（信号与信息处理专业论文）舞台吊杆控制系统设计.pdf

中文摘要 中文摘要 随着新世纪的来临，人民的生活水平不断提高，观众对文化艺术的要求也随之 增长，并使得舞台机械技术的发展进入了一个新的阶段。在各方面高速发展的今 天，科学技术作为第一生产力在各方面得到充分地体现，而在舞台技术行业里尤为 突出。文化科技是文化艺术的重要载体，在促进艺术舞台的活跃繁荣的同时，还 应该不断地将当代先进的科学技术融入到舞台应用中，以满足当代观众的需求。 基于嵌入式技术的舞台控制系统不但要实现更多的功能，其可靠性和易操作性也 必须达到新的高度。 国外的舞台控制系统性能优越，但价格昂贵。本课题正是针对当前国内舞台 技术行业的现状而提出的，旨在开发能适应现代舞台发展需要的、能形成规模的 成熟产品。 本系统由主控制台、移动台和输入输出控制板三个部分构成。主控制台完成 数据、命令采集，并进行相应分析、处理。并对相关操作实施显示，直接控制舞 台设备的运行；移动台用于辅助主控台的操作，在必要时请求控制权，控制舞台 设备的运行；输入输出控制板是直接与机械设备打交道的，用于接收主控台命令 操作吊杆的实际运作，并实时发送吊杆当前状态。本系统硬件核心是s a m s u n g 公司出品的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 和a l t e r a 公司出品的可编程逻辑器件e p1c 6 ，软 件平台采用了源码开放的嵌入式操作系统l i n u x 和f p g a 设计方法。本文根据要求 的功能，对整个系统的设计需求进行了分析，然后介绍了整个方案的设计思路， 在设计方案中，主要描述了主控制台的设计。 论文主要分为六部分。论文首先介绍了舞台技术行业的一些基本概念；其次 介绍了舞台吊杆控制系统的整体构成和各个部分的功能；再其次详细说明整套系 统的硬件组成；然后详细讲述各功能模块的编程思路和实现；最后介绍系统的调 试与运行情况。 关键词：舞台吊杆，a r m ，l i n u x , f p g a a b s t r a c t a b s t r a c t t oe n t e rt h e21s tc e n t u r y , w i t ht h ei m p r o v e m e n to ft h ep e o p l e sl i f e ，t h ea u d i e n c e s r e q u i r et oc i v i l i z a t i o na n da r ti ss i m u l t a n e o u s l yi n c r e a s e d ，w h i c hg r e a t l yi m p r o v et h e d e v e l o p m e n to ft h es t a g em e c h a n i s mt e c h n o l o g y t o d a y , w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to f l i v i n gi na l la s p e c t s ，t h es c i e n c ea n dt e c h n o l o g ya st h ef i r s tc a u s ed e m o n s t r a t e di na l l f i e l d sf u l l y , p a r t i c u l a r l yi nt h es t a g em e c h a n i s mt e c h n o l o g yf i e l d t h ec i v i l i z a t i o na n d a r ti sb a s e do nt h es c i e n c e ，s ow es h o u l dc o n t i n u o u s l yd r a wo nt h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y t ob o o s tt h ed e v e l o p m e n to ft h es t a g ea r ta n dt oa p p l yt ot h ed e v e l o p m e n to ft h es t a g e a p p l i c a t i o n ，w h i c hm e e tt h ea u d i e n c e sr e q u e s t st os t a g ea r t t h en e w s t y l es t a g ec o n t r o l s y s t e mi sn e e d e dm o r ed e p e n d a b l ea n dh a n d i l yo p e r a t i o n a l t h ef o r e i g ns t a g ec o n t r o ls y s t e mh a st h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eb u th i g hp r