（信号与信息处理专业论文）基于arm的液晶显示接口设备的研究.pdf

哈尔演理t 人学r 学硕l j 学化论文 基于a r m 的液晶显示接口设备的研究 摘要 数字信息技术高速发展的现代，嵌入式技术的应用同趋广泛，在通信、 控制、数据采集和监控等领域也越发的需要嵌入式系统的参与。嵌入式系统 的产品丌发和人们的生活同益紧密。嵌入式系统数量大、种类多，但体积 小、功耗低，并且可对嵌入式操作系统的内核进行定制、裁剪，可以满足系 统的需求。l i n u x 的源码具有开放性和免费性，进一步的促进它的推广，越 来越多的技术人员对其进行维护和改进，版本不断升级。基于l i n u x 的视频 设备驱动程序的开发和数据采集技术也不断得到发展。 本文采用加载了l i n u x 系统的a r m 板来开发一种可支持多种摄像头和 普通液晶显示屏的接口设备，其目的是充分利用现有资源，达到设备的通用 性。因为是l i n u x 系统，就必须研究l i n u x 下u s b 摄像头设备的驱动程序 以及开发通用的设备驱动程序，此外，就是开发v g a 接口，以确保a r m 板能驱动该接口的液晶显示屏。 本文首先介绍了系统的总体结构设计，给出了系统各模块接口电路的设 计和操作系统结构；其次介绍u s b 技术基础和摄像头基本原理，分析了摄 像头驱动开发的技术框架和开发流程，套用l i n u x 下u s b 驱动程序的开发 实例，重新编译了适用于本系统的u s b 通用摄像头驱动；再次是完成v g a 接口的实现，基于l i n u x 系统下的$ 3 c 2 4 4 0 并不支持v g a 数据接口，但其 内部有l c d 控制器，可通过l c d 扫描接口转化为v g a 接口，以实现 $ 3 c 2 4 4 0 对v g a 设备的支持；最后，将l i n u x 系统下载到a r m 板上，加 载u s b 通用摄像头驱动，实现了图像的显示，并给出了所做电路的p c b 图。 关键词嵌入式系统；a r m ；l i n u xv g a ；$ 3 c 2 4 4 0 哈尔滨胖t 人学t 学硕l ：学位论文 r e s e a r c ho fl c d d i s p l a yi n t e r f a c ed e v i c eb a s e d o n a r m a b s t r a c t w i t ht h e h i g h - s p e e dd e v e l o p m e n to fd i g i t a l i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y i n m o d e r n ，e m b e d d e dt e c h n o l o g yb e c o m em o r ew i d e l y i nc o m m u n i c a t i o n s ，c o n t r o l ， d a t aa c q u i s i t i o n ，m o n i t o r i n ga n do t h e rf i e l d s ，t h en e e d so fe m b e d d e ds y s t e m sa r e a l s oi n c r e a s i n g l y t h ep r o d u c td e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e m si sm o r ec l o s e l y w i t hp e o p l e sl i v e s e m b e d d e ds y s t e m si si nl a r g eq u a n t i t i e s ，v a r i e t y , b u ti ns m a l l s i z e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，a n d e m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m s c a nb e c u s t o m i z e di nk e r n e la n dc u t t i n g ，a n dm e e tt h en e e d so ft h es y s t e m l i n u xi s o p e ns o u r c ea n df r e e ，f u r t h e rp r o m o t i n gi t sp r o m o t i o n ，m o r ea n dm o r et e c h n i c a l s t a f fm a i n t a i na n di m p r o v ei t ，i t sv e r s i o ni se s c a l a t i n g t h ed e v e l o