便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)-----硬件設(shè)計(jì)（三）

由于使用了流水線技術(shù)，處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的所有部分都可連續(xù)工作。通常在執(zhí)行一條指令的同時(shí)對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并將第三條指令從存儲(chǔ)器中取出。

ARM7TDMI-S處理器使用了一個(gè)被稱為THUMB的獨(dú)特的結(jié)構(gòu)化策略，它非常適用于那些對(duì)存儲(chǔ)器有限制或者需要較高代碼密度的大批量產(chǎn)品的應(yīng)用。在THUMB后面一個(gè)關(guān)鍵的概念是“超精簡(jiǎn)指令集”。ARM7TDMI-S處理器基本上具有兩個(gè)指令集：標(biāo)準(zhǔn)32位ARM指令集與16位THUMB指令集。

THUMB指令集的16位指令長(zhǎng)度使其可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)ARM代碼兩倍的密度，卻仍然保持ARM的大多數(shù)性能上的優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)勢(shì)是使用16位寄存器的16位處理器所不具有的。這是因?yàn)門HUMB代碼和ARM代碼一樣，在相同的32位寄存器上進(jìn)行操作。THUMB代碼僅為ARM代碼規(guī)模的65%，但其性能卻相當(dāng)于連接到16位存儲(chǔ)器系統(tǒng)的相同ARM處理器性能的160%.

如圖3-15所示，由于LPC2138芯片的高速、低功耗和低工作電壓導(dǎo)致其工作噪聲容限較低，對(duì)電源的紋波、瞬態(tài)響應(yīng)性能、時(shí)鐘源的穩(wěn)定性和電源監(jiān)控可靠性等方面也提出了更高的要求。

LPC2138可使用外部晶振或時(shí)鐘源，內(nèi)部PLL電路可調(diào)整系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快(CPU最大操作時(shí)鐘為60MHz)。倘若不使用片內(nèi)PLL功能及ISP下載功能，則外部晶振頻率范圍是1～30MHz，外部時(shí)鐘頻率范圍是1～50MHz;若使用片內(nèi)PLL功能或ISP下載功能，則外部晶振和外部時(shí)鐘頻率范圍均為10～25MHz.本設(shè)計(jì)使用了12MHz外部晶振，XTAL1和XTAL2為外部時(shí)鐘輸入腳，分別接12MHz無(wú)源晶震的兩端。由于LPC2138內(nèi)部已經(jīng)集成了反饋電阻，只需要在無(wú)源晶振的兩端各接一個(gè)電容就可以起振。根據(jù)LPC2138的芯片手冊(cè)查表可知，12MHz無(wú)源晶振的外接負(fù)載電容應(yīng)為18pF.此外，為了使系統(tǒng)更容易起振，在晶振的兩端并接了一個(gè)1MΩ的電阻。

RESET引腳是一個(gè)施密特觸發(fā)的復(fù)位端，帶有一個(gè)額外的干擾濾波器。復(fù)位干擾濾波器使處理器可以忽略非常短的外部復(fù)位脈沖，它決定了RESET保證LPC2138芯片復(fù)位所必須保持的最短時(shí)間不得小于300ns.在本系統(tǒng)中，LPC2138上電后即開(kāi)始工作，中間不需要進(jìn)行復(fù)位。而且為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，要求LPC2138在工作過(guò)程中不得復(fù)位。因此本系統(tǒng)的復(fù)位電路采用了專用微處理器電源監(jiān)控芯片SP708S，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。MR是SP708S的復(fù)位脈沖輸入腳，當(dāng)MR引腳上出現(xiàn)低電平時(shí)，SP708S立即輸出復(fù)位信號(hào)，RESET引腳輸出低電平使LPC2138復(fù)位。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際要求，現(xiàn)將MR引腳懸空，不接任何復(fù)位信號(hào)，系統(tǒng)上電后，SP708S的RESET引腳即輸出恒為高(3.3VCC)，保證系統(tǒng)在整個(gè)工作過(guò)程中不復(fù)位。

