《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Abstract:
Key words :

ATOM處理器采用突破性全新設(shè)計(jì)的45納米工藝,將4700萬個(gè)晶體管集成至一塊面積小于25mm2的單一芯片中,從而成為了英特爾史上體積最小、功率最低的X86處理器。由于性能出色,功耗很低,ATOM處理器非常適用于移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、低功耗移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)、基礎(chǔ)互聯(lián)網(wǎng)臺式機(jī),以及對功耗要求苛刻的工業(yè)應(yīng)用場合[1]。

本文針對工業(yè)控制系統(tǒng)小體積、低功耗的應(yīng)用需求,利用Intel最新的低功耗移動(dòng)ATOM處理器特點(diǎn),提出一整套工業(yè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

1 平臺架構(gòu)

Intel定義的“迅馳Atom處理器技術(shù)”整套平臺包括Intel Atom處理器(Silverthorne和Diamondville)、低功耗“伴侶芯片”(橋芯片)以及超薄超輕的設(shè)計(jì)。Diamondville與 945GSE橋芯片搭配組成Navy Pier平臺。Silverthrone和代號Pouslbo的橋芯片搭配組成Menlow平臺。Navy Pier平臺采用兩塊橋芯片,體積較大,主要適用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品,Menlow平臺中采用集成的橋芯片,整個(gè)平臺體積較小,功耗很低,非常適合工業(yè)平臺應(yīng)用,本文采用的是Menlow平臺的實(shí)現(xiàn)方案。

Menlow平臺主要由Poulsbo橋芯片和ATOM Z5××處理器組成。Poulsbo 橋芯片面積22 mm×22 mm,可提供兩條PCI-E x1插槽、1個(gè)IDE PATA 100接口、3個(gè)SDIO和MCC存儲卡插槽,內(nèi)部集成了USB 2.0控制器、內(nèi)存控制器、高清晰度音頻控制器、圖形核心等眾多模塊。在圖形核心方面采用GMA500核心,核心頻率高達(dá)200 MHz,支持DirectX 9、OpenGL和3.0+Shaders,同時(shí)支持硬件解碼H.264、MPEG2、MPEG4、WMV9等[2]。

本設(shè)計(jì)中采用單通道內(nèi)存控制器,可以支持DDR2 533和 DDR2-400。通過橋片擴(kuò)展了網(wǎng)口、LVDS、DVO口,4個(gè)USB口,1個(gè)PATA和SATA。音頻為HD Audio。其他的如RS232、系統(tǒng)燈指示、開關(guān)機(jī)控制則通過LPC總線擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)。

2 系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)

電源是 ATOM系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié),難度在于:(1)因?yàn)橐o多個(gè)功能模塊供電,需要采用很多開關(guān)電源,對整個(gè)系統(tǒng)的EMI電磁干擾影響很大。(2)要充分考慮電源的轉(zhuǎn)換效率。ATOM處理器主要用在便攜式的應(yīng)用場合,在選用器件時(shí),不但要保證功率足夠,還要經(jīng)濟(jì)高效。電池的供電時(shí)間,也是整個(gè)系統(tǒng)性能考核的重要一環(huán)。電源轉(zhuǎn)換時(shí)功率損失所產(chǎn)生的熱量也會造成系統(tǒng)溫度上升,導(dǎo)致系統(tǒng)散熱成本的增加。

在本設(shè)計(jì)中,利用LT4100實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理。VIN_3.3 V為常備電壓,只要外接電源或內(nèi)部電池有電,芯片7803就工作。該芯片主要是負(fù)責(zé)給EC供電。EC一旦檢測到開機(jī)按鍵信號,就產(chǎn)生開機(jī)脈沖 POWEREQ#,LT3780開始工作,電源管理電路開始運(yùn)行,后續(xù)電路依次使能。設(shè)計(jì)中選用SC454為CPU內(nèi)核供電芯片,該片是單相高性能PWM 控制器,專用于增強(qiáng)型IMVP-6和IMVP6+TM處理器。片內(nèi)支持所有IMVP-6/6+的需求,如有效電壓步進(jìn)、輸出電壓動(dòng)態(tài)可調(diào),深睡眠設(shè)置等。 SC454使用了遲滯控制技術(shù),比傳統(tǒng)的PWM控制器有著更快的反應(yīng)速度。刪除了敏感電阻,減少了功耗,簡化了PCB布板。集成智能化驅(qū)動(dòng)技術(shù)通過軟開關(guān)控制上下兩側(cè)的MOS管,有效減少了過沖、振鈴和EMI。該芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘使能腳CLKEN#和過熱指示信號VRTT#。在電源輸出穩(wěn)定后,CLKEN#打開系統(tǒng)時(shí)鐘芯片;過熱時(shí),VRTT#提供信號給橋片,關(guān)閉系統(tǒng)。SC454根據(jù)處理器負(fù)載情況調(diào)節(jié)核心電壓,負(fù)載上升時(shí),逐步下降電壓,從而能夠使高負(fù)載狀態(tài)下的CPU耗電量降低。從而確保系統(tǒng)有比較低的TDP、平均與主動(dòng)耗電量。