i c e w i t ht h en e e df r o mt h ef a s td e v e l o p m e n to ft h en a t i v es t a g et e c h n o l o g yt h i sp r o j e c ti s b r o u g h tf o r w a r dt oa c h i e v et h ei n t e g r a t ep r o d u c tw h i c h c a l lm e e tt h en e e do ft h em o d e m s t a g ea r t t h i ss y s t e mi sc o m p o s e do fp r i m a r yc o n t r o lp a n e l ，m o v ec o n t r o lp a n e la n d i n p u t o u t p u tc o n t r o lp a n e l t h ep r i m a r yc o n t r o lp a n e lf u l f i l l s t h ed a t aa n dt h eo r d e r c o l l e c t i o na n dp r o c e s sa n dc o n t r o l ss t a g ef u m i t u r ed i r e c t l y m o v ec o n t r o lp a n e lc o n t r o l s s t a g ef u r n i t u r e a tt h ea p p r o p r i a t et i m e i n p u t o u t p u tc o n t r o lp a n e lc o n t r o l ss t a g e m e c h a n i s md i r e c t l y , a tt h es a m et i m er e c e i v e sa n ds e n d si n f o r m a t i o nf r o mm o t o r s t h i s s y s t e mm a s t e rc o n t r o lk e r n e li sb a s eo nt h ea r m 9p r o c e s s o r s 3c 2 4 4 0 ，s a m s u n g , a n d f p g ap r o c e s s o re p1c 6 ，a l t e r a t h es o f t w a r ep l a t f o r mi sa no p e ns o u r c er t o s l i n u xa n df p g at e c h n o l o g y i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h ed e m a n do ft h ec o n t r o ls y s t e mi s a n a l y z e da c c o r d i n gt o t h ec u s t o m i z e df u n c t i o n t h es c h e m ep l a n n i n gi sd e s c r i b e d d e t a i l e d t h i st h e s i si sd i v i d e di n t os i xp a r t s f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cs i t u a t i o n o fs t a g em e c h a n i s mi n d u s t r y s e c o n d l y , t h ep a p e rs h o w st h es t r u c t u r ea n dt h ef u n c t i o n o ft h i ss y s t e m t h i r d l y , t h ep a p e ri l l u m i n a t e st h es t r u c t u r eo fs y s t e mh a r d w a r ed e t a i l e d l y f o u r t h l y , t h ew a y o fp r o g r a m m i n gt oe v e r yp a r to fs o f t w a r ei sd e t a i l e d l yd i s c u s s e d a t l a s t ，t h ed e b u g g i n ga n dw o r k i n go ft h i ss y s t e mi sp r e s e n t e d a b s 仃a c t k e y w o r d s ：s t a g es u s p e n d e r , a r m ，l i n u x ，f p g a i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名：螽绳聋 日期：1 耵月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：拯导师签名：盂盎皇一 醐力吁秽月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内舞台技术行业概述 随着人民生活水平地不断提高，使得观众对文化艺术的要求也随之增长。