（信号与信息处理专业论文）航空自主导航后端子系统.pdf

c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad is s e r t a ti o nf o r t h ed e g r e eo fm e n g t h eb a c k - e n d s u b s y s t e m o fa u t o n o m o u s n a v i g a t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ：w a n gd i a n y i s u p e r v i s o r ：v i c e r e s e a r c h e r s ul o n g b i n a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：s i g n a la n di n f o r m a t i o np r o c e s s i n g d a t eo fs u b m i s s i o n ：f e b ，2 0 1 0 d a t eo fo r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y i t 上 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：互膨 日期：勿挥3 月召日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署 尔滨工程大学。涉i 密学位论文待解密后适用本声明。 本论文啦授予学位后即可 口在授予学位1 2 名单位为哈 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：互殿又导师( 签字) ：蛳彤海 日期：勿f d 年3 月乃日7 町汐年寻月乃日 助导航系统。 本论文针对航空自主导航后端子系统进行研究。首先，根据系统设计要 求，对系统方案进行详细的论证；然后，针对系统方案设计了各功能模块， 功能模块包括：处理器最小系统模块、红外接收模块、c f 卡存储模块以及液 晶显示控制模块；其后，对各功能模块进行了严格的功能测试；最后，介绍 硬件平台上嵌入式操作系统的移植过程及各功能模块的驱动程序，嵌入式操 作系统的移植过程包括：u b o o t 的移植、l i n u xk e r n e l 的移植以及嵌入式文 件系统的制作。 关键词：飞机导航系统；航道罗盘；嵌入式操作系统；u b o o t ；l i n u xk e r n e l a tp r e s e n t ，t h ep i l o t sd e t e r m i n et h ec u r r e n tp o s i t i o nm a i n l y t h r o u g ht h e d i s t a n c ea n dd i r e c t i o nd a t ag i v e nb yt h ec h a n n e lc o m p a s sd u r i n gt h e f l i g h t ， w i t h o u tk n o w i n gt h ec u r r e n t g e o g r a p h ye n v i r o n m e n ta n df l i g h tt r a je c t o r yc l e a r l y s oi ft h e r ec o m eab r e a k d o w no ri n s u f f i c i e n tf u e ls i t u a t i o n ，t h e p i l o tc a nn o t c h o o s et h es a f e l a n d i n gp o i n t ，w h i c hw i l lg r e a t l yt h r e a t e nt h ep i l o t sa n d p a s s e n g e r s s a f e t y f o rt h i sr e a s o n ，w eh a v ea u t o n o m o u s l yd e s i g n e dt h i se l e c t r o n i c m a pn a v i g a t i o ns y s t e m t h ep a p e rr e s e a r c h e sb a c k e n ds u b s y s t e mo fa u t o n o m o u sn a v i g a t i o ns y s t e m f i r s to fa l l ，w ec o n d u c tad e t a