将开发板设计拆解为10个部分,教你DIY属于年轻人的第一块全志Linux开发板

原创
01/10 10:25
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本项目是基于全志F1C200S设计的开源屏幕开发板,设计的目标是提供一个低成本、超迷你且适合Linux开发的平台,特别是针对屏幕接口的支持。

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项目简介

开发板板载16M nor flash,主控芯片采用F1C200S,内置64M DRAM。同时附带USB Host接口以及USB type-c口,以及CH340串口转USB芯片,用于开发调试使用。

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硬件设计

由于芯片功能繁多,开发板设计也相对复杂,为了教会大家自己DIY开发板,作者将开发板设计的硬件部分按功能拆分为了10个不同的知识点,来对开发板整体设计进行全面介绍和详细讲解电路原理。

全志F1C200S主控

全志F1C200s是一款高度集成、低功耗的移动应用处理器,支持高清视频解码,包括H.264、H.263、MPEG 1/2/4等格式,同时还具备音频编解码器和I2S/PCM接口,适用于多媒体音视频设备。

芯片基于ARM 9架构,并SiP了DDR,这样的配置使其外围电路在设计时会非常简单,非常适合作为入门级的Linux开发板。该部分原理图如下图所示:

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  • SVREF用于给DRAM提供参考电压,该部分所需电压为VCC_DRAM/2
  • 2VCC_DRAM为DRAM供电,电压为2.5V
  • VCC_IO为GPIO供电,电压为3.3V
  • VCC_CORE为核心供电,电压为1.2V
  • AVCC为模拟供电,该部分非常重要,不接会导致USB Host无法枚举设备,同时需要注意该引脚供电范围为2.5V-3.1V,不可以使用3.3V供电,会导致内部电路损坏。
  • X1为24M晶振,为芯片提供时钟信号,采用22pF负载电容。

SDMMC接口

SDMMC接口用于接入Micro SD卡,系统启动时,可以从SD卡中加载U-Boot,内核,RootFS,实现Linux启动。

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如上图所示,相关线路说明如下所示:

  • CLK: SDMMC时钟,每个时钟周期传输一个命令或数据位。频率可在0至25MHz之间变化。SD卡总线管理器可以自由产生0至25MHz的频率,没有任何限制
  • CMD: 命令传输线,命令通过该CMD线串行传输
  • D0~D3: 数据通过这些数据线传传输
  • 按照SDMMC规范,SDMMC线路还需要增加10K上拉电阻,如果没有可以会影响数据传输,本原理图中R7-R11即上拉电阻。同时,为了保证电源质量,增加了C22滤波电容
  • SHELL引脚为SDMMC连接器固定引脚,此处接地处理,CD引脚用于探测SD卡是否插入,这一块悬空未使用

CH340串口转USB

此电路用于用户连接系统调试中断使用,其功能为将TTL串口转换为USB接口,使得用户可以在电脑中连接该串口进行调试。

需要注意的是,由于F1C200S的UART0接口(PE0/PE1引脚)被触摸的I2C接口占用,所以本开发板将CH340的串口连接到了F1C200S的UART1(PA2/PA3引脚)上,后续编译U-Boot和内核时我们需要相应的修改代码。

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如上图所示,该部分除了串口转USB外,还兼顾了系统的供电。

  • 用户通过Type-C线缆连接该调试口后,将同时为开发板供电
  • 板上的5.1K电阻用于双头Type-C线缆识别从机,为其供电
  • 如果R12,R13不焊接会导致使用双头Type-C线时板子没有供电
  • D2为TVS瞬态抑制二极管用于保护PCB板上元件,防止静电击穿原件

三路DC-DC接口

该部分主要为主控芯片提供供电,采用SY8089A1AAC,单路最大输出电流2A。

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  • SVREF用于给DRAM提供参考电压,该部分所需电压为VCC_DRAM/2
  • 2VCC_DRAM为DRAM供电,电压为2.5V
  • VCC_IO为GPIO供电,电压为3.3V
  • VCC_CORE为核心供电,电压为1.2V
  • AVCC为模拟供电,该部分非常重要,不接会导致USB Host无法枚举设备,同时需要注意该引脚供电范围为2.5V-3.1V,不可以使用3.3V供电,会导致内部电路损坏。
  • X1为24M晶振,为芯片提供时钟信号,采用22pF负载电容。