近 年来，各个地方兴起了文化设施建设的热潮，迫切需用高技术设备来装备新建的 剧场，从而促进和带动了剧场建设的发展，也大大推动了我国舞台机械及装备事 业的前进。 传统的中国舞台艺术以戏曲为主，主要表现为在表演艺术的高度综合性、虚 拟性和对程式的纯熟应用上。所以在传统的中国戏曲舞台，比如，宫廷戏台、民 间寺庙等，并没有机械设备，然而西方戏剧在相当长的时期中主要依靠布景、道 具和剧场建筑及设备。直n - 十世纪初，随着镜框式舞台传入国内，在上海、广 州、北京等地的剧场有了简单的舞台机械设备。比如：人力推动的小转台、手动 吊杆等，但是设备极其简陋。从某种意义上讲，解放前我国舞台机械几乎是一片 空白。 新中国建立后，各种文化活动日益增多，使得中国传统戏曲与西方剧目在国 内同时并举，促进了剧场的建设，同时对剧场和设备提出了新的要求。在五十年 代初就兴建了一批有代表性的典型剧场，配备了一定数量的舞台机械设备，如假 台口、手动吊杆等。到了六、七十年代，我国建成了一大批相对规模较大的剧场， 这些剧院都设置了较先进的平衡手动吊杆和假台口，甚至还有升降乐池。但在舞 台机械方面，还没有什么突破，不可否认，在舞台机械的发展方面，我国与发达 国家还有相当大的差距。 改革开放后，文艺活动进入了一个空前活跃、繁荣的阶段，大小剧团演出活 动频繁；各具特色的文化节、戏剧节频频举行；国际间的文艺演出活动接连不断。 根据各自不同的演出功能要求，设计了各种不同类型的舞台机械，用于戏剧表演 的中央戏剧学院排演场、用于歌舞表演的中国剧院、用于话剧演出的中国少儿艺 术剧院等。 进入9 0 年代，随着话剧、戏曲、音乐、舞剧、杂技、电视等多元文化的兴起， 包括人们自娱自乐方式的多样发展，国内的剧场、演播厅等的建设进入了高潮。 电子科技大学硕士学位论文 在国内基础工业大力发展的基础上，国外新技术、新产品、新材料的不断涌入， 使得我国在舞台机械方面又有了长足进步，先后建成了深圳大剧院等一系列大型 的较先进的现代化剧院。这些剧院的舞台机械已经较为齐全，如台上舞台机械有 匀速吊杆、电动伸缩大幕等。台下舞台机械有升降乐池、乐池升降栏杆、舞台升 降台、车台等。这时，我国的舞台机械化程度与世界先进水平之间的差距已逐渐 缩小。 近年来，由于科技的不断发展，特别是进入二十一世纪，嵌入式技术的迅猛 发展，众多科技人员将嵌入式技术用于舞台机械的控制逐渐形成了现代化的舞台 控制系统。 1 2 舞台技术行业国外发展动态 舞台技术产业在西方发达国家发展得很快。由于我国的舞台技术的发展相对 滞后，所以在某些方面和国外的舞台设备相比存在一些不足，目前国外的舞台机 械在整体工艺配置、机械设计水平、基础元器件、制造加工业、控制系统等方面 要比国内做得好。国外的舞台机械的设计比较复杂，台上机械设备有：防火大幕、 对开大幕、假台口、灯光渡桥、灯光吊笼、各类吊杆、幕类等，台下机械设备有： 主升降台、侧车台、后车台、大转台、车台、车台补台、微动补台、升降乐池和 栏杆等。还有一些特殊的舞台机械设备，比如，有伸缩升降舞台、有电动折叠舞 台、拼装式广场舞台、手动折叠舞台、手动升降舞台、组合式玻璃舞台、铝合金 桁架等。 目前舞台机械系统的控制方法多种多样，比较常见的有：采用std 工业控 制机控制舞台机械设备、采用plc 控制的舞台机械控制系统、采用模糊控制的 舞台机械控制系统、采用计算机用控制的舞台机械控制系统等。 1 3 主要研究内容和完成的工作 国外这方面的控制系统虽然先进，但其主要以工控机为控制中心来进行设计 实现，但是操作界面大部分为英文，不易操作，而且工控机价格昂贵。 本课题正是针对国内外舞台技术发展现状，旨在设计一套低成本、高性能的 舞台控制产品。以嵌入式技术为基础，采用了$ 3 c 2 4 4 0 1 1 和c y c l o n ee p l c 6 2 】 作为控制中心，在降低成本的同时，又达到高端产品的性能，具有极高的性价比， 2 第一章绪论 顺应了国内市场的需求。 本文详细描述了舞台吊杆控制系统的工作原理，并据此设计了整个系统的框 架，并实现了其中最主要的主控制台和移动台的设计，最后给出了相应调试结果。 具体研究内容及完成工作如下： 硬件部分 完成了主控制台系统的原理图及p c b 设计以及硬件调试。 软件部分 ( 1 ) 主控制台控制模块的软件开发环境的搭建 完成了g n u t 3 】【4 】工具链的建立和开发环境的搭建；b o o t l o a d e r t 4 】之u b o o t 移 植；l i n u x 在a r m 芯片s 3 c 2 4 4 0 上的移植；根文件系统构建。 ( 2 ) 主控制台控制模块的驱动程序实现 移植了串口驱动、键盘驱动、c a n 总线驱动。 ( 3 ) 主控制台控制模块的应用程序实现 通过移动台来设置吊杆数据为基础实现了应用程序的基本框架。 ( 4 ) 主控制台显示模块的全部f p g a 程序的实现。 电子科技大学硕士学位论文 第二章系统的设计方案 2 1舞台吊杆控制系统的工作原理 舞台吊杆控制系统的组成框图如图2 - 1 所示。 叼黟甲飞霹翟聚 眵移动台，8 弦唾 主控制台7 露磷 笼滋盔正。玉z 夕k 溘盆幺盔 图2 1 舞台吊杆控制系统组成框图 本系统功能分析：输入信号为6 0 路脉冲信号对应舞台吊杆升降的距离，由电 机输出的控制部分产生；6 0 路输出信号驱动6 0 台电机的正反转、停( 对应于吊杆 的升、降、停) ；上限、下限各6 0 路信号由控制吊杆运行的多路选择接口板产生。 本系统的目标就是通过图形化的操作界面对1 0 0 场的舞台吊杆的运行数据进行设 置和保存，并通过实时接收6 0 路舞台吊杆的移动数据来采取相应的操作。舞台吊 杆可以在开始设定的高度状态下自动运行，也可以实时地手动对舞台吊杆的升降 进行操作。 系统的功能实现原理：本系统由主控制台为控制中心，通过各种通信方式来 和其他模块进行数据交换。主控台通过f p g a 作为显示控制中心，以v g a 接口的 显示器终端来实现操作界面的图形化；并通过外接的键盘来设置舞台吊杆的运动 数据。主控台通过r s 4 8 5 通信和输入输出控制板连接，对舞台吊杆进行实时操作。 通过c a n 总线的通信方式同移动台进行数据连接，在必要时将控制权移交给移动 台，来达到多角度地现场操作目的。 正因为对象众多，所以采用分布式控制系统，系统构成由主控台、输入输出 控制板、移动台组成。子系统之间根据不同的应用，采用不同的通信方式，如： r s - - 4 8 5 ，c a n 等。 4 第二章系统的设计方案 2 2 主控制台的功能及工作原理 整个舞台吊杆控制系统由主控制台为控制中心，通过多种通信方式与其他子 模块建立连接和数据交换，实现对子模块的控制，响应子模块的消息，处理子模 块的数据，决定整个系统的工作状态和工作模式。 主控制台通过r s 4 8 5 接口和并行接口同输入输出控制板进行通信，接收实 际的吊杆高度信息，并通过键盘操作来做出相应的操作，比如升、降等。所有接 收到的实时高度信息和对应的相关操作都会通过显示模块进行显示，使得操作变 得很简单、直观，不容易出错。 由于有些舞台场地较大，一台控制台不容易把握全局，比如有些吊杆在主控 制台地点是不太容易观察，所以就加入移动台，是为了更全方位的观察吊杆运作， 及时有效的做出对应处理。主控制台通过c a n 总线【5 】【6 】同移动台进行连接和数据 交换，必要时主控制台放弃控制权移交给移动台。 主控台的主要结构框图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统主控台组成框图 主控制台内各模块和功能如下： 令主控模块：由基于a r m 9 的最小系统组成，负责接收并响应键盘信息，负 责对实时状态的数据显示信息进行发送和处理。通过不同的通 5 电子科技大学硕士学位论文 显示模块： 夺键盘模块： 信方式同外部模块建立连接和数据处理。 以a l t e r a 公司的工业级f p g a 为显示单元，一块s d r a m 作为 显示缓冲区，实时接收a r m 传过来的显示信息，并相应在显 示缓冲区即时刷新数据。 由z l g 7 2 9 0 7 1 为键盘驱动控制芯片，该芯片具有i i c 接口，可 驱动8 位共阴数码管和6 4 个按键，可以向主控模块提供连续响 应按键的能力。 夺输入输出模块：同显示模块共用一块f p g a ，负责接收吊杆高度信息，并 对其数据进行分析处理，并输出相应控制信息。 2 3 输入输出控制板的功能及工作原理 输入输出控制板主要由输入输出接口板、多路选择接口板构成，其功能原理 框图如图2 3 。 图2 - 3 系统输入输出控制板组成框图 首先通过主控制台发送选路信息给多路选择接口板，通过该板来选择要进行 运行的吊杆。 多路选择接口板主要实现功能有：6 0 选1 0 的信息接收处理，6 0 选1 0 的逻辑 电路，以及6 0 路输入和1 0 路输出信号的隔离和耦合。本系统可运行吊杆数为6 0 道，当前运行吊杆数为1 0 道，多路选择接口板完成6 0 选1 0 的逻辑电路，用c p l d 或f p g a 芯片完成此功能，多路选择接口板的输入信号为6 0 路路号；输出信号为 任选1 0 路路号；主控制台将任选1 0 路路号信息经r s 4 8 5 传送给多路选择接口板。 输入输出接口板完成对6 0 路输入输出信号的光电隔离，输入输出的6 0 路开 6 第二章系统的设计方案 关信号或脉冲信号经6 0 路光电隔离器件后送主控制台。 c p l d 或f p g a 到电机的输出开关接口需要进行必要的抗电磁干扰保护，本系 统采用两级保护措施，通过一级为光耦隔离后，再加一级继电器隔离输出。 2 4 移动台的功能及工作原理 移动台的功能是辅助主控制台能够全面、方便地进行吊杆的操作。移动台和 主控制台通过c a n 总线进行连接和数据交换。 移动台不能完全行使主控制台的权力，只能通过发送相关命令到主控制台， 再由主控制台往下发送，比如对一场吊杆高度的设置，对某一杆的升降控制等。 通过移动台的参与，使得本系统在操作上更为灵活有效。 