浅谈PXA270在嵌入式系统的应用

　　0引言

　　随着嵌入式系统的发展，产品功能与功耗越来越成为系统设计所要考虑的重要方面。根据IEEE（电气和电子工程师协会）的定义，嵌入式系统是"控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置"（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。基于Intel XScale架构的PXA270处理器，集成了存储单元控制器、时钟和电源控制器、DMA控制器、LCD控制器、AC97控制器、I2S控制器、快速红外线通信（FIR）控制器等外围控制器，可以实现丰富的外围接口功能。其低电源运行模式以及动态电源管理技术可以有效的降低电源的功耗。基于这些优点，使得PXA270广泛的应用于智能手机、PDA、Web记事本、远程通信、医疗器械等领域。

　　1PXA270处理器简介

　　PXA270是Intel公司开发的基于XScale架构的处理器，内核采用ARMv5TE,外围控制器众多。内置了Intel的无线MMX技术，能够显着的提升多媒体性能，此外PXA270也包含了Intel的SpeedStep技术，能够根据需要动态调节CPU的性能，真正实现了低功耗，高性能。同其他XScale处理器一样，支持多种嵌入式操作系统，如Linux、Windows、WinCE、Nucleus、Palm OS、VxWorks、Java等。PXA270的技术特点Quick Capture   Quick Capture为成像设备与无线设备提供接口，有助于改进图像质量以及降低产品整体成本，该项技术包括快速浏览、快速拍照和快速视频拍摄三种操作模式。该技术使得Bulverde可以支持400万象素数码镜头，并能提供416Mbit的数据传输速率。Speed Step技术可以智能切换空闲、待机和深层睡眠三种低功耗状态，以提高动态电压管理性能，可在一定程度上缓解目前手持设备普遍存在电池续航能力较弱的现象，在保证CPU性能的情况下，限度地降低移动设备功耗。

　　2系统硬件组成

　　整个系统以PXA270处理器为，以音频输入输出接口，红外接口，红外接口英文简称为IrDA,是Infrared Data Association（红外线数据标准协会）的英文缩写，IrDA红外接口是一种红外线无线传输协议以及基于该协议的无线传输接口。支持IrDA接口的掌上电脑，可以无线地向支持IrDA的设备无线连接来实现信息资源的共享，红外接口是新一代手机的配置标准，它支持手机与电脑以及其他数字设备进行数据交流。红外通讯有着成本 低廉、连接方便、简单易用和结构紧凑的特点，因此在小型的移动设备中获得了广泛的应用。通过红外接口，各类移动设备可以自由进行数据交换。10/100M自适应以太网口，触摸屏接口等为外围接口，通过宽温高亮度LCD实现视频输出。系统框图如图1所示。

　　2.1 Intel XScale PXA270处理器的系统存储器接口

　　Intel XSclae PXA270处理器集成了存储单元控制器，其外部的存储总线接口支持：SDRAM、FLASH、ROM、SRAM、PC卡等。

　　2.1.1 SDRAM电路的设计

　　SDRAM选用Hynix的HY57V561620C,其组织形式为4 Banks x 4M x 16Bit,单片容量

　　图1系统硬件组成框图

　　为32MB,采用3.3±0.3V单电源供电，封装形式为标准54引脚TSOP-II,属于16位的数据总线宽度，选用两片并联的方式，使SDRAM的总线宽度达到32位。两片SDRAM的32条数据线分别连到PXA270的高16位地址和低16位地址上。HY57V561620C的时钟频率分了100MHz~166MHz四个档，这里选用133MHz这一档的芯片。

　　2.1.2 FLASH电路的设计

　　嵌入式应用程序一般直接存在板子上的Flash芯片中，根据应用的不同可选用不同容量和速度的芯片，在这里选用的是Intel的同步FLASH 28F256L18,单片容量为32MB,采用1.8V 单电源供电，封装形式为标准79脚的VF BGA,选用两片并联的方式，使FLASH的总线宽度达到32位。两片FLASH的32条数据线分别连到PXA270的高16位地址和低16位地址上。

　　2.2 系统电源设计

　　系统采用TPS65020为PXA270供电，此解决方案除了高效率之外还可以提供业界的瞬态响应，且不会影响静态电源电流和效率，是便携设备处理器电源的理想解决方案。

　　2.2.1 TPS65020芯片简介

　　TPS65020是德州仪器推出的一款电源转换芯片，该器件可以满足基于XScale的多媒体设备的电源需要。TPS65020电源管理单元集成了高性能模拟构建块，可帮助由单节锂离子（Li-ion）电池供电的应用支持多种电压。该器件带有三个具备集成FET的同步降压DC/DC转换器、三个线性稳压器（LDO）以及一个I2C通信接口，可实现全面的可编程性与内核电压的动态缩放。LDO是low dropout regulator,意为低压差线性稳压器，是相对于传统的线性稳压器来说的。传统的线性稳压器，如78xx系列的芯片都要求输入电压要比输出电压高出2v~3V以上，否则就不能正常工作。但是在一些情况下，这样的条件显然是太苛刻了，如5v转3.3v,输入与输出的压差只有1.7v,显然是不满足条件的。针对这种情况，才有了LDO类的电源转换芯片。

　　2.2.2 TPS65020供电原理

　　TPS65020包含的三个同步降压转换器在大负载电流时，一般运行在1.5MHZ固定频率的脉宽调制。在轻负载电流时，转换器自动进入电源省电模式，并运行在脉冲频率调制。VDCDC1转换器能传送1.2A的输出电流，VDCDC2转换器能传送1A的电流，VDCDC3转换器能传送800mA的电流。三个转换器的输出电压是由DEFDCDC1,DEFDCDC2,DEFDCDC3三个管脚分别来设置。本设计中将DEFDCDC1,DEFDCDC2,DEFDCDC3一并连接到VCC上，所以，VDCDC1,VDCDC2,VDCDC3的电压分别为3.3V,2.5V,和1.55V.

