便携式功率分析仪设计-----硬件设计(三)

3.3.5控制电路的设计

3.3.5.1 ARM芯片简介及其外围电路连接

LPC2138微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7TDMI-S CPU，并带有512kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。

较小的封装和很低的功耗使LPC2138特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和32kB的片内SRAM，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像，为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、2个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统。

主要特性：

32位ARM7TDMI-S核，超小LQFP64封装。 32kB的片内静态RAM和512kB的片内Flash程序存储器。128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率。 通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程（ISP/IAP）。单个Flash扇区或整片擦除时间为400ms.256字节行编程时间为1ms. EmbeddedICE RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。 2个8路10位的A/D转换器，共提供16路模拟输入，每个通道的转换时间低至2.44us. 1个10位的D/A转换器，可产生不同的模拟输出。 2个32位定时器/外部事件计数器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗。 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。 多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线（400 kbit/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP.向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。 小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口（可承受5V电压）。 多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。 通过片内PLL（100us的设置时间）可实现最大为60MHz的CPU操作频率。 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为1～30 MHz，与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz. 低功耗模式：空闲和掉电。 可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。 通过外部中断或BOD将处理器从掉电模式中唤醒。 单电源，具有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路： CPU操作电压范围：3.0V～3.6 V （3.3 V±10﹪），I/O口可承受5V的电压。

ARM7TDMI-S是一个通用的32位微处理器，它可提供高性能和低功耗。ARM结构是基于精简指令集计算机（RISC）原理而设计的。指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单得多。这样使用一个小的、廉价的处理器核就可实现很高的指令吞吐量和实时的中断响应。

由于使用了流水线技术，处理和存储系统的所有部分都可连续工作。通常在执行一条指令的同时对下一条指令进行译码，并将第三条指令从存储器中取出。

ARM7TDMI-S处理器使用了一个被称为THUMB的独特的结构化策略，它非常适用于那些对存储器有限制或者需要较高代码密度的大批量产品的应用。在THUMB后面一个关键的概念是"超精简指令集"。ARM7TDMI-S处理器基本上具有两个指令集：标准32位ARM指令集与16位THUMB指令集。

THUMB指令集的16位指令长度使其可以达到标准ARM代码两倍的密度，却仍然保持ARM的大多数性能上的优势，这些优势是使用16位寄存器的16位处理器所不具有的。这是因为THUMB代码和ARM代码一样，在相同的32位寄存器上进行操作。THUMB代码仅为ARM代码规模的65%，但其性能却相当于连接到16位存储器系统的相同ARM处理器性能的160%.

如图3-15所示，由于LPC2138芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其工作噪声容限较低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等方面也提出了更高的要求。

LPC2138可使用外部晶振或时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。倘若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率范围是1～30MHz，外部时钟频率范围是1～50MHz；若使用片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振和外部时钟频率范围均为10～25MHz.本设计使用了12MHz外部晶振，XTAL1和XTAL2为外部时钟输入脚，分别接12MHz无源晶震的两端。由于LPC2138内部已经集成了反馈电阻，只需要在无源晶振的两端各接一个电容就可以起振。根据LPC2138的芯片手册查表可知，12MHz无源晶振的外接负载电容应为18pF.此外，为了使系统更容易起振，在晶振的两端并接了一个1MΩ的电阻。

RESET引脚是一个施密特触发的复位端，带有一个额外的干扰滤波器。复位干扰滤波器使处理器可以忽略非常短的外部复位脉冲，它决定了RESET保证LPC2138芯片复位所必须保持的最短时间不得小于300ns.在本系统中，LPC2138上电后即开始工作，中间不需要进行复位。而且为了保证系统的稳定性，要求LPC2138在工作过程中不得复位。因此本系统的复位电路采用了专用微处理器电源监控芯片SP708S，以提高系统的稳定性。MR是SP708S的复位脉冲输入脚，当MR引脚上出现低电平时，SP708S立即输出复位信号，RESET引脚输出低电平使LPC2138复位。根据系统实际要求，现将MR引脚悬空，不接任何复位信号，系统上电后，SP708S的RESET引脚即输出恒为高（3.3VCC），保证系统在整个工作过程中不复位。

LPC2138的47个IO口被分为二组（P0口，P1口），P0组有31个，P1组有16个，均可通过设置相应的管脚功能选择寄存器来实现第二功能。本设计中，LPC2138与器件的连接采用双向I/O方式，将P0口和P1口设为普通I/O接口，利用P0口的16个I/O口作为数据/地址线（低8位数据/地址复用，高8位为地址线）。虽然整个系统中的数据最宽为12位（12位的A/D采样数据），但是由于选用了8位A/D芯片AD9480，所以数据输入输出线也相应的设为8位宽（P0.8～P0.15），LPC2138提供I 2 C总线和串行总线，但在系统实际设计中，我们利用通用I/O口模拟总线传输方式，利用P0.27～P0.30模拟ARM的读写控制WR，RD以及ALE，CS.