p m e n to f v i d e o d e v i c ed r i v e ra n dd a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g i e sb a s e do nl i n u xc o n t i n u e st o d e v e l o p i nt h i sp a p e r , a na r mb o a r dl o a d i n gt h el i n u xs y s t e md e v e l o p sa ni n t e r f a c e d e v i c e ，w h i c hc a ns u p p o r tm u l t i p l ec a m e r a sa n do r d i n a r yl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y t h ea i mi st om a k ef u l lu s eo f e x i s t i n gr e s o u r c e s ，t o a c h i e v ed e v i c e i n t e r o p e r a b i l i t y b e c a u s ei t i sl i n u xs y s t e m ，y o um u s tr e s e a r c ht h eu s bc a m e r a d e v i c ed r i v e rb a s e do nl i n u xa n dd e v e l o pg e n e r i cd e v i c ed r i v e r ，i na n o t h e r , i ti s t h ed e v e l o p m e n to fv g ai n t e r f a c e ，w h i c ht om e e tt h ea r mb o a r dt od r i v et h e l c ds c r e e n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eo v e r a l ls y s t e md e s i g n ，g i v e st h ed e s i g n o ft h e s y s t e m m o d u l ei n t e r f a c ec i r c u i ta n do p e r a t i n gs y s t e ms t r u c t u r e ；a n d s e c o n d l y , i ti n t r o d u c e st h eb a s i so fu s bt e c h n o l o g ya n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so f c a m e r a ，a n a l y s e st h et e c h n o l o g yf r a m e w o r ka n dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s o f c a m e r ad r i v e rd e v e l o p m e n t ，a p p l i e st h ed e v e l o p m e n ti n s t a n c eo fu s bd r i v e r u n d e rt h el i n u x ，r e c o m p i l e st h eu s bg e n e r i cc a m e r ad r i v e rf o rt h i ss y s t e m ；o n c e a g a i n ，t oc o m p l e t et h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ei n t e r f a c e o fv g a ，t h e $ 3 c 2 4 4 0 b a s e do nt h el i n u xd o e sn o ts u p p o r tv g ad a t ai n t e r f a c e b u tt h e r ei sal c d 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 c o n t r o l l e ri n s i d e ，i tc a nt r a n s f o r mt h el c ds c a ni n t e r f a c ei n t ov g a i n t e r f a c e ，t o a c h i e v et h e $ 3 c 2 4 4 0o nv g ad e v i c e s ；f i n a l