资料整理 仅限学习使用第 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

23、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 AdvancedMicro controller Bus Architecture (AMBA 。S3C2440A 的杰出的特点是其核心处理器 (CPU，是一个由 Advanced RISC Machines 限公司设计的 16/32 位 ARM920T 的 RISC 处理器。 ARM920

24、T 实现了MMU ， AMBA BUS 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：11. 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 16KB DCache/MMU 微处理器。2外部存储控制器 (SDRAM 控制和片选逻辑 。3LCD 控制

25、器 (最大支持 4K 色 STN 和 256K 色 TFT提供 1 通道 LCD 专用DMA。44 通道 DMA 并有外部请求引脚。53 通道 UART(IrDA1 . 0, 64 字节 Tx FIFO ，和 64 字节 Rx FIFO。62 通道 SPI 。71 通道 IIC-BUS 接口 (多主支持 。8通道 IIS-BUS 音频编解码器接口。9AC97 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

26、 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。个人资料整理 仅限学习使用JTAGIPA31:0指令 cache外部协处理指令 MMU器接口C13ID31:0ARM9TDMIAMBA处理器核CP1总线（内部嵌入5DD31:0写缓I/F的ICE）冲器c13DVA31:0写回 PA Tag数据 cacheWBPA3

27、1:0RAM数据 MMUDPA31:0LCD LCD控制器 DMAUSB主控器外部总线控制器NAND控制器NAND FlashBoot loader时钟发生器UART0,1,2USB设备SDI/MMC看门狗定时器总线控制仲裁器 / 译码器SPI 0,1AHB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）I 2CI 2SGPIORTSADC定时器 /PWM0-3,4 内部）图 2-1 S3C2440 结构框图2.2 ARMJTAG 调试接口JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组 是一种国

28、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 技术是一种嵌入个人资料整理 仅限学习使用式调试技术，她在新片内部封装了专门的测试电路 TAP(Test Access Port，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-System Progrommable，在系统编程

29、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

30、 2-2 JTAG 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 ：1BYPASS：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。3IDCODE ：读芯片ID 码指令，用于识别电路板上的芯片。4INTEST ：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。个人资料整理 仅限学习使用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