基于ATOM处理器的工业控制系统实现

ATOM处理器采用突破性全新设计的45纳米工艺，将4 700万个晶体管集成至一块面积小于25 mm2的单一芯片中，从而成为了英特尔史上体积最小、功率最低的X86处理器。由于性能出色，功耗很低，ATOM处理器非常适用于移动互联网设备、低功耗移动互联网计算机、基础互联网台式机，以及对功耗要求苛刻的工业应用场合[1]。

本文针对工业控制系统小体积、低功耗的应用需求，利用Intel最新的低功耗移动ATOM处理器特点，提出一整套工业控制系统设计方案。

1 平台架构

　Intel定义的“迅驰Atom处理器技术”整套平台包括Intel Atom处理器（Silverthorne和Diamondville）、低功耗“伴侣芯片”（桥芯片）以及超薄超轻的设计。Diamondville与945GSE桥芯片搭配组成Navy Pier平台。Silverthrone和代号Pouslbo的桥芯片搭配组成Menlow平台。Navy Pier平台采用两块桥芯片，体积较大，主要适用于消费电子类产品，Menlow平台中采用集成的桥芯片，整个平台体积较小，功耗很低，非常适合工业平台应用，本文采用的是Menlow平台的实现方案。

　Menlow平台主要由Poulsbo桥芯片和ATOM Z5××处理器组成。Poulsbo 桥芯片面积22 mm×22 mm，可提供两条PCI-E x1插槽、1个IDE PATA 100接口、3个SDIO和MCC存储卡插槽，内部集成了USB 2.0控制器、内存控制器、高清晰度音频控制器、图形核心等众多模块。在图形核心方面采用GMA500核心，核心频率高达200 MHz，支持DirectX 9、OpenGL和3.0+Shaders，同时支持硬件解码H.264、MPEG2、MPEG4、WMV9等[2]。
　本设计中采用单通道内存控制器，可以支持DDR2 533和 DDR2-400。通过桥片扩展了网口、LVDS、DVO口，4个USB口，1个PATA和SATA。音频为HD Audio。其他的如RS232、系统灯指示、开关机控制则通过LPC总线扩展实现。系统框图[5]如图1所示。

2 系统电源的设计

　电源是ATOM系统设计的一个重要环节，难度在于：(1)因为要给多个功能模块供电，需要采用很多开关电源，对整个系统的EMI电磁干扰影响很大。(2)要充分考虑电源的转换效率。ATOM处理器主要用在便携式的应用场合，在选用器件时，不但要保证功率足够，还要经济高效。电池的供电时间，也是整个系统性能考核的重要一环。电源转换时功率损失所产生的热量也会造成系统温度上升，导致系统散热成本的增加。

在本设计中，利用LT4100实现电池的充放电管理。VIN_3.3 V为常备电压，只要外接电源或内部电池有电，芯片7803就工作。该芯片主要是负责给EC供电。EC一旦检测到开机按键信号，就产生开机脉冲POWEREQ#，LT3780开始工作，电源管理电路开始运行，后续电路依次使能。设计中选用SC454为CPU内核供电芯片，该片是单相高性能PWM控制器,专用于增强型IMVP-6和IMVP6+TM处理器。片内支持所有IMVP-6/6+的需求，如有效电压步进、输出电压动态可调，深睡眠设置等。SC454使用了迟滞控制技术，比传统的PWM控制器有着更快的反应速度。删除了敏感电阻，减少了功耗，简化了PCB布板。集成智能化驱动技术通过软开关控制上下两侧的MOS管，有效减少了过冲、振铃和EMI。该芯片提供系统时钟使能脚CLKEN#和过热指示信号VRTT#。在电源输出稳定后，CLKEN#打开系统时钟芯片；过热时，VRTT#提供信号给桥片，关闭系统。SC454根据处理器负载情况调节核心电压，负载上升时，逐步下降电压，从而能够使高负载状态下的CPU耗电量降低。从而确保系统有比较低的TDP、平均与主动耗电量。

选用SC486产生DDR内存的1.8 V电源，SC415产生桥片的内核电压+VCCP和辅助I/O电压+V1.5S，SC454产生+VCC_CORE。在实际应用过程中，上电次序很重要，一般情况下，先开SC486，输出电压稳定后，再开SC415，+VCCP和+V 1.5S稳定后才使能SC454，输出+VCC_CORE。关机次序则相反。本项目采用CPLD实现了电源的开关机和低功耗处理，包括进操作系统后的关机、待机、休眠以及重启功能。如图2所示。

为了提高系统可靠性以及电磁兼容特性，电源的合理布局非常重要。正确的解决方案是在印制电路板的电源层按电源布局分割出相应数量的电源块。每个电源块都应保证足够的面积以负荷工作电流，而且拥有各自独立的返回地线以有效避免不同电源之间的干扰。其次还应该在电源上加不同频响段的退耦电容以保持电源的纯净。

3 时钟拓扑

系统所需要的各种时钟信号由时钟发生器ICS9UMS9001 产生，特点如下:专为超级移动PC（UMPC）设计的时钟芯片，芯片内部最大限度抑制EMI电磁干扰；外加14.318 MHz晶振为振荡源;支持电源管理模式，具有低功耗和正常工作两种模式。本设计中，将模式选择输入管脚和SC454的CLKEN#连