i l e da r g u m e n to nt h es y s t e ms o l u t i o n sa c c o r d i n gt o s y s t e md e s i g nr e q u i r e m e n t s s e c o n d l y ，w ed e s i g nt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e s o ft h es y s t e md e s i g n ，i n c l u d i n g p r o c e s s o rm i n i m u ms y s t e mm o d u l e ，i n f r a r e d r e c e i v e rm o d u l e ，c fc a r dm e m o r ym o d u l ea n dl c dd i s p l a yc o n t r o lm o d u l e s u b s e q u e n t l y , w et e s tt h ev a r i o u sf u n c t i o n a lm o d u l e sr i g o r o u s l y f i n a l l y , w e i n t r o d u c em i g r a t i o np r o c e s so ft h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma n dt h ef u n c t i o n a l m o d u l e sd r i v e rb a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m s m i g r a t i o n p r o c e s so ft h e e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e mi n c l u d e s u b o o t t r a n s p l a n t a t i o n ，l i n u xk e m e l t r a n s p l a n t a t i o na n dt h ef a c t u r eo fe m b e d d e df i l es y s t e m k e yw o r d s ：a i r c r a f tn a v i g a t i o ns y s t e m ；c h a n n e lc o m p a s s ；e m b e d d e do p e r a t i n g s y s t e m ；u b o o t ；l i n u xk e r n e l 第2 章系统总体方案论证4 2 1 系统总体方案4 2 1 1 系统功能模块划分4 2 1 2 处理器芯片选择5 2 2 片外资源扩展7 2 2 1l c d 显示控制方案7 2 2 2 片外存储器扩展1 2 2 3 本章小结1 4 第3 章硬件平台设计1 5 3 1a r m 最小系统1 5 3 1 1 电源电路设计1 5 3 1 2 扩展s d r a m 1 7 3 1 3 扩展n a n df l a s h 18 3 2 扩展c f 卡19 3 2 1c f 卡与$ 3 c 2 4 4 0 a 之间接口2 1 3 2 2c f 卡与c y 7 c 6 8 0 1 3 a 之间接口2 2 3 3 液晶显示控制器2 4 3 3 1c p l d 控制器2 4 3 3 2 图形缓冲存储器”2 6 3 4 红外接收模块2 7 3 5 调试电路2 8 3 6p c b 电路板设计与制作2 9 3 7 本章小结3 0 4 2 1c f 卡与$ 3 c 2 4 4 0 a 接口调试”3 2 4 2 2c f 卡与c y 7 c 6 8 0 1 3 a 接口调试3 3 4 3 液晶显示控制器调试“3 6 4 3 1 图形缓冲控制器调试3 6 4 3 2c p l d 时序调试3 7 4 4 红外接收模块调试3 8 4 5 本章小结3 9 第5 章软件平台构建4 0 5 1 嵌入式系统软件平台构建“4 0 5 1 1 嵌入式系统选择4 l 5 1 2b o o t l o a d e r 移植4 2 5 1 3l i n u x 内核移植4 4 5 1 4 根文件系统的制作4 7 5 2 驱动程序编写一5 0 5 2 1 驱动程序开发流程5 0 5 2 2 模块化驱动程序设计51 5 3q t 图形界面移植5 2 5 4 本章小结“5 4 结论5 5 参考文献5 6 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果5 9 致谢6 0 附录a 6 1 单的仪表导航阶段，这一阶段机舱内出现了仪表，但依然采用人工计算的方 式来确定飞机当前地理位置；无线电导航阶段，这阶段无线电技术发展很快， 相继出现了中波四航道无线电信标和无线电罗盘；超短波导航阶段，这时期 随着超短波研究的深入，很多国家研制了伏尔导航系统和仪表着陆系统；远 程无线电导航阶段，该阶段主要代表是罗兰c 导航系统，该系统可以说是导 航系统的里程碑，它的导航范围已经到达2 0 0 0 公里；卫星导航阶段，这阶段 随着卫星迅速发展，相继出现了卫星导航系统和全球定位导航系鲥q 犯引。 