選用SC486產(chǎn)生DDR內(nèi)存的1.8 V電源,SC415產(chǎn)生橋片的內(nèi)核電壓+VCCP和輔助I/O電壓+V1.5S,SC454產(chǎn)生+VCC_CORE。在實(shí)際應(yīng)用過程中,上電次序很重要,一般情況下,先開SC486,輸出電壓穩(wěn)定后,再開SC415,+VCCP和+V 1.5S穩(wěn)定后才使能SC454,輸出+VCC_CORE。關(guān)機(jī)次序則相反。本項(xiàng)目采用CPLD實(shí)現(xiàn)了電源的開關(guān)機(jī)和低功耗處理,包括進(jìn)操作系統(tǒng)后的關(guān)機(jī)、待機(jī)、休眠以及重啟功能。

為了提高系統(tǒng)可靠性以及電磁兼容特性,電源的合理布局非常重要。正確的解決方案是在印制電路板的電源層按電源布局分割出相應(yīng)數(shù)量的電源塊。每個(gè)電源塊都應(yīng)保證足夠的面積以負(fù)荷工作電流,而且擁有各自獨(dú)立的返回地線以有效避免不同電源之間的干擾。其次還應(yīng)該在電源上加不同頻響段的退耦電容以保持電源的純凈。

3 時(shí)鐘拓?fù)?/span>

系統(tǒng)所需要的各種時(shí)鐘信號由時(shí)鐘發(fā)生器ICS9UMS9001 產(chǎn)生,特點(diǎn)如下:專為超級移動(dòng)PC(UMPC)設(shè)計(jì)的時(shí)鐘芯片,芯片內(nèi)部最大限度抑制EMI電磁干擾;外加14.318 MHz晶振為振蕩源;支持電源管理模式,具有低功耗和正常工作兩種模式。本設(shè)計(jì)中,將模式選擇輸入管腳和SC454的CLKEN#連接,確保在CPU內(nèi)核上電時(shí),時(shí)鐘發(fā)生器工作,在休眠、待機(jī)等情況時(shí),同步進(jìn)入低功耗模式。

4 系統(tǒng)音頻

Pouslbo內(nèi)部集成了HD Audio數(shù)字音頻控制器。與傳統(tǒng)的AC’97相比,HD Audio具有數(shù)據(jù)傳輸帶寬寬、音頻回放精度高、支持多聲道陣列麥克風(fēng)音頻輸入、CPU的占用率更低和底層驅(qū)動(dòng)程序可以通用等特點(diǎn)。在本設(shè)計(jì)中,在外部擴(kuò)展了一片符合 HD Audio規(guī)范的 CODEC 編解碼芯片 ALC888,即可實(shí)現(xiàn)通用音頻功能,音頻放大器采用 SM2303[5]。ALC888是一個(gè)7.1+2通道的HD Audio編解碼芯片,具有2路立體聲輸入ADC,10路DAC輸出,幾乎可以同時(shí)支持7.1音頻回環(huán)、2路立體聲輸出。該芯片有2個(gè)SENSE信號線,帶有插入感知功能,可以感知音頻插頭插入和拔除。Pouslbo的HD Audio數(shù)字音頻控制器通過專門的“Azalia Link”總線與 ALC888通信。具體信號線分別是位時(shí)鐘(Bit Clock)、 串行數(shù)據(jù)輸出(Serial DatOut)、串行數(shù)據(jù)輸入(Serial Data In)、同步信號(Sync)和復(fù)位信號(Reset#)。位時(shí)鐘頻率為24 MHz,由Pouslbo產(chǎn)生。

要想音頻品質(zhì)良好,在 PCB布線時(shí)模擬信號及回路必須與數(shù)字電路隔離,音頻電路的模擬部分對數(shù)字噪聲非常敏感。防范噪聲的最好措施是遵循“功能分區(qū)”的原則,建立一個(gè)獨(dú)立的模擬信號區(qū)域,以完全隔離模擬部分與數(shù)字部分的所有元件、信號通路、電源層以及接地層。一般將該區(qū)域放在板子的邊緣,以盡量縮短信號線,減少音頻信號線受干擾的可能。ALC888模數(shù)劃分很清晰,沒有交叉的區(qū)域,布板很方便[4]。

5 系統(tǒng)視頻 LVDS、DVO

Pouslbo內(nèi)部集成了GMA 500,配備了硬件解碼支持,可以支持MPEG-4 AVC(H.264),可以在不給CPU帶來額外負(fù)載的同時(shí)播放VC1(WMV9)、MPEG-2、MPEG-4視頻。Pouslbo內(nèi)部集成了 LVDS、SDVO接口,可以直接引出。本設(shè)計(jì)中液晶顯示屏選用Philips 的LP121×04,該屏12.1英寸,1024×768像素,具有LVDS接口,使用很方便。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需求,擴(kuò)展了一路DVO的接口。