LPC2138的47個(gè)IO口被分為二組(P0口，P1口)，P0組有31個(gè)，P1組有16個(gè)，均可通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的管腳功能選擇寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)第二功能。本設(shè)計(jì)中，LPC2138與器件的連接采用雙向I/O方式，將P0口和P1口設(shè)為普通I/O接口，利用P0口的16個(gè)I/O口作為數(shù)據(jù)/地址線(低8位數(shù)據(jù)/地址復(fù)用，高8位為地址線)。雖然整個(gè)系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)最寬為12位(12位的A/D采樣數(shù)據(jù))，但是由于選用了8位A/D芯片AD9480，所以數(shù)據(jù)輸入輸出線也相應(yīng)的設(shè)為8位寬(P0.8～P0.15)，LPC2138提供I 2 C總線和串行總線，但在系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們利用通用I/O口模擬總線傳輸方式，利用P0.27～P0.30模擬ARM的讀寫控制WR，RD以及ALE，CS.

JTAG接口電路采用ARM公司提出的標(biāo)準(zhǔn)20腳JTAG仿真調(diào)試接口，JTAG信號(hào)的定義及與LPC2138的連接電路如圖3-15所示。LPC2138支持通過(guò)JTAG串行端口進(jìn)行仿真和調(diào)試。跟蹤端口允許跟蹤程序的執(zhí)行。調(diào)試和跟蹤功能只在GPIO的P1口復(fù)用。這意味著當(dāng)應(yīng)用在嵌入式系統(tǒng)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，位于P0口的所有通信、定時(shí)器和接口外設(shè)在開(kāi)發(fā)和調(diào)試階段都可用。同時(shí)，ARM的P1.16～P1.23口通過(guò)連接JTAG插座，外接控制鍵盤。

3.3.5.2 D/A轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中D/A轉(zhuǎn)換電路輸出主要用于調(diào)整通道直流偏置以及為比較器提供外部參考電壓。D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度決定了通道偏置調(diào)整的步進(jìn)的最小值，同時(shí)也決定了外部觸發(fā)器的工作精度。因此，應(yīng)當(dāng)根據(jù)系統(tǒng)的需要選擇適當(dāng)位數(shù)的D/A轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)采用TI公司的4通道，8位D/A轉(zhuǎn)換器TLC5620.其特性如下：

四路8位電壓輸出D/A轉(zhuǎn)換器;

5V單電源工作;

串行總線接口;

高阻抗參考電壓輸入;

可編程1至2倍輸出范圍;

可方便地同時(shí)輸出更新;

內(nèi)部上電復(fù)位;

低功耗;

半緩沖輸出。

本設(shè)計(jì)中，TLC5620的外圍連接電路如圖3-16所示。圖中，REFA～REFD為參考電壓輸入端，這里均接到一個(gè)穩(wěn)定的2.5V電源上。TLC5620輸出信號(hào)(DACA～DACD)的電壓范圍可編程選擇為參考電壓的一倍或兩倍。LOAD、CLK、DATA為TLC5620的串行總線接口，通過(guò)這三根總線可對(duì)TLC5620編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。本設(shè)計(jì)中這三根總線與FPGA相連，實(shí)現(xiàn)由FPGA控制TLC5620相應(yīng)通道的輸出電壓。

此外，TLC5620的信號(hào)輸出端帶有施密特觸發(fā)器，從而使信號(hào)輸出端(DACA～DACD)具有較高的噪聲抑制能力。為了進(jìn)一步減小控制電壓上的噪聲，本設(shè)計(jì)中還在每個(gè)輸出端DACA～DACD各加了一個(gè)0. 1μF的電容進(jìn)行濾波。由圖3-18可以看出，TLC5620的通道A和通道B分別被用來(lái)作為信號(hào)通道偏置調(diào)整和外部比較器的比較電平，還需要在這兩個(gè)通道的輸出各加一級(jí)運(yùn)放使其輸出V G1和V G2能夠在-2.5V～2.5V之間調(diào)整，本設(shè)計(jì)選擇雙通道的運(yùn)放TL072.其負(fù)向輸入端接2.5V，在TL072的兩路輸出端均加了33μF和10μF的電容對(duì)此增益控制電壓進(jìn)行濾波，濾波后的電壓分別送去信號(hào)通道和比較器。