飞机导航系统按工作原理可以分为如下几种例： 1 仪表导航系统。使用飞机上的仪表所显示的数据计算出飞机飞行时所 需要的导航参数； 2 无线电导航系统。使用无线电导航台或空间导航卫星和飞机上的无线 电导航设备确定飞机当前位置并引导其按预定轨迹飞行； 3 惯性导航系统。使用惯性导航设备为飞行员提供飞机当前位置和飞行 速度p 1 ： 4 天文导航系统。以天体位置作为导航基准，根据星体与飞机的相对位 置关系确定飞机当前位置； 5 组合导航系统。组合了前面几种导航系统的性能而构成的。 目前，国内地面导航设备主要是靠雷达和导航台，地面指挥飞机分为程 序管制和雷达管制：程序管制是在没有雷达的情况下，飞机过每个报告点或 导航台必须向管制员报告过台时间和预计下一报告点的时间；雷达管制是使 用雷达定位在雷达屏幕可以看到飞机的速度和高度婵。在机舱内飞行员只能通 过航道罗盘给出的距离和方位数据以及地面的指挥塔台给出的经度和纬度信 息来判断当前地理位置，飞行员对当前位置的地理环境和飞行轨迹并不清楚， 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 在飞机出现故障或燃料不足等情况时无法自行确定飞机的着陆点，无法正确 选择安全降落的地点，这样对飞行员和乘客的生命安全带来很大的威胁。 基于以上原因，我们设计了这套系统，它能够以图形的方式为飞行员提 供当前地理环境、飞行轨迹显示及目标点提醒等功能。这将给飞行员的生命 安全以更大的保证，还提高了飞机驾驶员面对飞行过程中异常情况下自主飞 行的可靠性和灵活性。此外，这套系统还提供了飞行轨迹存储系统，以便于 对飞行轨迹进行后期分析及研究，这将有利于飞行航线的准确性。 1 2 系统设计要求 本系统处于原理样机的实验阶段，飞机内部装置在没有经过严格的实验 和检验是不允许在驾驶舱内添加设备的。因此对实验样机提出以下几方面的 基本要求： 1 系统与机体之间不能有任何方式有缆连接； 2 设备要自行供电，不能从机内引出供电电缆，这就要求设备必须严格 控制功耗； 3 设备安放位置为飞行员腿部，这就要求电路板的设计尺寸要小；同时， 为了不给飞行员腿部以过重负担，必须限制设备的重量； 4 设备要具备良好的电磁兼容性能，不能影响机内现有电子设备的正常 工作； 5 飞机轨迹显示要求每秒更新5 次，不能有闪烁感； 6 连续工作时间不小于8 小时。 1 3 论文主要研究内容 辅助导航系统结构如图1 1 所示。它利用摄像头捕获飞机航道罗盘上的 图像，采用d s p 先对图像进行裁剪，以减少图像数据量从而提高识别速度， 再使用d s p 进行图像识别；由于系统要求无缆连接，并且与飞机上的电子设 备之间不能互相干扰，如采用射频电磁信号传输则可能对机内的电子设备造 成干扰，因此，通过红外传输的方式将识别后的结果传送到后端系统；后端 系统接收到红外传输过来的识别结果后，经过相对位置的计算，将飞行轨迹 标识在预先存储的电子地图上，同时，飞行员还可以根据视觉效果使用人机 2 交互接口对显示范围的大小进行调整。根据以上分析，将辅助导航系统分为 两个子系统，分别是：图像采集及识别子系统和辅助导航后端子系统。本文 主要研究辅助导航后端子系统即如图1 1 虚线框内的部分。论文共分五章， 各部分内容安排如下： 第一章：绪论。该章主要介绍论文选题的背景及意义、系统技术要求以 及论文研究内容。 第二章：系统总体方案论证。该章主要介绍系统总体方案论证，并对片 外资源扩展方法进行了详细的论证。 第三章：硬件平台的设计。该章介绍了系统各功能模块的设计过程，包 括：器件的选择、硬件接口方法和p c b 电路板的设计。 第四章：硬件平台调试。该章主要介绍各功能模块的调试方法，以及调 试时的注意事项。 第五章：软件平台构建。该章主要介绍嵌入式操作系统的选择方法、操 作系统移植方法、驱动程序编写方法以及q t 的移植。 图1 1 航空自主导航系统框图 根据辅助导航后端子系统的设计要求，提出系统基本技术指标，具体如 下： 1 整个系统尺寸小于5 寸屏的大小； 2 系统可以连续工作8 小时以上； 3 系统与前端图像采集系统采用红外通信； 4 对飞行轨迹显示更新速度要求5 次秒； 5 图形放大缩小的倍数至少6 倍。 根据系统技术指标采用模块化设计方法来设计该系统，这种方法可以使 整个系统结构明确化，还便于调试。