基于ARM的平板電腦硬件平臺設計

王茜

（電子科技大學成都學院 微電子技術系,四川 成都611731）

2010年1月,蘋果公司發(fā)布了 iPad平板電腦，從此為IT行業(yè)帶來了一個全新的產業(yè)[1]。平板電腦在性能方面介于手機和筆記本電腦兩者之間，兼顧二者的優(yōu)點，給人們提供了一款操作簡單、視覺優(yōu)良、上網快速、視頻流暢、游戲豐富的便于隨身攜帶的電子本。鑒于平板電腦的流行性和前沿性，可將它搭建為實踐平臺，讓學生在這個平臺上自由地開發(fā)各種應用軟件，從而達到學習與實踐的目的。

平板電腦的特色決定了它必須具有體積小和功耗低的特性，但如果采用以往的分立式元件來設計，勢必無法實現(xiàn)這兩點。然而，得益于集成電路的高速發(fā)展，以前需要很多電路才可以完成的功能現(xiàn)在都被高度整合到了片上系統(tǒng)(SoC)之中，ARM處理器就是其中的佼佼者。由于ARM建立起了良好的軟硬件生態(tài)環(huán)境，所以目前市場上絕大多數(shù)移動設備都采用了ARM處理器。本文提出的平板電腦的設計架構，其CPU采用基于ARM公司的CortexTM-A8系列處理器，在Android操作系統(tǒng)環(huán)境下完成了應用軟件的開發(fā)及交叉編譯[2]。

1 硬件電路的系統(tǒng)設計

為降低系統(tǒng)開發(fā)難度，方便二次開發(fā)，系統(tǒng)采用核心板加擴展板的設計方案，核心板和擴展板之間通過連接器相連，這樣可以在核心板不變動的情況下，更改擴展板的功能組成，以適應不同的需求。

系統(tǒng)硬件電路中的核心板電路主要包括系統(tǒng)的控制中心 CPU(S5PV210）、存儲設備 Flash和 SDRAM(DDRⅡ)、電源、時鐘(1 GHz)、復位、RTC等電路；擴展板電路則包括USB(USB Host和USB OTG)控制器、串行口(UART)、SD卡/MMC卡控制器、攝像頭接口、LCD控制器、鍵盤控制器、觸摸屏控制、HDMI、WIFI、音頻等電路[3]，如圖1所示。

其中最核心的芯片是三星公司的S5PV210，其內核為最適宜于消費產品使用的ARM CortexTM-A8[4]，指令集為 ARM V7，主頻可達 1 GHz，具有 64/32 bit內部總線結構、32/32 KB數(shù)據/指令一級緩存、512 KB二級緩存，可以實現(xiàn)200 DMIPS(每秒運算2億條指令集)的高性能運算能力[5]。S5PV210提供了豐富的外圍接口，本設計使用了其中的串行、LCD、DMA、USB、WIFI、HDMI等接口。

考慮到系統(tǒng)設計的復雜性，本文重點介紹了電源系統(tǒng)和LCD屏的硬件設計。

1.1 電源系統(tǒng)的分配

由于本設計外擴了許多功能，各部分所使用的電壓不盡相同，同時為了提高電源驅動能力，在設計中對整個系統(tǒng)進行了電源系統(tǒng)的分配，如圖2所示。

整個電源系統(tǒng)首先將外接電源9 V通過DC/DC轉換為5 V電壓；然后根據不同的設備需求，采用DC/DC或LDO進行電壓轉換分配，本設計中DC/DC變換除了液晶的背光是升壓型的，其余都是降壓型的。LDO主要用于對紋波要求較小的外設電源。

圖3所示為9 V轉5 V的輸入電源電路,其中DC/DC變換采用美國芯源公司的MP1482芯片。首先開機，按住 SW12(即電源鍵)，MOS管 Q5的柵級由高電平變?yōu)榈碗娖剑琈OS管導通，MP1482的使能腳EN被拉高，VDD_IN(9 V)變換為VDD_5V，即5 V電壓產生;隨后，依次將各路電壓打開，程序開始運行，在 bootloader[2]中將底板中網絡標號為 PWR_LOCK的 GPIO口拉高，這時三極管 Q6導通，MOS管 Q5維持導通。至此，可以松開電源按鍵，整個電源已經置鎖。

如需要關機,再次按下電源鍵。因網絡標號為 ON/OFF_INT的GPIO口在程序中設置為中斷口,當電源按鍵按下后，則該中斷口有一個從高電平到低電平的跳變,觸發(fā)中斷產生；程序檢測到該中斷后，將PWR_LOCK腳拉低，實現(xiàn)關機。當然，還可以通過短按和長按實現(xiàn)睡眠喚醒和關機。

1.2 LCD屏的硬件設計

S5PV210自帶顯示控制器，可以將總線上的圖像數(shù)據和視屏緩沖區(qū)里的數(shù)據傳輸?shù)酵獠縇CD接口上。它支持三種LCD接口類型:RGB接口、間接I80接口和YUV接口，本設計采用RGB接口。三星9.7寸IPS屏LTN097X02是一個完整的具有LED背光系統(tǒng)的彩色有源矩陣液晶顯示器，采用了LVDS接口，以使整個模塊達到低功耗、高速且低EMI的要求。但由于S5PV210的顯示控制器不支持LVDS接口，所以外接電路需要實現(xiàn)RGB到LVDS的轉換電路。本設計選用 DOESTEK DTC34LM85A做為LVDS發(fā)送器，完成RGB接口到LVDS接口的時序轉換[6]，整個轉換過程如圖4所示。

在進行PCB布局時，LVDS差分信號線在走線時的物理長度要等長并盡可能短；LVDS差分信號對的差分阻抗必須控制在接近 100 Ω；LVDS差分信號對的間隔至少保持兩個線寬的距離。

表1 整機功耗測試

2 功耗測試

本設計在完成了基于ARM的平板電腦硬件平臺的搭建后進行了整機功耗測試，如表1所示。測試結果證明該設計具有很強的實用價值[7]。

目前，該平臺上已成功運行了Andriod操作系統(tǒng)，并交由學生進行應用軟件的開發(fā)。本設計的創(chuàng)新點是將目前流行的前沿科技引入到教學活動中來，自主設計價廉物美的學習平臺。

[1]IT168評論.聊聊iPad從平板電腦現(xiàn)狀論后平板時代[EB/OL].(2011-01-12)[2012-09-01].http://tech.sina.com.cn//2011-01-12/01011629342.shtml.

[2]倪旭翔,計春雷.ARM Cortex-A8嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與實踐——WinCE與Android平臺[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]范書瑞,高鐵成.ARM處理器與C語言開發(fā)應用[M].北京:北京航空航天大學出版社，2008.

[4]ARM公司.Cortex-A8 technical reference manual[Z].2010.

[5]Samsung 公司.User’s manual-S5PV210X[Z].2009.

[6]DOESTEK公司.DTC34LM85A[Z].2003.

[7]佚名.32nm A5效果如何,蘋果新版iPAD2測試[EB/OL].(2012-05-04)[2012-09-01].http://pad.pconline.com.cn/reviews/1205/2775602.html.