　　LDO1默认设置电压是1.3V,LDO2默认设置电压是1.1V.它们分别为PXA270处理器的VCC-PLL和VCC-SRAM管脚提供电压。PXA270处理器供电的典型配置如图2所示。

　　图2 Intel  PXA270处理器供电的典型配置

　　2.3 系统音频输入输出设计

　　UCB1400是飞利浦半导体公司推出的专为液晶显示器手持设备开发的混合信号音频解码/编码芯片。在一个芯片上集成了音频解码/编码功能、一个触屏控制器和功率管理接口，UCB1400与英特尔音频解码/编码器97 （AC'97元件规格2.1版本完全兼容，可与众多嵌入式处理器的AC-Link主机控制器通信，如英特尔基于XScale微结构的各系列处理器。

　　本系统采用PHILIPS公司生产的编/解码芯片UCB1400与PXA270通过AC-LINK连接，输出的信号通过芯片LM4800放大，再通过耳机实现音频输出设计。

　　2.4 系统10/100M自适应网口设计

　　采用SMSC公司的LAN91C111自适应以太网控制器芯片与PXA270通过控制总线，地址总线，和数据总线相连。以太网是Xerox公司发明的基带LAN标准。它采用带冲突检测的载波监听多路访问协议（CSMA/CD），速率为10Mbps,传输介质为同轴电缆。以太网是在20世纪70年代为解决网络中零散的和偶然的堵塞而开发的，而IEEE802.3标准是在初的以太网技术基础上于1980年开发成功的。现在，以太网一词泛指所有采用CSMA/CD协议的局域网。以太网2.0版由数字设备公司、Intel公司和Xerox公司联合开发，它与IEEE802.3兼容。以太网和IEEE802.3通常由接口卡（网卡）或主电路板上的电路实现。以太网电缆协议规定用收发器将电缆连到网络物理设备上。收发器执行物理层的大部分功能，其中包括冲突检测及收发器电缆将收发器连接到工作站上。

　　LAN91C111是专为嵌入式系统设计的，其外围相对比较简单，它与PXA270以及电磁耦合变压器 TG110-S050N2、 RJ-45接口构成嵌入式以太网，实现10/100M自适应网口设计。

　　2.5 系统触摸屏设计

　　采用PHILIPS公司生产的UCB1400芯片与PXA270的AC97控制器连接，即可实现触摸屏功能。

　　基于ARM核的 Intel XScale微体系结构的处理器 PXA270中的AC97控制器与UCB1400通讯，可以实现触摸屏上笔触点数据的采集。PXA270对UCB1400寄存器的地址进行了映射，这样可以通过PXA270的地址直接访问 UCB1400的寄存器，读取存在其中的笔触点的各类数据值，整个实现过程简单、方便。

　　2.6 系统红外接口设计

　　PXA270的标准UART口集成有符合IrDA 1.0协议的红外编、解码器，将其与安捷伦SIR标准型红外收发器HSDL-3600连接便可组成串口红外通信系统。

　　2.7 系统视频输出设计

　　PXA270内部集成了功能较强的LCD控制器，、驱动器及输入输出缓冲。支持STN或TFT显示，支持单色或几种彩色像素格式，支持单或双扫描面板显示，支持每象素点18位、19位、24位和25位（bpp）。推荐的显示分辨率是800x600.可编程决定插入等待状态是在行首或者行末，可在52MHz-25.4KHz范围内编程显示每象素点的时钟频率，也可编程设置帧时钟、行时钟和使能信号的极性。

　　本系统通过宽温高亮度LCD实现视频输出，把液晶屏的数据线与CPU的相应引脚相连即可。采用北京技博科技有限公司生产的6.4寸宽温高亮液晶显示器（嵌入式）。分辨率：VGA（640×480），亮度：1200nits,工作温度-40-70℃。

　　3 软件实现

　　PXA270支持多种嵌入式操作系统，如Linux、Palm OS、Windows CE等。其中Windows CE是一个全新开发的模块化的图形用户界面。支持多任务操作，支持多种 CPU,拥有良好通信能力。是一款高性能、高效率的实时操作系统。

　　Windows CE.net的开发主要包括两个重要的方面，一个是内核定制，一个是应用程序的开发，Microsoft 公司提供了Microsoft Windows CE Platform Builder作为嵌入式操作系统定制的集成开发环境。Platform Builder集成开发环境（IDE）提供了所有进行设计、创建、编译、测试和调试Windows CE.net操作系统平台的工具。它运行在桌面Windows下，本系统所用的CPU为PXA270,选择Platform Builder 5.0来开发。Windows CE.net操作系统的开发步骤如下图3所示。

　　图3 Windows CE.net操作系统的开发步骤

　　4 结论

　　基于Intel XScale PXA270处理器与宽温高亮度LCD技术相结合的嵌入式系统，运行速度快，性能稳定，功能扩展方便，功耗低。

　　本文创新点：1.采用宽温高亮度LCD实现嵌入式系统的视频输出，可以广泛应用于工业自动控制、航空、航海等领域以及超低温等恶劣环境。2.系统采用TI的TPS65020电源管理芯片为处理器供电，完全解决了PXA270的供电问题，是嵌入式处理器电源的理想解决方案之一。