辅助导航后端子系统使用方法：起飞前， 使用p c 机将电子地图预先存储到存储模块中，该存储模块应具有掉电数据 不丢失的特点，并且数据需要以文件形式存储，这样p c 机可以直接读取其 内容以达到方便用户使用的目的；系统上电后，处理器首先为l c d 显示器丌 辟足够的图形缓存空间，并对存储空间、红外接收模块、触摸屏模块和系统 控制芯片自身初始化；初始化后，首先将电子地图的图像数据加载到处理器 内存中，这是由于掉电不丢失的存储器读写速度相对较慢，不能满足l c d 显 示器实时刷新的要求；前期准备工作完成后，处理器开启红外接收模块，准 备接收前端系统发送过来的识别后的航道罗盘数据，如果前端系统有数据发 送过来，处理器对该数据进行计算，得出飞机当前大地坐标，再与电子地图 显示的区域相结合，得出二者的相对位置关系；飞机当前位置数据的流向有 两处：一处是将其存储到存储模块中，用以做事后分析；另一处标识在电子 地图上，并绘制标识在电子地图上的飞行轨迹图形；其后，将标识好飞行轨 迹的图形送到l c d 显示控制系统控制l c d 进行显示；、当飞机达到预定位置 时，还需要提醒飞行员，由于机舱内噪音很大，如果使用声音提醒的方式， 达不到预期的效果，因此，采用振动的方式来提醒飞行员；此外，飞行员在 4 哈尔滨：f 程大学硕十学位论文 飞行显示过程中可以根据个人需求对电子地图的显示范围进行动态调整，然 而飞行员驾驶时需要带手套，如果采用键盘的方式，基于系统体积的限制， 按键必须做的很小，这样飞行员的操作很不方便，因此使用触摸屏来实现该 功能，飞行员可以大面积的点击；当飞机降落后，使用p c 机将存储模块内 的飞行轨迹读出，进行事后分析。根据系统工作方式，绘制系统框图，如图 2 1 所示。 图2 1 系统框图 2 1 2 处理器芯片选择 本系统最核心的部分是处理器芯片，因为其他外围功能模块都要由它去 初始化并协调各部分功能的执行顺序，从而实现系统整体要求，所以该器件 的选择至关重要。根据系统技术指标，处理器要满足如下要求： 1 处理器需要完成图形显示工作。系统采用t f tl c d 屏，该屏像素点 时钟至少3 0 mh z ，因此处理器工作频率至少3 0 mh z ； 2 处理器需要管理的设备比较多且复杂，在没有操作系统支持的情况 下，实现很困难，尤其是对文件系统的管理，因此处理器硬件资源要能够满 足运行操作系统的需求； 3 系统设备较多，这就要求处理器提供丰富的外围接口，例如：u a r t 能，因此要选择控制性较强的芯片； 5 由于技术指标里对系统尺寸要求很严格，因此处理器必须要适用嵌入 式系统环境； 6 处理器除管理设备之外，同时还需要进行坐标变换运算、绘图运算、 文件存储以及高速更新显示图形，这就要求处理器具有较高的时钟频率。 由上可知，该系统属于嵌入式系统，因此，采用嵌入式处理器比较适合。 目前，嵌入式系统广泛应用的处理器有如下几樊4 m m l ： 1 嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称作单片机，是以微处理器内核为核心，并在芯片内 部集成只读存储器、静态随机存储器、总线、总线控制逻辑、t i m e r 、中断控 制器、串行通信口以及各种必要的功能外设，用以满足不同环境下的应用。 它具有体积小，功耗低，成本低以及可靠性高的优点，但其缺点是工作频率 低，这样一些高频率功能模块不能集成在其中，限制了它在高速领域的应用。 2 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r op r o c e s s o ru n i t ) 嵌入式微处理是以通用计算机的c p u 为基础，以a r m 系列产品为代表。 在应用中，芯片内部集成一些专用模块控制器，因此在系统板上必须包括只 读存储器、动态随机存储器及各种外设等器件；而且，它具有体积小、成本 低、可靠性高、工作频率高以及可以运行小型操作系统的特点，被广泛应用 于控制领域。 3 嵌入式d s p 处理器 d s p 处理器采用改进的哈佛结构并在其内部集成了专用的硬件乘法器以 及累加器，使其适用于d s p 算法。同时，它以指令周期短、运行速度快的优 点广泛应用于自适应滤波、快速傅里叶变换及小波变换等数字信号处理算法 方面，但它不太适合控制领域的应用。 由于系统要求处理器工作频率至少3 0 mh z 、支持操作系统、外围接口资 源丰富并以控制为主，因此选择a r m 系列处理器。 a r m 处理器内核目前最新版本是a r m l l ，但a r m 9 系列以上版本主要 是以其内部集成d s p 内核或多媒体功能作为它升级的主要特征，在实际应用 6 i 的应用。 目前在控制领域，应用最广泛的是a r m 7 系列以及a r m 9 系列。 