基于ARM的平板电脑硬件平台设计

2010年1月,苹果公司发布了iPad平板电脑，从此为IT行业带来了一个全新的产业[1]。平板电脑在性能方面介于手机和笔记本电脑两者之间，兼顾二者的优点，给人们提供了一款操作简单、视觉优良、上网快速、视频流畅、游戏丰富的便于随身携带的电子本。鉴于平板电脑的流行性和前沿性，可将它搭建为实践平台，让学生在这个平台上自由地开发各种应用软件，从而达到学习与实践的目的。平板电脑的特色决定了它必须具有体积小和功耗低的特性，但如果采用以往的分立式元件来设计，势必无法实现这两点。然而，得益于集成电路的高速发展，以前需要很多电路才可以完成的功能现在都被高度整合到了片上系统(SoC)之中，ARM处理器就是其中的佼佼者。由于ARM建立起了良好的软硬件生态环境，所以目前市场上绝大多数移动设备都采用了ARM处理器。本文提出的平板电脑的设计架构，其CPU采用基于ARM公司的CortexTM-A8系列处理器，在Android操作系统环境下完成了应用软件的开发及交叉编译[2]。

1 硬件电路的系统设计
为降低系统开发难度，方便二次开发，系统采用核心板加扩展板的设计方案，核心板和扩展板之间通过连接器相连，这样可以在核心板不变动的情况下，更改扩展板的功能组成，以适应不同的需求。

系统硬件电路中的核心板电路主要包括系统的控制中心CPU(S5PV210）、存储设备Flash和SDRAM(DDRⅡ)、电源、时钟(1 GHz)、复位、RTC等电路；扩展板电路则包括USB(USB Host和USB OTG)控制器、串行口(UART)、SD卡/MMC卡控制器、摄像头接口、LCD控制器、键盘控制器、触摸屏控制、HDMI、WIFI、音频等电路[3]，如图1所示。

其中最核心的芯片是三星公司的S5PV210，其内核为最适宜于消费产品使用的ARM CortexTM-A8[4]，指令集为ARM V7，主频可达1 GHz，具有64/32 bit内部总线结构、32/32 KB数据/指令一级缓存、512 KB二级缓存，可以实现200 DMIPS(每秒运算2亿条指令集)的高性能运算能力[5]。S5PV210提供了丰富的外围接口，本设计使用了其中的串行、LCD、DMA、USB、WIFI、HDMI等接口。

考虑到系统设计的复杂性，本文重点介绍了电源系统和LCD屏的硬件设计。

1.1 电源系统的分配

由于本设计外扩了许多功能，各部分所使用的电压不尽相同，同时为了提高电源驱动能力，在设计中对整个系统进行了电源系统的分配，如图2所示。
 

整个电源系统首先将外接电源9 V通过DC/DC转换为5 V电压；然后根据不同的设备需求，采用DC/DC或LDO进行电压转换分配，本设计中DC/DC变换除了液晶的背光是升压型的，其余都是降压型的。LDO主要用于对纹波要求较小的外设电源。

图3所示为9 V转5 V的输入电源电路,其中DC/DC变换采用美国芯源公司的MP1482芯片。首先开机，按住 SW12(即电源键)，MOS 管 Q5 的栅级由高电平变为低电平，MOS 管导通，MP1482的使能脚EN被拉高，VDD_IN(9 V)变换为VDD_5V，即5 V电压产生;随后，依次将各路电压打开，程序开始运行，在 bootloader [2]中将底板中网络标号为 PWR_LOCK 的 GPIO 口拉高，这时三极管 Q6 导通，MOS 管 Q5 维持导通。至此，可以松开电源按键，整个电源已经置锁。

如需要关机,再次按下电源键。因网络标号为 ON/OFF_INT的GPIO口在程序中设置为中断口,当电源按键按下后，则该中断口有一个从高电平到低电平的跳变,触发中断产生；程序检测到该中断后，将 PWR_LOCK 脚拉低，实现关机。当然，还可以通过短按和长按实现睡眠唤醒和关机。

1.2 LCD屏的硬件设计

S5PV210自带显示控制器，可以将总线上的图像数据和视屏缓冲区里的数据传输到外部LCD接口上。它支持三种LCD接口类型:RGB接口、间接I80接口和YUV接口，本设计采用RGB接口。三星9.7寸IPS屏LTN097X02是一个完整的具有LED背光系统的彩色有源矩阵液晶显示器，采用了LVDS接口，以使整个模块达到低功耗、高速且低EMI的要求。但由于S5PV210的显示控制器不支持LVDS接口，所以外接电路需要实现RGB到LVDS的转换电路。本设计选用DOESTEK DTC34LM85A做为LVDS发送器，完成RGB接口到LVDS接口的时序转换[6]，整个转换过程如图4所示。
 

在进行PCB布局时，LVDS差分信号线在走线时的物理长度要等长并尽可能短；LVDS差分信号对的差分阻抗必须控制在接近100 ?赘；LVDS差分信号对的间隔至少保持两个线宽的距离。

2 功耗测试

本设计在完成了基于ARM的平板电脑硬件平台的搭建后进行了整机功耗测试，如表1所示。测试结果证明该设计具有很强的实用价值[7]。
 

目前，该平台上已成功运行了Andriod操作系统，并交由学生进行应用软件的开发。本设计的创新点是将目前流行的前沿科技引入到教学活动中来，自主设计价廉物美的学习平台。