其结构组成和主控制台类似，只是去掉了和输入输出控制板的连接。 2 5 本章小结 本章在给出了舞台吊杆控制系统的总体框架之后，分别描述了各个分系统的 功能和工作原理，为下面章节进一步详细地描述主控制台的设计和实现，有了一 个初步的印象。 7 电子科技大学硕七学位论文 第三章主控台的硬件设计与实现 任何控制系统的实现都需要合理的硬件结构支持，本章将对吊杆控制系统中 的主控台的整个硬件的设计和实现做详细地逐一介绍，包括需求的分析，芯片的 选择和设计思路，原理图介绍等。 整个硬件系统由一个控制模块和显示模块组成，控制控模块包括：键盘模块、 c a n 通信模块，r s4 8 5 通信模块，与f p g a 通信模块，f l a s h 编程模块。显示 模块包括：v g a 接口模块，显示缓存s d r a m 接口模块，f l a s h 数据存储模块， 与a r m 通信模块。 3 1 控制模块硬件设计 控制模块是主控台的控制核心，通过c a n 、r s4 8 5 、并口等通信方式同外部 其他模块进行连接。其内部由a r m 9 2 0 t 内核的$ 3 c 2 4 4 0 处理器作为主控芯片， 由存储器、时钟源、j t a g 接口、复位电路等共同构成控制模块的硬件电路。$ 3 c 2 4 4 0 和外部s d r a m 、f l a s h 组成了a r m 9 最小系统，再配合其他外围设备就构成了 控制模块。整个控制模块的功能框图如图3 1 所示。 霞自霞薹黼如 t 图3 - 1 主控模块功能框图 8 调试串口 扩展键盘 r s4 8 s 键盘 c a n 模块 f l a s h 烧写 第三章主控台的硬件设计与实现 在嵌入式系统设计中，主控芯片型号的选择是进行整个系统设计之前首要解 决的问题。当今的电子行业，可以选择的控制处理器种类繁多，特点也各不相同。 所以主控芯片的选择首要考虑的因素就是系统的性能和所要实现的功能，其次还 需要考虑系统的在各种工作环境下的稳定性，以及后续的升级空间上面。主要是 对自身系统的需求分析，包括：性能、接口、环境适应能力、稳定性和以后升级 的空间等。 依据前面章节对控制模块功能结构的描述，我们对控制模块的功能得出了如 下的要求： 能够提供多个u 川盯( 通用异步收发器) 。在和下属输入输出逻辑模块中 夺 数据交换是通过r s 4 8 5 连接的。 能够提供i i c 接口，连接键盘接口 能够提供一定数量的g p i o 用于和显示模块的通信。 能够提供s p i 接口。和移动台的通信通过c a n 总线，而c a n 控制器的是 通过s p i 接口进行控制。下面将要介绍的显示界面是保存在s p i 串行f l a s h 中，所以也需要具有s p i 接口支持。 能够提供大容量存储器的访问能力，有较强的数据吞吐能力。因为舞台吊 杆的运作是一场一场的，每场的数据设置后需要保存，便于下次引用。随 着场数的增加，存储空间也要相应增加，显示界面的图片数据也是庞大的， 比如一张1 6 色8 0 0 6 0 0 分辨率的图片容量接近1 m ，一般的单片机无法 提供大容量储存，只有外接存储器，显得不方面也不划算。 能加载操作系统，主要为了软件升级地方便。根据系统需求地不断加强， 小型的操作系统，比如u c o s i i ，可能会不满足需求，这时应该考虑采用 大型的操作系统，比如l i n u x 。l i n u x 系统在嵌入式技术的应用非常广 泛，但是加载该操作系统需要m m u ( 内存管理控制器) 的支持，所以应该 选择具有m m u 的器件。 芯片必须是工业级器件，因为舞台吊杆控制系统其实属于工业控制领域， 应该能够在不同的工作环境下正常工作的能力。且芯片在货源方面要稳 定。芯片在市面上有一定的知名度和使用人数，这样可以确保芯片的稳定 性，而且相关的资料也容易获取。 综合考虑了上面各方面因素的情况下，根据外围接口的需求和存储能力的要 求首先排除了单片机和d s p 类型的器件。由于要加载大型操作系统，所以将处理 9 电子科技大学硕士学位论文 器的选择基本圈定在了a r m 3 】【8 】系列处理器上。在对市面上主流的几款a r m 9 处 理器进行比较后，处理器就选择了市面上常见的a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，它符合 本系统功能实现的基本需求。 3 1 1 $ 3 c 2 4 4 0 处理器 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司的一款基于a r m 9 2 0 t 内核的3 2 位r i s c 工业级微处理 器。为手持设备和和常用应用提供了低功耗、高性能的解决方案。它实现了m m u ， a m b a 总线和h a r v a r dc a c h e 结构，具有1 6 k b 指令c a c h e 1 6 k b 数据c a c h e 。其 内部结构如图3 2 所示【1 1 。