a r m 7 系列是3 2 位嵌入式戳s c 处理器，采用0 9m i p s m h z 的3 级流 水线结构；主频最高可以达到1 3 0m i p s ，并可运行小型操作系统诤1 。 a r m 9 系列采用1 1m i p s m h z 的5 级流水线的哈佛结构，指令执行效 率更高；支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有高的指令和数据处理能力：全性 能m m u ，支持w i n d o w sc e 、l i n u x 等多种主流操作系统坤1 。 综上所述，由于系统要求处理器可以运行操作系统，并能支持复杂的系 统管理，如文件系统的管理等，因此选择a r m 9 系列处理器。选定处理器系 列后，还需要选择芯片具体型号。对于处理器型号的选择需要考虑该芯片货 源是否充足、芯片是否容易购买、芯片是否会在近期停产以及该芯片的售后 技术支持如俐耵；同时，由于系统包括存储器模块、红外接收模块、液晶显示 模块以及触摸屏模块，这样就需要a r m 处理器内部集成通用串行口、l c d 显示控制接口以及触摸屏接口等。此外，整个系统还需要对图像采集，为了 便于前期调试，a r m 内还应集成摄像头接口。通过以上考虑，选择韩国 s a m s u n g 公司的a r m 9 处理器一s 3 c 2 4 4 0 a ，因其内部集成了这些接口，这 样可以更充分的利用$ 3 c 2 4 4 0 a 的片内资源，减少了内部资源浪费，而且它 是目前非常通用的芯片，技术资料支持也非常丰富。 2 2 片外资源扩展 由于$ 3 c 2 4 4 0 a 处理器内部集成了处理器内核以及控制模块接口，这意 味着需要根据系统功能在其外部扩展必要的外围电路，外围电路按其实现的 功能可分为：l c d 显示控制器、外部存储器、红外接收模块、振动提醒模块 以及触摸屏模块。因为l c d 显示控制器和外部存储器这两部分方案可选性 强，所以下面对这两部分实现方案进行详细的论述。 2 2 1l c d 显示控制方案 本系统要求使用真彩色的t f tl c d 液晶屏，大小为5 寸屏。根据这个要 求，以及对货源问题的考虑，最终选择使用东芝公司的a a 0 5 0 m e 0 1 液晶显 示屏屏幕，该液晶显示屏的关键技术参数如下表： 7 哈尔滨：i ：程大学硕十学何论文 表2 1l c d 参数表 参数项目参数说明 显示域( m m ) 10 8 0 ( h ) x 6 4 8 ( v ) 像素点数 8 0 0 x 3 ( h ) 4 8 0 ( v ) ，像素点尺寸( m m ) 0 13 5 ( h ) x 0 13 5 ( v ) 像素颜色排列r g b 垂直排列 一 显示模式 n o r m a l l yw h i t et n 亮度( c d m 2 ) 4 0 0 宽观察角技术 可视范围补偿 电子接口c m o s 最适宜的观察角度 1 20 c l o c k 模块尺寸( m m ) 118 5 ( h ) x 7 7 8 ( v ) x 3 5 ( h ) 模块质量( 曲 t b d 背景照明单元 e d g e - l i g h tl e d 根据液晶屏的参数以及系统技术要求，l c d 接口电路有两种方案供选 择： 方案一是采用a r m 芯片内部集成的l c d 显示控制器。a r m 内的显示 控制器可以支持的分辨率为：6 4 0 4 8 0 、3 2 0 x 2 4 0 、1 6 0 x 1 6 0 以及其它规格的 多种t f tl c d 屏，最大可支持的分辨率是1 0 2 4 x 1 0 2 4 归；同时，该显示控制 器还支持4 m b 的虚拟显示区域，该区域可以实现画面之间的切换。对于本系 统来说，采用此显示控制器可实现无画面更新感的图片切换，并能在很大程 度上简化系统设计。 该液晶显示控制器是利用a r m 的程序存储空问来存储图片数据。其工 作原理是：首先控制器将图片数据存储到s d r a m 中，再开启l c d 显示控制 器；然后使用a r m 内部集成的专用显示控制器的d m a ，将图片数据直接传 输到l c d 屏上，进行l c d 刷新，该电路工作流程如图2 2 所示。从图中可 以看出，$ 3 c 2 4 4 0 a 片内集成l c d 控制器利用d m a 在s d r a m 与l c d 驱动 器之间进行显示图像数据的高速传输。在图像数据传输期间，d m a 占用 8 $ 3 c 2 4 4 0 a 片内集成l c d 控制器，就会大量占用$ 3 c 2 4 4 0 a 运行程序的时间。 图2 2a r m 内部显式控制器工作原理 方案二是采用外部添加显示控制器的方法。但是，目前没有公司制作现 成的t f tl c d 屏的显示控制器，因此无法直接应用。只能采用c p l d 与存储 器的电路组合形式来实现l c d 显示控制器。