l y , t h el i n u xs y s t e mw i l lb e d o w n l o a d e dt ot h ea r m b o a r d ，a n dl o a d su s bg e n e r i cc a m e r ad r i v e rt ot h ea r m b o a r d ，r e a l i z e si m a g ed i s p l a y , a n dm a k e st h ep r i n t e dc i r c u i tb o a r d k e y w o r d s e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，l i n u x ，v g a ，$ 3 c 2 4 4 0 哈尔滨珲t 人学丁学顺i j 学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 电子技术的发展同新月异，随着电子产品的小型化，嵌入式产品得到了空 自仃的发展。针对不同的用途，可以量身定做适合的产品，嵌入式技术的不断发 展和高性能处理器的出现，也使得嵌入式技术在广阔的控制领域系统中得到更 为广泛的应用。解决工业监控的便捷性和通用性，研究如何实现一机多用，即 适应多款摄像头的即插即用的便携式显示接口设备。 现今，视频监控系统利用其实时监控的功能，数据流采集功能以及照片抓 取功能已经在很多领域发挥着重要的作用，尤其是一些危险环境下的数据采 集。工业监控系统遵循功能齐全、性能稳定、降低成本的原则，使得两种视频 监控系统得到广泛的应用。一种是传统的闭路电视系统的发展延伸，是通过视 频前端设备采集信号，然后通过线路传输到一台个人电脑上，用这台电脑作为 服务器，运行相关的视频和网络服务器软件，可以说是用电脑代替了原来的控 制中心，而且还提供了以太网接入能力，一定程度上解决了无法实现远程监控 的缺陷，但由于使用视频卡，使得视频丽端设备价格昂贵，不利于降低成本， 广泛推广。另一种是利用嵌入式w e b 服务器的功能，直接与以太网连接，用户 可以直接在网络浏览器上察看w e b 服务器上摄像机拍摄的图像，如果用一个设 备来实现其功能，那就可以达到即插即用的目的，同时利用网络传到更远的地 方。 以上两种设计方案具有科学性、合理性、可操作性，发挥了不少的作用， 但是小型化，便携化也在需求之列。人们希望设备尽量小型化，多用途化，可 携带化。显示系统不光要小型化，还要使显示系统能更好的还原实景的色彩信 息，这就需要接口资源的丰富化和芯片运算的高速化来实现其功能，同时，使 其能小型化，达到携带的程度。随着s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) 技术的发展，出现 了嵌入式微处理器。这种嵌入式微处理器可以加载操作系统，由于嵌入式资源 有限，加载的操作系统也是根据需要进行裁剪、定制的，这样即体现了嵌入式 的专用性，同时嵌入式的体积小、成本低、应用灵活的特点，已广泛的应用于 仪器、仪表、过程控制、工控生产现场等领域r 1 。 哈尔滨婵t 人学t 学颀f j 学 讧论文 1 2 国内外液晶显示系统的研究现状和设计目标 1 2 1 基于单片机的显示系统 单片机为核心的显示系统主要用于显示简单的图形和文字，对于处理大量 的图像信息是有困难的。该显示系统是依赖于个人计算机的，因此不可能用它 为基础来构造便携式仪器，并且电路的功耗很大。1 9 9 5 年张卫东利用单片机为 核心，驱动l c d 显示屏进行显示，由于单片机的内部接口资源不足，导致电 路结构比较复杂，并且只能显示图文p 。2 0 0 2 年黄竹霞用单片机的串行接口技 术结合l c d 模块实现了简单的显示，但在更换图像信息以及信息存储能力方 面很有限p 。另外利用串行接口改良图像信息的传送速度，也因为单片机的处 理能力而不能有效实现。因此，在国外方面，单片机只用来实现一些简单的界 面显示，而不再用其构造比较复杂的液晶显示系统卜1 。 1 2 2 基于d s p 和f p g a 的显示系统 目前，基于d s p 或f p g a 的液晶显示系统能加速图像处理能力且使图像 质量增强，但是其本身接口设置较少，如果需要进行功能扩展，需要用外接芯 片来实现其功能p “1 。这样就使电路复杂化，功耗也难以降低。2 0 0 7 年贾新 立，贾辉然，设计了d s p 与液晶模块的接口，基本实现模块的显示功能p 1 ，但 效果不是很好。2 0 1 0 年王振华等利用f p g a 芯片实现了液晶显示系统p 1 ，设计 了数据传输接口，但系统较复杂。美国的n a t i o n a li n s t r u m e n t a 公司研制了型号 为n ic v s 1 4 5 6 紧凑型图像显示系统，它利用t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 型d s p 处理器实 现图像采集与处理。