6 外部接口

網(wǎng)絡(luò)控制芯片選用了Realtek瑞昱公司64Pin LQFP封裝的RTL8111,該片基于PCI-Express接口,真正解決了目前標(biāo)準(zhǔn)PCI接口對于千兆網(wǎng)卡帶寬不足的問題。集成了10/100 /1000轉(zhuǎn)換器,支持遠(yuǎn)程喚醒和網(wǎng)絡(luò)喚醒,兼容802.3系列協(xié)議,支持PCIE 1.1協(xié)議。該片嵌入了帶有自適應(yīng)均衡器的PCIE物理層,PCB布線長度可以達(dá)到40英寸,設(shè)計(jì)使用很方便。

Pouslbo只支持PATA口。本設(shè)計(jì)中采用JM20330實(shí)現(xiàn)SATA/PATA轉(zhuǎn)換,該片包含了串行 ATA 的物理層、連接層、傳輸層以及并行ATA 的控制器(應(yīng)用層),符合串行ATA1.0a的協(xié)議,支持1.5 GHz的數(shù)據(jù)速率,主從模式可以通過跳線設(shè)置,支持PIO模式、UDMA模式[5]。

Pouslbo內(nèi)部集成了USB接口,通過濾波器直接引出到端口。本設(shè)計(jì)中,引出了4個(gè)USB外部接口。

7 LPC總線

Pouslbo內(nèi)部集成了LPC總線控制器。LPC總線是 Intel為了取消慢速的ISA而制定的一個(gè)新規(guī)格[3]。以前在ISA上跑的硬件,例如鍵盤、鼠標(biāo)、串口、并口等慢速外圍都可用支持 LPC 的SUPER IO芯片控制,而且在軟件上是完全兼容的。本設(shè)計(jì)中,選用的LPC外部嵌入式芯片為IT8513,主要負(fù)責(zé)外接鍵盤、電池電量、系統(tǒng)指示燈、開關(guān)機(jī)操作并通過ADM3202實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換,擴(kuò)展引出兩路串口。系統(tǒng)BIOS芯片也掛接在LPC總線上。上電開機(jī)后,由橋片提供時(shí)鐘,讀BIOS固件內(nèi)容,引導(dǎo)系統(tǒng)啟動(dòng)。

系統(tǒng)BIOS采用Phoenix BIOS 6.0源代碼軟件包,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。BIOS按功能可分為四個(gè)大的模塊:加電自檢 POST(Power On Self Test)部分、基本的中斷服務(wù)例程、系統(tǒng)BIOS設(shè)置和引導(dǎo)加載。POST提供了一系列診斷例程來測試系統(tǒng)組件,初始化數(shù)據(jù)區(qū)并報(bào)告系統(tǒng)信息[6]。一般說來, POST測試通過后基本能保證各硬件設(shè)備的正常工作,從而使得系統(tǒng)正常運(yùn)行。

對于低功耗平臺來說,性能已經(jīng)不是衡量的唯一標(biāo)準(zhǔn),甚至不是最重要的標(biāo)準(zhǔn),而低功耗和低發(fā)熱量才是最大亮點(diǎn)。本系統(tǒng)在沒有散熱片的情況下不但完成了所有的調(diào)試和測試,而且還保持了非常低的溫度。實(shí)測系統(tǒng)板在帶固態(tài)硬盤不接屏、運(yùn)行WindowsXP操作系統(tǒng)時(shí),平均功耗為5.96W,待機(jī)為5.6W。帶屏測時(shí),平均功耗為9.39W,待機(jī)為6.39W。目前市面上普通的2.8Ah的3節(jié)鋰離子電池,正常使用時(shí)可以續(xù)航4h以上。整機(jī)體積較小,實(shí)際尺寸為 10 cm×6 cm。

整機(jī)測試中,系統(tǒng)可以在WindowsXP操作平臺上連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行 3DMark等測試軟件超過24 h,完全能滿足特定的低功耗工業(yè)用途。本系統(tǒng)已成功應(yīng)用到客戶的便攜式移動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,通過了軍方組織的高低溫、淋雨、振動(dòng)、跌落及沖擊試驗(yàn),穩(wěn)定性符合要求。性能也達(dá)到目前相似商用平臺的水平,表1為采用EVEREST v5.50.2100軟件常溫下進(jìn)行的測試數(shù)據(jù)。對比臺灣某專業(yè)公司的商用平臺,本主板在浮點(diǎn)運(yùn)算、CPU性能、內(nèi)存讀寫等方面的測試數(shù)據(jù)均與之不相上下,達(dá)到了原定各項(xiàng)性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)

[1] Intel Centrino AtomTM Processor Technology Design Guide. March 2009, Revision 2.1.

[2] External Design Specification (EDS) System Controller Hub (Intel SCH) Small Form Factor. February 2009, Revision 2.1.

[3] Intel Low Pin Count (LPC) Interface Specification,August 2002,Revision 1.1.

[4] Intel AtomTM Processor and Intel System Controller Hub US15W Layout Checklist ,June 2008 Revision 2.1.

[5] Menlow Platform Crown Beach Customer Enabling Board Schematics. November 2007,Revision 1.5.

[6] 韓山秀. BIOS的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī), 2005,22(11):1132,115.

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