它的工作方式：首先利用c p l d 编程实现l c d 显示所必须的信号，包括：像素点时钟信号、行信号、场信号 及消隐信号等；此外，还需要产生地址信号用以访问s r a m ，而s r a m 的数 据将直接送到l c d 上；l c d 显示内容需要更新时，a r m 直接将图像数据写 入s r a m 即可。由上可知，正常的图像显示刷新时不占用a r m 时间，这样 就大幅度提高了a r m 运行程序的效率。该方案需要实现的部分如图2 3 中虚 框所示。 l - ， 图2 3 外部显控原理 前面提出两种解决方案，但没有把具体应用环境以及对a r m 的总线占 9 方案。 从占用总线带宽考虑，方案二只在更新画面时占用总线，对a r m 总线 占用率低，不会影响到系统的其他部分；而方案一则在整个刷新显示过程中 都占用系统总线，由于采用方案一有利于简化外围设计，因此对方案一占用 处理器总线的时间进行计算，以判定处理器是否可以在规定时间内完成所有 的工作。 l c d 显示屏的点数量是8 0 0 3 ( h ) 4 8 0 ( v ) ，每秒需要刷新7 5 次。以l s 作为时间基准去计算，可知l c d 在1 s 内所需传输的数据量为 3x 8 0 0 x 4 8 0 x 7 5 = 8 6 4 mb y t e 。同时，l c d 显示控制器采用d m a 传输方式对 显示屏进行刷新，每次启动d m a 传输4w o r d ( 1 6b y t e ) ，传输需要的时间 是1 0 0n s 。由此可知，l c d 显示控制器在l s 内，占用系统总线的时间为 ( 8 6 4 m x l 0 0 n s ) 1 6 = 0 6 4 ，也就是说，l c d 显示控制器占用系统总线的6 4 。 综上所述，a r m 自带的显示控制器对系统总线的占用率太高，而a r m 还需要进行坐标变换运算、绘图运算以及文件存储等工作，这样不能满足系 统要求，因此，只能看方案二是否能满足系统的要求。在方案二里存在如下 问题： 1 系统每秒更新5 次画面，如果只有一片存储器存储图像数据的话，经 实验验证能看到屏幕的刷新过程，而且如果采用在更新画面时关掉l c d 显示 的方法以避免可以看到刷新过程，会使l c d 显示的闪烁感很强； 2 系统对功耗的要求很严，需要连续工作8 小时，这样选择的存储器芯 片，功耗一定要很低； 3 由于l c d 显示器的点时钟频率需要在3 0 mh z 以上才能很稳定的显 示，这就要求存储器读取速度在这个频率之上。 对于问题一，可以采用两个b a n k 的方式进行图片的更新，这样可以保 证看不出l c d 显示器的刷新过程。此外，因为每秒更新5 次画面，画面的颜 色变化也不是很大，这样图像的闪烁感就不是很强，可以满足要求；对于问 题二，可以选择低功耗的c p l d 和存储芯片来解决；对于问题三，因为低功 耗的存储器很难达到3 0 mh z 以上的读取速度，但可以使用两片交替传输的 l o 行刷新的时间，这段时间就是l c d 的消隐时间，可以在行场消隐( 也叫做 行场逆程) 时间使用d m a 方式传输数据，看是否可以解决这个问题。 由上可知，如果使用d m a 方式传输数据，s d r a m 和s r a m 的读耿速 度将成为设计的瓶颈。具体的说，s d r a m 读取速度为6 5 n s ，s r a m 写入速 度为5 5 n s ，因此a r m 只要工作在1 0 0 mh z 以上，d m a 就可以满足要求。 d m a 工作分成两拍，而且两拍是等周期的，这就需要用s d r a m 和s r a m 的读取速度最大值来代替，因此完成一次需要1 3 0 n s ；l c d 显示屏的一屏的 数据量为1 2 m b ，刷新一屏所用时间为1 2 m x l 3 0 n s = 1 5 6 m s ；由于每次可以 读取三个字节，这样传输时间就可以减到1 5 6 3 = 5 2 m s ，用行场逆程时间来传 输数据就必须有5 2 m s 的时间。l c d 显示屏场逆程时间为 t v a = 4 5 x 3 1 7 邺= 1 4 2 6 5 m s ，行逆程时间为：t u b = 2 5 6 x 2 9 9 n s = 7 6 5 4 4 n s ，可得总 的行逆程时间为：7 6 5 4 4 n s x 4 8 0 = 3 6 7 4 11 2 n s = 3 6 7 4 11 2 m s 。这样，行场逆程时 间总和为1 4 2 6 5 m s + 3 6 7 4 11 2 m s = 5 1 0 0 6 1 2 m s 。 因为传输一屏的数据所需要的时间为5 2 m s ，因此，需要使用5 2 5 1 = 1 0 1 帧才能完成传输。l c d 更新每秒7 5 帧，系统要求每秒更新画面频率为5 h z ， 也就是说只要一屏的数据可以在1 5 帧内传输完毕，即可满足要求。