基于Cortex—A5和FPGA的嵌入式系统在便携式仪器中的应用

【摘 要】本文总结了便携式仪器的特点，并详细介绍基于Atmel公司Cortex-A5内核处理器和FPGA的平台系统相关硬件。本文给出了具体的硬件设计方法，并对设计原理进行了阐述和分析，同时对基于μC/OS-II的实时多任务操作系统的特性和优势进行了简要分析，完成了常用外围设备的控制设计。

【关键词】Cortex-A5；FPGA；嵌入式系统；便携式仪器；ATSAMA5D3

Applications of Cortex-A5 and FPGA-Based Embedded System in Portable Instrument

ZHANG Wei

（The 41st Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Bengbu Anhui 233006， China）

【Abstract】The paper presents the features of portable instruments，and introduces the related hardware which based on the cortex-A5 processor of Atmel Corporation and FPGA platform system in detail. In the paper， the specific design methods are presented， and the design principles and analysis are expatiated. At the same time， the brief analysis of the features and benefits based on the μC/OS-II real-time operating system is given， and peripheral devices are controlled succeed.

【Key words】Cortex-A5； FPGA； Embedded system； Portable instrument； ATSAMA5D3

0 引言

随着信息社会日新月异的发展，便携式仪器由于其集成度高、功耗低、功能全面、操作简单、机动性强、应用迅速等特点得到了广泛的应用，其应用范围超出了工业领域，几乎覆盖了社会生活的各个方面。

对于体积和功耗都有较高要求的便携式仪器，嵌入式操作系统提供了很多附加功能，减小了系统的有效空间，缩短了开发周期，节约了开发成本。本文所设计的便携式光电仪器采用基于ARM最新Cortex-A5内核处理器和FPGA的硬件平台，移植μC/OS-II 嵌入式操作系统开展软件设计，重点分析软、硬件设计方法。本方案简洁、高效、功耗较低，在中、高端仪器仪表领域有广阔的应用前景。

1 系统总体设计

本文提出一种基于Cortex-A5内核处理器和FPGA的便携式仪器平台。该平台的系统控制、显示部分、接口由Cortex-A5处理器实现，电机驱动、传感器信号采集和数据处理、电池电量读取等部分由FPGA完成。CPU选用Atmel公司的ATSAMA5D3，FPGA选用Xilinx公司的XC3S200AN，CPU与FPGA之间通信通过ATSAMA5D3的EBI接口控制FPGA寄存器实现。本平台采用μC/OS-II实时多任务操作系统，各项功能与驱动主要采用C语言编程实现，系统总体设计框图如图1所示。

2 硬件组成

2.1 ATSAMA5D3处理器外围电路设计

ATSAMA5D3 处理器的外围电路包括电源电路、存储器（DDR2和NAND Flash）电路、时钟电路、复位电路。

2.2.1 电源电路设计

本设计中，电源适配器輸出的13.5V作为系统的主电源，ATSAMA5D3处理器及其外围电路需要 3.3V、2.5V、1.8V、1.2V 电压，FPGA 需要 1.2V 的内核电压和 3.3V 的 IO 电压，USB 连接器和电机供电需要5V电压，其他模块如传感器、复位芯片等用到的电压为 3.3V。

电源管理方案如图2所示。首先将电源适配器输出的13.5V电源通过双路RT9018B分别产生5V和3.3V两路电源，5V电源一路为USB和电机供电，另外一路通过升压电源管理芯片TPS61040转换为16V为LCD供电；3.3V电源通过LP3985、RT8010和RT9018B分别转换为2.5V、1.8V和1.2V为ATSMA5D3和FPGA等芯片供电。通过LTC4006实时对锂离子电池的充放电管理。

2.2.2 存储器电路设计

ATSAMA5D3 控制器内部集成的多端口DDR-SDRAM 控制器支持低电压 DDR2（LPDDR）、DDR2、低电压 DDR1（LPDDR1）三种内存接口。综合考虑成本和性能后，本设计采用2片容量高达2Gb的DDR2 内存颗粒作为控制器的板级内存，型号为镁光公司的MT47H128M16RT-25EIT 。

NAND Flash数据掉电不丢失，与其他类型存储器相比，在相同大小的芯片内部可以储存更多的数据，占用 PCB 面积更小。本设计利用ATSAMA5D3片上静态存储器控制器和一根片选信号线控制镁光公司的 MT29F2G08 NAND Flash，通过处理器外部总线（EBI）与NAND Flash数据总线进行数据交换。