但是由于其不能嵌入操作系统，不能实现进程管理，使其 应用受限1 0 1 。 1 2 3 基于嵌入式微处理器的显示系统 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。美国有名的未来学家尼葛洛 庞帝曾预言，4 至5 年后嵌入式系统的应用将和个人电脑与互联网一样得到空 前的发展。嵌入式微处理器利用其多级流水线的体系结构大大增强其处理能 力，提高流量及系统处理的反应速度，也使现有的应用具备可移植性，并提升 多线程应用可扩充的软件性能”“1 。使得它比其他的处理器更增添了丰富的硬 件控制器，可以很方便的扩展多种类型的存储设备，显示设备，图像采集设备 等，这样就相比f p g a 和d s p 简化了硬件之i 口j 的连接，这样就降低了电路的 复杂度，丌发成本，提升了系统的整体稳定性“1 。嵌入式系统功耗低，体积 小，专用性强，能够把p c 机中许多山板卡完成的任务集成在芯片内部，操作 哈尔演理t 人学t 学硕f j 学f 移论文 系统的内核小，操作系统可以和应用软件集成在一起。2 0 1 0 年韩壮志，陈鹏等 研究了嵌入式系统显示界面的白适应显示方法p ，可以完成图像的显示及处 理。但是该操作系统的源代码不开放，给研究应用带来很多不便。美国 l e u t r e kv i s i o n 开发了一种基于p c 技术的液晶显示系统，可外接各种摄像头， 并能运行l i n u x 操作系统卜”，c e al i s t 公司开发了一种应用在汽车上的嵌入 式传感图像显示系统，它是一种安全驾驶助手，可以实时检测到路旁行人h 1 。 1 2 4 设计目标 本文提出了一种基于a r m 的嵌入式微处理器构成的传感图像液晶显示系 统，本系统充分利用嵌入式微处理器芯片内部丰富的接口资源，省去了外接各 种接口的麻烦，采取在硬件设计的基础上加载软件的方法完成设计，使系统更 容易通过修改软件并将其加载来实现。本系统的图像显示系统比较简单，低成 本，低功耗等优点；与此同时能快速接受数据并流畅的显示图像，根据其构 造，运行过程中不需核心芯片的介入，使配置更灵活，操作更方便。 基于a r m 的嵌入式l i n u x 系统的完成，需要进行两个方面的工作： 首先通过对u s b 摄像头的驱动开发，l i n u x 操作系统下具有u s b 摄像头 驱动程序的组织结构，掌握l i n u x 操作系统下u s b 摄像头的驱动程序开发方 法，并开发多种芯片的摄像头驱动程序。 通过对l i n u x 操作系统下摄像头设备的驱动过程来分析设备的驱动程序工 作过程，总结出不同摄像头的驱动程序无法通用的原因：主要是不同摄像头设 备采用的芯片( c h i p ) 和传感器( s e n s o r ) 不同，所以驱动程序对于不同摄像头设备 的控制方法和寄存器设定不同。 构造新的u s b 摄像头驱动程序软件结构，分为实现设备都具有的共性功能 的共有功能模块和实现芯片操作与传感器设置的芯片和传感器功能模块，以此 来实现u s b 通用摄像头驱动程序。 其次是完成l i n u x 操作系统下对l c d 屏的驱动程序开发，使得系统支持 液晶显示屏，同时还得完成l i n u x 下，对l c d 扫描式接口转换为v g a 接口， 使之能够驱动v g a 接口的显示器 本文的设计目标就是设计通用的摄像头驱动程序和能连接v g a 接口的各 种显示器，使得通用驱动程序能像专用程序一样使得摄像头设备正常工作，以 达到多功能，可更换的目的，解决l i n u x 操作系统下许多摄像头设备不被支 持，许多显示器不被支持的情况，为视频监控系统的应用打下坚实的基础。 哈尔演理一r 人学t 学形jl j 学位论文 1 3 论文的主要研究内容 本文所设计的接口设备是一种基于$ 3 c 2 4 4 0 芯片的并加载l i n u x 操作系 统，经裁剪后的l i n u x 系统可以驱动u s b 接口的摄像头和以v g a 接口为主要 接口的显示设备。通过摄像头采集图像，经系统处理，从v g a 输入到显示设 备上，同时为完成其多功能性和广泛的适应性，需要对驱动程序进行合理编 写。为完成以上工作需要对以下方面进行研究： 1 为完成设计，从硬件方面，必须搭载一个以$ 3 c 2 4 4 0 芯片为核心的电 路系统，首先，基本电路是不可或缺的，需要时钟电路来管理时序，电源电路 提供能量，复位电路来防止死循环，串口电路来进行通信，n o rf l a s h 电路和 s d r a m 来存储固定程序和提供内存。其次就是实现系统的主要部分，u s b 电 路和v g a 接口电路，同时还需要分析l c d 电路。 2 为了完成系统软件设计，通过b o o tl o a d e r 的移植，加载l i n u x 系统， 由于嵌入式的容量有限，对可裁剪的l i n u x 系统进行相应的选择性加载，其中 包括主要的u s b 摄像头驱动程序和能驱动l c d 扫描接口的主要程序，同时， 由于l c d 接口时序和v g a 是一致的，所以对l c d 接口程序进行相应的更 改，以此来完成软件的设计任务。 