此外，$ 3 c 2 4 4 0 还提供了丰富而完整的外围接口，其片 上功能如下【l 】： 1 8 2 0 v 内核电压，3 3 v 外部i o 和存储电压 4 通道d m a 控制器 3 通道u a r t 2 通道s p i i i c 接口i i s 接口 a c 9 7 编码接口 2 通道u s b 主机接n 1 通道从机接口 1 个摄像头接口 4 通道p w m 计时器1 通道内部计时器 具有w a t c hd o g 1 3 0 个通用的2 4 个外部中断源 8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口 具有日历功能的实时时钟 1 个摄像头接口 1 0 第三章主控台的硬件设计与实现 l c dl c d1卜、 1 卜、 b u s c o n t c o n t d m a 、r 、厂 i a r b i t o r d e c o d e l r a e 蚜1 t e r r u p tc o 五一 u s bh o s tc o n t n ，h 1卜、 b e x t m a s t e r 以一八j p o w e r 厂 卅m 璺n a g e m e n t b n a n dc t r l u以八】 c a m e r a n a n df l a s hb o o t 九卜s 、厂 1i n t e r f a c e 、广 l o a d e r以卜、lm e m o r yc o n t 厂_ lg nam ，n n n ，s n n m u a r t 0 1 2 r 3 争割 1 2 c f u s b d e v i c e 酵令 e ： f 1 2 s s d i m m c 酵令 a 厂 1 p辱爿 g p i o w a t c h d 。gt i m e r 酵令 b 哿割 r t c b u sc o n t 1 卜 b e 割 a d c u a r b i t o r f d e c o d e厂 1 一n t i m e r p w m s s p l0 1 广 7 0 k o 4 ( i n t e r n a l ) 卜厂 a c 9 7 厂 1 3 1 2s d r a m 接口 图3 - 2 $ 3 c 2 4 4 0 内部结构框图 $ 3 c 2 4 4 0 的存储控制器由8 个b a n k 构成，其中b a n k o - - b a n k 5 是属于r o m 和 s r a m 接口，b a n k 6 - - 一b a n k 7 用于接入r o m 、s r a m 和s d r a m 。每个b a n k 都可 以支持不同数据宽度总线形式，有8 1 6 3 2 位形式，每个b a n k 的寻址空间为 电子科技大学硕士学位论文 1 2 8 m b 。本系统中b a n k 0 用于接入n o rf l a s h 。b a n k 6 接入两片1 6 位宽s d r a m 。 所有内存块的访问周期都可编程，外部w a i t 也能扩展访问周期。图3 3 给出了 $ 3 c 2 4 4 0 的内存组织【1 】： o x 4 0 0 0 0o o o o 0 x 3 8 0 00 0 0 0 0 x 3 0 0 00 0 0 0 0 x 2 8 0 00 0 0 0 0 x 2 0 0 00 0 0 0 0 x 1 0 0 0 _ 0 0 0 0 0 x 0 8 0 0 0 0 0 0 l s r o f，f s 】) r a m 2 m b 4 m b ( ng g3 7 ) 8 m b 1 6 m b s r o m s d r a m 3 2 m b 6 4 m b ( n g c s 6 ) 1 2 8 m b s r o m 1 2 8 m b ( n g c s 5 ) s r o m l ( ( n g c s 4 ) 1 2 8 m b h a d d s r o m a c c e , , ( n g c s 3 ) 1 2 8 m b r e g s r o m 1 2 8 m b ( n g c s 2 ) s r o m 1 2 8 m b ( n g c s l ) 厂卫o o ti n t e r n a l 1 2 8 m b s r a m f 4 k b lf ， 2 9 ：0 l b l e n n o tu s i n gn a n d f l a s h u s i n gn a n d f l a s hf o r f o rb o o tr o m ib o o tr o m i n o t e ：s r o mm e a n sr o mo rs r a mt y p em e m o r y 图3 - 3 $ 3 c 2 4 4 0 存储器组织结构图 s d r a m 被用来存放l i n u x 操作系统以及存放各类临时数据，本系统采用三星 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 9 1 ，它是4 m 1 6 b i t 4 b a n k 的同步d r a m ，容量为3 2 m b 。2 片 k 4 s 5 6 1 6 3 2 实现了3 2 位数据总线的扩展，总容量达到6 4 m b ，将其地址空间映射 在s 3 c 2 4 4 0 的b a n k 6 。 