2.2.3 时钟及复位电路设计

外部晶振产生的时钟信号质量要比内部震荡电路产生的时钟信号更好，时钟频率更加准确。为保证时钟信号的稳定，本设计选择两个外部无源晶振频率分别提供 32.768kHz RTC时钟和12MHz 系统时钟。复位电路可以使系统从确定的状态开始运行，并且在系统出现异常时，强制系统回到正常工作状态，本设计方案采用美信公司的MAX811。

2.2 FPGA设计

FPGA通过I/O控制电机转动方向及转速，获取图像传感器、气压温度传感器、电池电量等数据信息，这些数据储存在不同地址空间内。ATSAMA5D3通过处理器外部总线（EBI）与FPGA通信，首先CPU通过NCS0片选FPGA，然后通过NRD和NEW确定执行读/写操作类型，最后由CPU发地址信息，完成与FPGA的数据交换。

3 电路板设计

在带有DDR的嵌入式系统主板中，设计PCB最难的部分莫过于DDR的布线设计。良好的布线就等于有了好的信号完整性和好的时序匹配，总线在高速输入/输出数据过程中就不会出错，甚至能够有更好的抗串扰和EMC能力。DDR总线并行传输且速率较高，在设计过程中如果没有按照严格的约束进行布线，在设备后期调试过程中，将会出现各种各样异常问题，甚至使系统根本无法启动。在进行PCB布局和布线时，DDR2布线要按照拓扑结构采取等长处理，尽可能保证每条信号线上过孔数量相同，并严格控制信号线的特征阻抗，具体规则如下：

1）差分时钟信号之间长度误差控制在+/-20mil，阻抗控制在100±10Ω；

2）数据线之间长度误差控制在+/-50mil，阻抗控制在50±5Ω；

3）控制信号以及地址线要和时钟线等长，布线长度不超过+/-100mil，阻抗控制在50±5Ω；

4）为了减小信号之间串扰，数据线之间间距>12mil，数据线与其他信号线间距>20mil。

4 软件设计

要实现光电仪器各项指标，电机各自由度运动的精确控制，图像、温度、气压和电池电量等信息实时获取，时间尺度应达到毫秒级，这些都需要一个实时操作系统的支持。本项目选择了μC/OS-II嵌入式实时操作系统作为应用软件的开发平台，该系统是一个源码公开、可移植、可固化、可裁剪、占先式实时多任务操作系统，整机各项功能与驱动主要采用C语言编程实现。整机软件由启动程序、升级程序和控制程序等组成。启动程序运行，进行必要的系统初始化，判断是否要进行软件更新，并将控制程序复制到DDR2中准备执行。升级程序在DDR2中运行，对系统地址进行重新映射，从U盘中读取更新数据（控制程序），写入NAND FLASH芯片的相应地址。在DDR2中运行的控制程序是本软件的核心，对整个硬件设备进行协调控制，接受用户的输入，驱动电机实际光纤推进、径向调整以及旋转操作、放电熔接、张力测试、熔接损耗以及加热等功能。

本项目的控制程序在μC/OS-II系统建立多项子任务，这些子任务分别为主菜单处理任务、温度气压和电量显示任务、时间显示任务、限位处理任务、按键扫描任务、防风盖任务、加热结束提示任务、复位任务、光纤自动接续任务、触摸屏任务等。这些任务的运行可来自用户的按键操作指令，也可依赖于触摸屏信号。软件通过中断服务子程序给相应的任务发送信号量，等到信号量的任务开始运行。当检测到马达限位和正常防风罩操作时，分别发出对应的信号量。

5 结语

本文介绍了基于ARM Cortex-A5 内核的32位微处理器和FPGA为核心的系统设计方案，采用μC/OS-II操作系统通过编程实现了整机各项功能，ATSAMA5D3处理器可以稳定的工作在 500MHz 频率下，2Gb容量的 DDR2和2Gb容量的NAND Flash均可以正常工作，电机控制、传感器数据采集与处理功能稳定。本方案具有系统功耗低、处理速度快、性能稳定等特点，目前，采用本方案的便携式仪器已经批量生产和销售，用户反应良好。此外，本方案通用性强，还可以应用于消费电子产品中。

【参考文献】

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[5]张鹏.嵌入式DDR总线的布线分析与设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2008，5：8-10.

[责任编辑：朱丽娜]

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