1 4 本章小结 本章首先介绍了课题研究的背景，指出开发小型的接口设备的必然性。接 着分析了目前液晶显示系统的发展状况，指出嵌入式系统在小型化，经济化方 面的优越性。最后提出研究内容，软硬件平台的建立为显示系统硬件方案及软 件的实现打下基础。 哈尔演理t 人学t 学硕l j 学位论义 第2 章嵌入式l i n u x 系统的构建 2 1 系统总体结构的设计方案 本系统是嵌入式的一个具体应用，以硬件电路为基础，适当裁剪软件，针 对特定功能，达到嵌入式系统的小型化、低功耗、可靠性的具体要求。嵌入式 系统一般包括微处理器、其它外接硬件设备、可裁剪的嵌入式操作系统、具体 的应用程序。本系统则具体包括a r m 微处理器、l c d 接口模块、v g a 接口 模块，存储器等部分。该系统的总体结构如下图2 1 所示。 图2 - 1 系统的总体结构框图 f i g 2 - 1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m 2 2 硬件平台结构 2 2 1 嵌入式处理器介绍 嵌入式系统最初的应用是基于单片机的，因为其8 位芯片能力不是很强， 只执行了一些简单的程序，不能称之为“系统 ，其实在嵌入式领域中，处理 器的种类非常丰富。从位数上分，包括4 位处理器、8 位微控制器、1 6 位处理 器、以及3 2 位处理器。目前，对于嵌入式处理器的要求还是速度快、容量 大，功耗低。不同的厂家生产芯片都是基于一些流行的处理器核。大致可以把 嵌入式处理器分为以下几种： 1 嵌入式片上系统片上系统是一种运用v h d l 语言在硅片内部进行语 言描述，精确调用各种通用处理器的标准通过精确地描述，控制时序逻辑，形 成一个小型的操作系统，这样就使得片上系统成为一个功耗低，体积小，易于 实现的集成器件。s o c 可以分为通用和专用两类，通用系列包括i n f i n e o n 的 t r i c o r e ，m o t o r o l a 的m c o r e 等，专用s o c 一般专用于某个或某类系统中，如 哈尔滨理_ i i 人学丁学硕f j 学化论丈 p h i l i p s 的s m a r tx a ，它将x a 单片机内核和支持超过2 0 4 8 位复杂r s a 算法 的c c u 单元制作在一块硅片上，形成一个可加载j a 、，a 或c 语言的专用的 s o c ，可用于公众互联网的安全方面。 2 嵌入式d s p 处理器d s p 就是数字信号处理，该处理器的处理速度是 其优越的特性，因此在对信号方面进行处理的能力要比其它的处理器效果好， 在数字滤波、快速傅里叶变换、以及频谱分析等方面得到推广。d s p 处理器可 以分为两类： ( 1 ) 在通用的单片机或者是片上系统中增加d s p 协处理器，例如i n t e l 的 m c s 2 9 6 。d s p 可以和a r m 及f p g a 联合使用，达到更好的处理效果。 ( 2 ) d s p 处理器通过改造，增加其片上外设，达到与其他芯片协同处理能 力，比如t i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 就是改造过的d s p 芯片。 嵌入式d s p 处理器比较有代表的产品就是t l 的t m s 3 2 0 系列及 d s p 5 6 0 0 0 系列。 3 嵌入式微控制器嵌入式微控制器的片上外设资源一般比较丰富，主要 是用于控制的方便性，在工业控制方面被广泛应用，其功耗和成本都很低。 嵌入式微控制器有通用型和半通用型两种，其中具有代表性的通用型系列 包括m c s 2 5 1 、8 0 5 1 、c 1 6 6 等，半通用型的系列有m c u 8 x c 9 3 0 、c 5 4 0 、 c 5 4 1 ；支持c a n 总线、l c d 等的众多专用m c u 和兼容系列。 4 嵌入式微处理器嵌入式微处理器就是一个个人电脑的缩小版，在其上 可以加载操作系统，但由于资源有限，只能加载和嵌入式有关的系统，去掉冗 余的部分。这样就会实现其小型化但处理能力比较强大的特点。目前a r m 系 列就是它的代表，它的设计方案被广泛推广，用到的领域有通信产品、监控系 统，多媒体系统，以及控制系统等。 2 2 2a r m 体系结构的介绍 a r m 公司推出了它们的系列产品，其处理器也被称为a r m ，a r m 公司 于1 9 9 0 年1 1 月在英国剑桥成立，它为全球提供r i s c 微处理器芯片，并提供 技术支持，为用户设计研发相应产品，推广其优质的处理器芯片以及相关芯片 技术。同时各大电子公司根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，产 生被消费者接受的处理器芯片。