s d r a m 的操作与系统时钟c l k 上升沿同步，由输入信号r a s 、c a s 、w e 组合产生s d r a m 控制命令，从而实现读写s d r a m 的目的。在s d r a m 操作之 前首先进行s d r a m 的初始化操作，然后通过相应命令设置操作模式，为了设置 s d r a m 的数据宽度、突发类型等；具体读写操作时，先应该通过激活命令激活 对应地址的组，然后通过读或写命令输入行列地址，进行读写数据；可以使用b u r s t t e r m i n a t e 命令停止操作。在空闲的时候，每隔一段时间还必须对s d r a m 进行刷 新。 图3 4 给出了s d r a m 的连接电路： 1 2 第三章主控台的硬件设计与实现 3 1 3f l a s h 接口 图3 4s d r a m 连接电路图 n o r 和n a n d 是现在市场上两种主要的非易失闪存技术【3 1 。 两种f l a s h 的主要区别如下： 令n o r 的读速度比n a n d 稍快一些。 令n a n d 的写入速度比n o r 快很多。 夺n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快。 n o r 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地寻址到 内部的每一个字节。 令n a n df l a s h 器件使用复杂的y o 口来串行地存取数据，而且不同产品或 厂商的n a n d 芯片操作方法也有不同，8 个引脚用于传送控制、地址和数 据信息。 $ 3 c 2 4 4 0 通过o m 0 和o m l 引脚的状态来设置启动模式，o m 1 ：o - 0 1 ，1 0 时从 n o r f l a s h 启动，o m 1 ：0 】= 0 0 时从n a n df l a s h 启动。 本系统中采用了一片1 m b 的n o rf l a s h ( a m 2 9 l v 8 0 0 d t 18 】) 和一片6 4 m 的 n a n df l a s h ( k 9 s 1 2 0 8 ) ，电路如下图： 1 3 电子科技人学硕十学位论文 3 1 4 串行接口 ：”聊”鼍a 1 2 1群彬”。4 鼍锄 一l 。嚷 擎：、 r ；$ 3 c 2 4 4 0 砑d a t a o 哪 i n o r f l a s h i i j 1 r r l 毪。；，。j - 。 薄。一。| 渤 图3 - 5n o r r a s h 连接电路图 图3 - 6n a n df l a s h 连接电路图 $ 3 c 2 4 4 0 内部集成了3 个u a r t 控制器。外部还需提供c m o s t t l 电平与 r s 2 3 2 、r s 4 8 5 之间的转换，在系统中使用串口来实现主控台同输入输出控制板 进行数据交换。本系统中r s 4 8 5 电平转换芯片采用飞利浦公司生产的s p 3 4 8 1 ，此 芯片为半双工收发器【1 0 1 ，所以在硬件连接时需要多用2 个g p l 0 作为收发器的方向 控制脚。其连接图分别为图3 7 、3 - 8 。 盼劈彩了黟鼢“。嬲? 冀 t k d 0 f 9 黟一2 鳟、。”47 7 夕? 筑7 弼”i 锈二“勒t x d 0 飘 。 ， i r t s 0 7 i | 蕈：，。，。，。镬 蟊- - ，：r _ j 蠢啪。玎d b 固” r x d 0 ；$ 3 c 2 4 4 0c t s 0 红r $ 2 3 2 魄逝d 专 ， ， j ；7 ( s p 4 j 3 2 e )i 个、，h ，藤i 雾 ! 弼历弼霭h u 1 8 镬 t x d l ： r x d l ic o n 2l o 乡一 i r x d l# 芽 e 2 锄# 。胁，：，易，“么女编荆，癌班女 貔锵；菇簇 遽l 自墓勘班i i 书霸# 藤勘如。，娥+ 毋：籀渤，韶女一 吃数碰誊汐 图3 7 串行通信r s 2 3 2 接口电路图 图3 - 8 串行通信r s 4 8 5 接口电路图 1 4 第三章主控台的硬件设计与实现 3 1 5 键盘接口 本系统的键盘接口采用具有i i c 接口的专用键盘扫描芯片z l g 7 2 9 0 i 孔。 s 3 c 2 4 4 0 提供了一通道i i c 接口，其中的时钟输出口( s c l ) 是单向的，由主机提供， 数据d ( s d a ) 是双向的，时钟和数据线都需要用电阻上拉到电源电压，上拉电阻的 阻值可以是3 3 k - 1 0 k 欧姆。值得注意地是z l g 7 2 9 0 的电源一般接的是5 v ，而 $ 3 c 2 4 4 0 的v d d i o 为3 3 v ，此时造成上拉电平不匹配的问题，容易造成i i c 在通 信时不稳定，解决办法是将z l g 7 2 9 0 的电源也接3 3 v ，连接如图3 - 9 。 3 1 6c a n 总线接口 图3 - 9 键盘接口电路图 c a n 接口硬件电路由$ 3 c 2 4 4 0 、c a n 控制器m c p 2 5 1 0 】、c a n 总线收发器 p a c 8 2 c 2 5 0 t 1 2 1 等组成。 