基于ARM7—LPC2290数字核心板的硬件设计

丁煜晖?李红星

摘 要：本文设计了一种基于ARM7-LPC2290的最小系统的核心板的硬件部分。综合许多原理图设计理念，取优弃弊，模块思想，最小系统为综合考虑，能够满足教学和科研需求。结合测控技术与仪器系自主研发的扩展板可形成实验平台以实现数据的采集、显示和控制。测试的实验证明：该设计的LPC2290最小系统核心板，具有功耗低、体积小、成本低、抗干扰、性能稳定等特点，达到预期设计目标，满足嵌入式系统的学习与开发。

关键词：ARM7；最小系统；核心板

20世纪末，嵌入式计算机系统的诞生，标志了计算机进入了通用计算机系统与嵌入式计算机系统两大分支并行发展时代。进入20世纪90年代，嵌入式技术全面展开，集成电路和新型元器件在产业发展中的作用日益重要。硬件方面，不仅有各大公司的微处理器芯片，还有用于学习和研发的各种配套开发包。由于低层系统和硬件平台已经相对比较成熟，并且实现各种功能的芯片应有尽有。未来的嵌入式微处理器也向着体积小、重量轻、成本低、性能强、功耗低、可靠性高等方向继续发展。

在今日，嵌入式 ARM 技术已经成为了一门热门学科，无论是在任何电子类领域，都可以看到嵌入式 ARM 的影子。简单的单片机级别技术，已经落下了时代脚步，ARM 嵌入式技术正以几何的倍数高速发展。数字核心板是整个嵌入式系统的核心，为扩展板的良好运行提供支持。本身的低功耗、小型化设计使它可以与嵌入式仪器良好结合，从而应用于各种嵌入式仪器中。

本设计运用ARM7-LPC2290芯片，设计出具有实用意义的最小系统嵌入式系统核心板，并应用Protel 99 SE软件完成其硬件部分的设计，综合众多原理图设计理念，取优弃弊，结合实际，以功能模块做思想，经过细致的核对引脚，调整合理的布局，进行了多次整合，在其原理图上进行绘制修改。设计PCB采用四层板制板技术制板、并且安装元器件制成核心板，连接测控技术与仪器自主开发扩展板，实现“核心板+扩展板”层次模块化设计模式，形成实验平台使用者利用本实验平台可完成嵌入式基本硬件实验和嵌入式操作系统实验、实现嵌入式系统的入门与开发。

1.系统整体结构

ARM7是32位的单片机，它具有小型、快速、低能耗等特点，集成式RISC内核，价格低廉，高性能，集成度高。

本设计的核心板为基于ARM7- LPC2290的最小系统为基础对外提供丰富的外围I/O接口，通过这些核心板接口（尤其是GPIO口），因此可以很方便地在开发板上进行扩展电路实验以及根据一些特定的需要进行嵌入式系统的设计和开发。

一个嵌入式处理器自己是不能单独工作的，必须给他供电，加上时钟信号，并提供复位信号，如果芯片没有片内程序储存器，则还要加上储存系统，然后嵌入式处理器芯片才可能工作。这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。如图1所示最小系统原理图。

2.系统软件设计

选择嵌入式系统硬件进行设计时，最重要的是先选择ARM处理器类型并对其进行相关的分析。因为ARM处理器需求标准不仅决定了整个系统的性能，而且影响其他硬件的选用，以及操作系统和软件代码的配置。根据微处理器芯片的内部结构图和外部引脚功能图可以对系统进行整体的功能需求分析。电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，对于LPC2290系列微控制器，它有4组电源输入。理想情况下需要提供4组独立的电源，它们需要单点接地或大面积接地。甚至还有为系统中其他的部件提供更多种类的电源。

分析得到以下参数：①3.3V电源设计最大电流：600mA；②1.8V电源设计最大电流：300mA。

在了解功率消耗之后，需要选择合适的器件。因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开关电源，应当用低压差模拟电源（LDO）。合乎技术参数的LDO芯片很多，Sipex 半导体SPX1117是一个较好的选择，它的性价比高，易替代。如图2为以SPX1117芯片设计的末级电路。

尽管SPX1117允许的输入电压可达20V，但太高的电压使芯片的发热量上升，散热系统不好设计，同时影响芯片的性能。这样，就需要前级电路调整一下。如果系统可能使用多种电源，各种电源的电压输出不一样，就更需要前级调整以适应末级的输入。通过之前的分析，前级的输出选择为5V。如图3为以SPX1117芯片设计的前级电路。

如果以本ARM7内核嵌入式微处理器为中心，为其搭配完全相配接的SDRAM电路、Flash电路、电源电路、时钟晶振及复位电路和扩展总线等，保证嵌入式微处理器正常运行的系统，就可称为嵌入式最小系统。如图4基于ARM7-LPC2290的系统功能图。

本设计只提供最小系统核心板的硬件设计，如图5所示为其设计需求图。

根据设计需求可以基本确定出本设计的流程，其中较为重要的理论部分是最小系统各部分功能模块的原理图设计。此最小系统核心板由五大部分组成：电源、LPC2290、存储部分、系统时钟晶振、I/O接口。本设计需要设计的功能模块分别为：电源部分、系统存储部分、系统时钟的晶振部分、I/O接口。由此可以对各个模块所需要的芯片进行选型，然后确定原理图，进行PCB设计等，最终进行系统测试并完成设计。如图6所示为本设计的最小系统的硬件设计及系统测试流程图。

基于ARM7的最小系统核心板硬件设计完成后，通过由核心板上的扩展接口所引出的信号，根据用户自身的特定需求来扩展外围电路。整个系统硬件设计的最终是构建出一个具有体积较小、功耗较小、成本低、运行稳定的ARM嵌入式平台。通过以上的各方面的分析，收集整理资料，并不断进行更新信息。

硬件的设计，先是对原理图的设计，要将所有元器件按一定的逻辑关系连接起来。如图7所示为本设计核心板的PCB图。

基于ARM7-LPC2290的PCB制作

完成后。将其送往PCB板印制厂家，印制出核心板的裸板。然后焊接安装上元器件，则整个核心板的硬件就完成了制作。

3.总结

本文主要是围绕ARM7微处理器LPC而开展的最小系统核心板的硬件设计以及硬件调试。通过设计了解ARM7-LPC2290的结构与特点，掌握该类嵌入式微处理器的开发技术及软硬件初步的调试方法。从而熟悉嵌入式微处理器类的系统硬件开发流程，以及掌握开发过程和调试过程中相应问题的解决方案。最终，本设计的核心板通过测试分析，对核心板进行测试和修正，验证了核心板的性能。

参考文献：

[1]顾海洲，马双武.PCB电磁兼容技术——设计实践[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2]刘 凯.ARM嵌入式接口技术应用[M].北京：清华大学出版社，2009.

（作者单位：东华理工大学）