同时，还 注意到行场逆程时间不是d m a 传输时间的整数倍，这还会浪费一部分时间， 因此需要对其进行更准确的计算。由于d m a 每次传2 4 位，也就是一个像素 点，一屏的像素点为8 0 0 x 4 8 0 = 3 8 4 0 0 0 ，这样就可以根据上述数据进行详细计 算，计算步骤如下： 1 。计算行逆程时间传输次数7 6 5 4 4 n s 1 3 0 n s = 5 8 8 ，外部事件启动一次 d m a 需要四拍，因此一次行逆程时间只能传5 4 个像素点。这样可以得出总 的行逆程可以传输的点数为5 4 x 4 8 0 = 2 5 9 2 0 ； 2 场逆程时间可以传输的次数为1 4 2 6 5 m s 1 3 0 n s = 1 0 9 7 3 ，去除外部事件 片外存储器扩展包括两个部分：a r m 程序存储区和电子地图存储区。 a r m 程序存储区是用来存储和运行程序的，而电子地图存储区则是用以存储 电子地图和识别后的飞行轨迹。 2 2 2 1a r m 程序存储方案 本系统最终需要脱机运行，这就要求在a r m 外围电路扩展时要有掉电 不丢失的存储器。对于a r m 来说，目前最常用的存储器有：n o rf l a s h 和 n a n df l a s h 。二者性能差别如2 2 表。 表2 2n o r f l a s h 与n a n df l a s h 区别 装 n o rf l a s hn a n df l a s h 对比项 读取速度 相对较快相对较慢 写入速度相对较慢相对较快 擦除速度 5 s4 m s 集成度低高 使用寿命可擦写十万次可擦写一百万次 成本高低 程序执行位置内部执行读到r a m 内执行 管理接口不需要专用接口专用系统接口 容量8 m b 以卜6 0 m b 以上 由于a r m 可使用n o rf l a s h 和n a n df l a s h 两种掉电不丢失的程序存 储器，这样存储方案有三种： 1 2 方案三是采用n o rf l a s h 单独使用，因为n o rf l a s h 可以直接运行程序， 不需要程序的搬移。但其写入速度慢，适用于程序量少，不需要频繁写入的 情况。 综上所述，因为系统需要操作系统支持，而且电子地图的数据量很大， 需预先存储到高速存储器中，因此必须采用有s d r a m 的方案。对于掉电不 丢失的存储器的选择，必须对操作系统所需空间进行计算。嵌入式操作系统 分为三大部分：u b o o t 、l i n u x 内核以及文件系统。内存空间大小分配：u b o o t 占用空间在6 k b 左右，l i n u x 内核占用空间在4 m b 左右，文件系统总体占用 空间在5 0 m b 左右，总和在5 5 m b 左右。由于n o rf l a s h 产品主要集中在 8 m b y t e ，因此选用方案二，即n a n df l a s h 与s d r a m 的组合方式。 2 2 2 2 电子地图存储方案 本系统需要预先存储电子地图数据，以及以文件方式存储飞机飞行轨迹， 以便做后期的数据分析和处理。因此，系统需要另外配置一个大容量的存储 器，这个存储器可以在p c 机上直接存储电子地图和读取飞行轨迹数据文件， 并且该存储器需要体积小，质量轻。目前移动存储设备种类很多，但应用于 在便携式领域上的主要有s d 卡和c f 卡。 s d 卡是s e c u r ed i g i t a lc a r d 卡的简称，它是一个完全开放的标准，外部 为9 芯接口，目的是通过把传输方式由串行变成并行，以提高传输速度。此 外，s d 卡的最大优点是加密功能，可以保证数据资料的安全保密。但其与 p c 机通信需要专门的读卡器，目前没有专用转换芯片。 c f 卡( c o m p a c tf l a s h ) ，它不仅是一个存储器件，而且内置了控制器，最 大的特色是兼容性好，无论采用多大容量的闪存芯片组，其外部接口都是标 作在t r u ei d e 模式，这样使用i d e 与u s b 之间的转换芯片可把c f 卡封装 在系统内部，而只在系统外预留一个u s b 接口，从而达到不需要经常插拔即 可方便的对其内部数据读写的目的。 2 3 本章小结 本章根据系统实现功能及系统技术指标，采用模块化的方法完成系统框 架的设计以及各主要功能模块的方案论证。首先，对系统实现功能进行了介 绍，并根据系统要求提出了具体的技术指标；然后对l c d 接口方案进行论证， 由于a r m 内部集成的l c d 显示控制器占用系统总线时间太长，最后采用自 己设计的外部控制器；最后，对a r m 程序存储器的搭配方法及电子地图存 储器方案进行论证，最终选定设计方案。各模块的电路设计将在第三章介绍。 1 4 到o x 0 0 0 0 0 0 0 0 的位置去读取可执行代码，这就是程序运行的起始代码，当然 也就是硬件与软件的第一个接合点；另外，还需要注意存储器总线模式m 】。 