1 c a n 总线控制器m c p 2 5 1 0 简介【5 】【6 】 m c p 2 5 1 0 是美国微芯科技有限公司生产的一款具有s p i 接口的c a n 协议控制 器，完全支持c a n 总线v 2 0 a b 技术规范。该器件支持c a n l 2 、c a n 2 0 a 、主动 和被动c a n 2 0 b 等版本的协议，能够发送和接收标准和扩展报文。具备验收过滤 以及报文管理功能。该器件包含三个发送缓冲器和两个接收缓冲器，减少了m c u 的管理负担。同时还具有灵活的中断管理能力，这些特点使得m c u 对c a n 总线的 操作变得非常简便。 2 c a n 总线驱动器8 2 c 2 5 0 简介【5 1 【6 】 p c a 8 2 c 2 5 0 是c a n 协议控制器和物理传输线路之间的接口，它主要是为汽车 中高速通讯( 高达1 m b p s ) 应用而设计。此器件对总线提供差动发送能力，对c a n 控制器提供差动接收能力，完全符合“i s 0 118 9 8 ”标准0 s o1 18 9 8 是一个使用c a n 总线协议的汽车内高速通讯国际标准) 。 3 c a n 节点电路设计 通信接口电路主要由3 部分组成：$ 3 c 2 4 4 0 、c a n 总线控制器m c p 2 5 1 0 、c a n 总线收发器8 2 c 2 5 0 。$ 3 c 2 4 4 0 通过s p i 接口与c a n 控制器m c p 2 5 1 0 相连，负责它的 电子科技大学硕士学位论文 初始化以及数据的接收、发送等通信任务。如图3 1 0 所示。 s p i 图3 1 0 c a n 接口电路图 3 1 7f p g a 通信接口 这一部分接口将在3 2 4 节显示模块中介绍。 3 1 8 串行f l a s h 编程接口 外置串行f l a s h 用于存储显示界面图片数据，最开始是通过$ 3 c 2 4 4 0 对其进 行烧写，其电路连接如下图： 图一刚。 匕。一 图3 - 1 1f l a s h 编程电路图 3 1 9 其他辅助接口电路 l 、电源模块 a r m 芯片具有高速、低功耗、低工作电压的特点，所以对电源的文波，瞬态 响应性能，时钟源的稳定性，电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。 又由于主板电路复杂，布线密度高，c p u 主频最高达5 3 3 m h z ，所以对系统的电源 管理有着较高的要求。 本系统平台要求提供3 3 v i o 电压和1 2 1 3 v 内核电压。而能提供该1 2 v 内核 电压的d c d c 芯片，在现在市面上并不常见，也很难买到。所以只能用可调d c d c 得到需要的内核电压。本电路采用l m l l 7 一a d j ，电路如图3 1 2 。 1 6 第三章主控台的硬件设计与实现 黎”一1 网匕 荔 鬣。j g e ；澎 ，滤j ，波i a 幽 d 峰粤眇 一l 一臣调电警乏卜 ：o 锄， 翎 图3 1 2 内核电压电路图 在整板上电之前，先通过可调电阻1 和可调电阻2 调出需要的内核电压后， 再更换为固定电阻，这样可以有效防止错误操作而烧片。 2 、系统复位电路设计 为了确保芯片在系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分。 外部复位电路主要有两种形式：上电复位和按键复位。上电复位由电阻和电容构 成，利用r c 充电实现。本系统采用的是按键电平复位，在选择复位芯片时，根据 $ 3 c 2 4 4 0 的要求，应该选取复位电平持续时间大于两个机器周期以上的芯片。本 系统采用复位芯片m a x 8 1 1 来实现。 3 2 显示模块硬件设计 显示是用具有v g a 接口的c r t 或l c d 显示器来实现的。以前的吊杆控制系 统都是用数码管来显示控制状态和数据状态，但是吊杆的数据量比较多，所以以 前的显示模块一般是上百个数码管联合来显示。这样虽然显示控制简单，但是对 现场操作人员来说，同时要关注这么多数码管是一项繁杂而又容易出错的工作。 鉴于数码管做显示模块的弊端，本系统采用大型的显示器来做各种操作和数据的 显示工作。 其次，为了在较高的分辨率下实现图像的不闪烁效果，在硬件上必需要有显 示缓冲区，容量能够至少保存一帧的数据，才能做到不断的刷新v g a 接口。在显 示缓冲硬件的选择上有s r a m 和s d r a m ，他们两者之间各有特点。s r a m 操作 简单，速度快，s r a m 容量小，且价格贵，所以选择s d r a m 来实现图像缓冲区 的硬件。其显示模块的组成框图如图3 1 3 。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 图3 1 3 显示模块组成框图 3 2 1 o y olo r l ee p l0 6 t 2 】简介 f p g a 是英文f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y 的缩写【1 3 】【1 4 1 ，即现场可编程门阵 列，它是在p a l 、g a l 、e p l d 等可编程器件的基础