在该模块中,我们使用了2520电感,与普通的电感相比,体积更小,但是2520电感在DCR(即直流电阻)参数上,会比普通的电感大一点,电感值的计算公式可以参考下方:

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  • L为计算出的电感容量
  • Vout为降压芯片输出电压
  • L为计算出的电感容量
  • Vin为降压芯片输入电压
  • Fsw为芯片开关频率,SY8089取1.5Mhz,也就是1500000Hz
  • Iout,max为最大输出电流

如下图所示,本开发板电感值直接参考SY8089数据手册文档,折中后取1.5Uh:

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芯片的反馈电阻控制着芯片的输出电压,可以参考下方公式计算:
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  • Rh为上端分压电阻阻值
  • Rl为下端分压电阻阻值
  • 0.6V指的是芯片的Vfb,也就是反馈电阻
  • Vout即最终的电压输出值
  • 在这里,我们需要确定Rl和Vout,然后将其代入公式,计算出Rh
  • 为了最大限度地减少轻负载下的功耗,最好为 RH 和 RL 选择较大的电阻值。强烈建议 RL 使用 10k 到 200k 之间的值

AVCC 3V LDO

该部分用于AVCC 3V供电,使用XC6206 3V LDO,位号为U10,由于较为简单,此处不在详细说明。

SPI Nor Flash

Nor Flash为F1C200S芯片提供了第二种启动方式。

  • 上电后,F1C200S首先从内部BROM (芯片内置,无法擦除)启动
  • 首先检查 SD0 有没有插卡, 如果有插卡就读卡 8k偏移数据,是否是合法的启动数据, 如果是BROM 引导结束, 否则进入下一步
  • 第二步:检测SPI0 NOR FLASH是否存在, 是否有合法的启动数据, 如果是BROM 引导结束, 否则进入下一步
  • 第三步:检测SPI0 NAND FLASH 是否存在, 是否有合法的启动数据, 如果是BROM 引导结束, 否则进入下一步
  • 最后,因为找不到任何可以引导的介质,系统会进入usb fel模式,此时可以使用USB烧录

此处SPI Nor Flash可以同时兼容Nand Flash,不过目前裸机资料基本上都是以SPI Nor Flash为基础,所以此处焊接了W25Q128JVEIQ 128Mbit(16Mbyte)SPI Nor Flash。

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  • R4为上拉电阻(F1C200S内部也存在上拉电阻,可以不焊),防止未供电时芯片错误写入数据
  • C16为滤波电容
  • SW2为FEL模式开关,将SPI_MISO短路到地后,F1C200S将无法检测到SPI Nor Flash,从而进入USB Fel模式,此时可以松开按键,烧录内容至SPI Nor Flash
  • /WP为SPI Nor Flash保护引脚,低电平有效,有效时无法写入数据
  • /HOLDor/RESET为SPI Nor Flash保持或者复位输入引脚。
  • 最后,因为找不到任何可以引导的介质,系统会进入usb fel模式,此时可以使用USB烧录

外部IO接口

此处引出了未使用的IO,用户可连接其他设备,C35为滤波电容,用于保证电源质量,该部分引脚功能可以参考下图(来源:芯片数据手册14/15页):
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USB OTG/USB TYPE-C

该部分连接到了芯片的DP/DM引脚,为芯片的USB接口。

USB Type-C用于USB Fel模式烧录系统,无供电输入/输出能力。

USB OTG处可用于连接其他USB设备,带5V输出,当然也可以接双头USB Type-A线缆用于USB Fel模式。

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需要注意的是,开发板中没有连接ID线(ID线用于识别USB模式),所以在编写设备树时,我们需要强制指定USB模式为主机或从机。

