超大型多功能吊装装备的嵌入式智能前端硬件设计(8)
（2）降低功耗
考虑到设备现场环境的苛刻，必需降低嵌入式单元对电源的负担，因此在设计时要尽量降低系统功耗，首先微处理器和外设要选择具有超低功耗性能的型号；其次通过控制芯片的电源电压、集成度、输出电平以及工作频率以达到降低功耗的效果。
（3）电路设计具有可扩展性
硬件设计不同于软件设计，因为软件的功能升级只需要添加或修改程序即可实现，而硬件的升级或扩展却没有软件升级的便利。因此在硬件设计时要充分考虑硬件系统的扩展性，并充分留有一定余地以便于以后的修改和补充。
（4）软件替代硬件
软件相比较于硬件在性能上更稳定，抗干扰能力强，且更容易检查发现错误，所以原则上对需要实现的功能尽量使用软件来替代硬件，一来简化硬件系统，使设计更加简明，二来提高系统稳定性和可靠性，使系统出错率降到最低。
（5）合理布局布线
为了得到更高的精度和抗干扰能力，在电路布局时要将电阻尽量靠近芯片，同时注意和器件之间距离不能太近，避免干扰，亦不可太远，使布局过于离散，浪费板材和线路。同时电源线和接地线要单独划分开，线路应当加粗。在布局时还要注意尽量避免线路交叉，同时兼顾线路最短，节省材料。总之要最大限度减少干扰，同时布局及线路简洁明晰，并且最大限度节约材料成本。
3.2 嵌入式单元硬件总体设计
本文中对嵌入式单元平台的硬件设计尚为原型，主要包括电源、2个时钟源、JTAG调试端口、1个液晶触摸显示屏、2路RS232接口、1路RS485接口、1路CAN接口、1路以太网接口、1个USB接口、FLASH闪存、SD卡、EEPROM存储器。硬件总体设计结构图如图3.1所示。
图3.1 嵌入式单元硬件总体设计结构图
系统的主控制器将采用内核为Cortex-M3的STM32芯片。STM32芯片系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的Cortex-M3内核。
系统的电源有两种，一种是直接通过电源适配器提供的5V直流电压，还有一种是经过电压转换芯片转换后的3.3V直流电压。外接电压不足时将由3V电池对系统供电，文持RTC系统时钟模块正常运作。
系统的通信接口模块分为以太网接口、CAN接口、RS485接口、RS232接口以及USB接口。其中以太网通信是系统中最重要的功能，是实现远程监控的关键技术。CAN接口、RS485接口和RS232接口负责现场设备和嵌入式单元之间的数据通信与交流，完成对传感器的数据采集以及对PLC等现场设备发送控制命令的任务。USB接口提供了USB外设与系统之间数据读写与存储的可能。
系统的存储模块有FLASH闪存模块，EEPROM存储模块以及SD卡存储模块。FLASH模块用于高速存储运算的场合；EEPROM用于需要多次擦写存储的场合；SD卡可用于存储大量设备运行信息的场合。
系统的LCD触摸显示屏可以双向传送数据，一方面显示设备运作状况，一方面可通过操作触摸屏对现场操控。
最后，系统的JTAG调试模块用于在线调试与烧写程序。当然，系统的功能模块今后还会进一步完善，因此在此系统的硬件设计中还预留有接口以便功能扩展。
3.3 STM32最小系统设计
单片机的最小系统，或者称为最小应用系统，是指用能使单片机正常工作的最少元件所组成的系统。最小系统一般包括主控制器、电源模块、时钟源模块、复位模块以及JTAG调试接口。
3.3.1 主控芯片
STM32系列32位闪存微控制器基于ARM Cortex处理器拥有一系列的32位产品，具有高性能、实时功能、数字信号处理、低功耗、低电压操作特性，同时还具有高集成度和易于开发的特点，为用户提供新的开发自由度[16]。STM32使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核，它是为功耗和价格敏感的应用领域而专门设计的、具有较高性能的处理器，应用范围包括了可编程逻辑控制器(PLC)、工控网络、警报系统等工业控制领域。Cortex-M3处理器使用ARMv7-M体系结构，是一个可综合的、高度配置的处理器。它包含了一个高效的哈佛结构三级流水线，可提供1.25DMIPS/MHz的性能。Cortex-M3处理器实现了Thumb-2指令集架构，具有很高的代码密度，可降低存储器需求，并能达到非常接近32位ARM指令集的性能。Cortex-M3处理器在高性能内核基础上，集成了多种系统外设，可以满足不同应用对成本和性能的要求。