a r m 硬件引导流程如图3 1 所示。 图3 1a r m 最小系统启动过程 3 1 1 电源电路设计 a r m 的电源通常不是一组，每一组的电源也不一定一样。如果在该供电 核心逻辑电源输入一 r 电源控制电路 p l l 电源输入 一 r 越潮处理器 模块组i ，o 逻辑电源输入一 r c o n t r o l l e r 电源。 图3 2a r m 电源电路示意图 由于这套系统需要严格控制各部分电路的功耗，a r m 的这种结构正好适 用于本系统。设计时可以根据需要设计自己的电路，关掉不需要的电源组， 以减少功耗。由于整个系统由3 7 v 锂电池供电，a r m 最小系统电路以及外 围设备所需要的电压有两种分别为3 3 v 的f o 端口电源和1 2 v 的内核电源， 普通线性稳压源不能满足设计要求，需要使用低压差线性稳压源。综上考虑， 选择双通道低压差线性稳压芯片t p s 7 0 3 4 5 。电源电路如图3 3 所示。 v o u t l v o u t l v s e n s e l 懈i e 虹玎 p 6 1 图3 3 电源电路 1 6 v 3 3 v 1 2 载到s d r a m 中运行，因此需要对软件的运行空间进行划分：u b o o t 占用空 间不足1 m b ；l i n u x 内核占用空间在4 m b 以内；文件系统总体占用空间在 5 0 m b 左右。因此，s d r a m 容量至少为6 0 m b 。此外，还要注意到以下几点： 1 为电子地图的存储预留空间，因为电子地图存储在c f 卡中，c f 卡 的读取速度相对较慢，如果每次更新画面都从c f 内读取数据，将会使更新 速度变慢； 2 系统为飞行员提供显示画面放大功能，这样必须预留出更大的空问； 3 a r m 处理器的存储空间是分b a n k 的。$ 3 c 2 4 4 0 a 分为8 个b a n k ， 每个b a n k 最大存储容量为1 2 8 mb y t e ，由于很多外设都需要映射到a r m 存储器b a n k 内，所以应减少s d r a m 占用的b n a k 数； 4 根据技术指标，图像放大缩小的倍数至少6 倍，l c d 一屏数据量为 1 2 m b ，这样在不失真的情况下，对图像放大6 倍需要4 3 2 m b 的存储空间， 这样需要s d r a m 为其预留4 3 2 m b 以上的存储空间。 从以上几点考虑，选择1 6 位6 4 m b 的k 4 s 5 1 1 6 3 2 d ，并用两片使存储空 间达到1 2 8 mb y t e ，这样可以预留出6 0 m b 的空间用作图缓冲区。同时，由 于每片s d r a m 存储器数据宽度是1 6 位，因此，使用两片并联构成3 2 位数 据宽度的s d r a m 存储系统，映射到$ 3 c 2 4 4 0 a 的n g c s 6 。 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部集成了专用的s d r a m 控制器，可以实现与外部s d r a m 的无缝连接，这有益于简化设计，提高系统的可靠性。由于系统采用1 2 8 m b y t e 的存储器，所以一定要注意a r m 地址线与s d r a m 存储器的连接方法， a r m 使用a 2 6 ：2 5 与b a 1 - o 相连，作为s d r a m 的块选择信号。s d r m 扩 展电路如图3 4 所示。 1 7 图3 4s d r a m 扩展电路 3 1 3 扩展n a n df l a s h a r m 选用的是s a m s u n g 公司的产品，为了兼容性方便n a n df l a s h 芯片选择的也是s a m s u n g 公司的k 9 f 1 2 0 8 u 。s 3 c 2 4 4 0 a 为方便用户使用， 对n a n df l a s h 和s d r a m 存储器的组合方式提供有力的支持，即在其内部 集成了专用的n a n df l a s h 控制器。s 3 c 2 4 4 0 a 自动将外部n a n df l a s h 内的 b o o t 代码搬移到其内部r a m 执行，它采用的方法是：当系统上电后，n a n d f l a s h 的前4 k 字节通过n a n df l a s h 控制器将自动被装载进a r m 内部集成 的4 k 字节的r a m 内，这样段代码将可以被执行，通过该程序的运行将n a n d f l a s h 内的所有代码搬移到s d r a m 中；然后程序跳转到s d r a m 内去执行嗍。 因为s 3 c 2 4 4 0 a 集成了专用的控制器可以实现与n a n df l a s h 的无缝接口， 接口电路如图