背光驱动

该部分用于驱动RGB屏幕背光,标准40Pin RGB屏幕基本采用串联背光,由于本身开发板供电只有5V,所以我们需要使用背光驱动芯片升压到合适的电压,来驱动屏幕背光。

同时,背光驱动芯片采用恒流控制,可以避免电流过大导致背光LED烧毁,该部分原理图如下所示:

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  • C19 C20为滤波电容,C19电容的耐压需要特别考虑,一般的RGB屏背光电压基本在18V以上(白光LED压降3V*6串),过低的电容耐压会导致电容损坏
  • BL_CTR为芯片背光控制引脚,此处直接接入了上拉,再开发时可以将BL_CTR引脚接入F1C200S的PWM引脚上,这样可以灵活控制屏幕亮度,同时,有恒流驱动的存在,控制亮度时,背光也不存在明显的频闪
  • L1 为升压电路的电感,按照要求一般取10uh或22uh即可,不需要使用公式详细计算,但是需要注意电流不能超过电感额定电流

R5为芯片的反馈电阻,用于调节输出的电流,计算公式可参考下方:

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此处我们选择20ma,所以R1=0.25/0.020(Ω) = 12.5Ω,就近取12Ω。

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如上图,下方说明了LED为2并5串,额定电流为40ma,我们为了保险,选择了20ma,亮度会有所损失。

40Pin RGB/触摸接口

此处参考屏幕数据手册即可,由于F1C200S只支持RGB565,RGB666,此处使用RGB666,屏蔽了RGB三色的低2位,这样最终色彩影响比较小,同时,F1C200S内置色彩抖动,可以更加接近RGB888效果。

其中需要注意的是,CTP_SDA/CTP_SCL最好加上拉电阻,此处选用了内部上拉,所以并没有加电阻,该部分原理图如下所示:

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开发环境搭建

使用VSCode的DeviceTree插件,我们可以实现设备树文件的代码高亮,编辑c语言代码。

安装VSCode后,我们开始安装设备树插件,再商店中搜索DeviceTree插件,点击安装安装即可:

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同理,推荐读者同时安装中文汉化,搜索CN,参考下图安装即可,安装后按照要求重启VSCode即可使用。

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打开安装好的Ubuntu 18.04虚拟机,将需要分区的SD卡插入电脑USB口,并右键点击VMware右下角的USB存储器图标,点击连接,将SD卡连入虚拟机。具体操作过程如下图所示:

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点击桌面左下角图标,进入所有应用,然后搜索GPartd,可参考下图:

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此时需要输入密码,输入用户密码,提权到root用户,如下图所示:

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接着在右上角选择我们需要格式化的SD卡,默认为/dev/sda,这个是我们虚拟机的系统盘,我们需要切换到SD卡,此处一定要小心,sdb不一定是我们的sd卡。

完成切换后,右键点击如图所示位置,点击“卸载”,接着点击“删除”按钮删除SD卡中原有分区,最后点击确定,确认删除,具体过程可以参考下图。

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接着开始创建分区,首先创建boot分区,用于u-boot读取设备树、内核等文件,我们需要在分区前方空出一定的空间,用于u-boot以及SPL程序存放,如下图所示,首先点击左上角按钮,创建新分区,然后按照下图创建boot分区。

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此处为U-Boot以及SPL预留了1Mib的空间,完全足够存放这些程序。

接着创建rootfs分区,我们将剩下的空间全部作为rootfs,文件系统选择ext4,如下图所示:

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最后点击保存,确认后生效,拔出SD卡备用,操作可参考下图:

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开源资料获取

作者适配的U-Boot目前使用了master分支的U-Boot并给出了移植指南。由于后续master分支代码可能会存在更新,所以移植指南使用了最近的一个U-Boot版本来指导复刻打开发者进行修改和配置,编译出自己的U-Boot。

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本项目所有资料均已开源,软硬件都开源了,其中软件开源了:UBoot、Kernel、Buildroot:测试镜像下载地址等……想获取资料自己DIY学习的伙伴可以前往获取

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