目前基于a r m 核的处理器按照其不刚技术背 景分为以下几类：a r m 7 系列、a r m 9 家族、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 家族、 a r m l l 系列、s e c u r c o r e 家族、o p t i m o d e 数据引擎内核、m p c o r e 多处理器系 列、i n t e l 公司的s t r o n g a r m x s c a l e 卜“。 哈尔演理t 人学t 学硕j j 学化论文 a r m 内核从3 级流水线增加到5 级，从最初的指令和数据共用的存储器 到现在的指令和数据的分开化设计，使以前在单位时钟周期内的数据量大幅减 少，提高了单位时钟的使用效率，可以提高到更高的时钟频率。这个流水线的 操作流程是先从存储器取得指令数据，送入指令流水线，在其上需要对其进行 编码，然后执行操作对操作数进行移位，从而产生舢l u 的结果；接着需要考 虑的是数据和缓冲这个方面，需要访问数据存储器就直接访问，如若不然，产 生的a l u 的结果暂时缓冲一个时钟周期，等待之后所有的指令具有相同的流 水线流程；经过这个流程后将指令产生的结果重新写入寄存器堆，同时也把存 储器中的数据也传给寄存器堆里。 2 2 3 硬件平台概述 $ 3 c 2 4 4 0 是三星公司推出的1 6 3 2 位r i s c 微处理器，为手持设备和一般 类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微处理器的解决方案。 $ 3 c 2 4 4 0 a 的杰出的特点是其核心处理器。是一个由a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s 有限公司设计的1 6 乃2 位a r m 9 2 0 t 的r i s c 处理器。a r m 9 2 0 t 实现了 m m u ，a m b a , b u s 和h a r b a r d 高速缓冲体系结构m “。这一结构具有独立的 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 。每个都是由具有8 字长的行组成。通 过提供一套完整的通用系统外设，$ 3 c 2 4 4 0 减少整体系统成本和无需配置额外 的组件。以下就是$ 3 c 2 4 4 0 芯片上现有的功能弘川： 1 需要四种不同的电压值，1 2 v 给内核供电，1 8 v 2 5 v 倍3 v 给相应存 储器供电，3 3 v 给外部t o 供电，同时i - c a c h e 和d c a c h e m m u 这两个微处 理器都具有1 6 k b 的空间； 2 用于控制外部存储的控制器( s d r a m 控制以及片选逻辑) ； 3 2 通道s p i ； 4 设置有通道d m a ，并且拥有用于外部请求的引脚； 5 3 通道u a r t ； 6 l c d 控制器，提供1 通道l c d 专用d m a ： 7 1 通道i i c b u s 接口和1 通道i i c b u s 音频编解码器接口； 8 a c 9 7 解码器接口； 9 兼容s d 主接口协议1 0 版； 1 0 m m c 卡协议2 1 1 兼容版； 1 1 2 端口u s b 主机1 端口u s b 设备； 1 2 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器； i 喻尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口； 具有日历功能的r t c ； 1 3 0 个通用的输入输出端口和2 4 个通道的外部中断源 具有p l l 片上时钟发生器； 具有四种不同模式，分别为普通型，慢速型，空闲型和掉电型四种。 2 3 系统各模块接口电路设计 2 3 1 s d r a m 存储系统 m i c r 0 2 4 4 0 使用了两片外接的3 2 mb y t e s 总共6 4 mb y t e s 的s d r a m 芯片 ( 型号为：h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p ) ，一般称之为内存，它们并接在一起形成3 2 - b i t 的总线数据宽度，这样可以增加访问的速度；因为是并接，故它们都使用了 n g c s 6 作为片选，根据c p u 手册中的介绍可知，这就决定了它们的物理起始 地址为0 x 3 0 0 ( 0 0 0 ，图2 2 是摘自m i c r 0 2 4 4 0 原理图中的s d r a m 部分原理 图。 幽2 2s d r a m 电路 f i g 2 - 2t h ec i r c u i to fs d r a m 8 c ：止 哈尔滨理t 人学下学硕l j 学位论文 2 3 2 系统时钟电路 这个系统中我们引入两路时钟信号，由这两个时钟频率来产生多个控制信 号，用于系统的控制，其中处理器工作时钟信号是1 2m h z 的晶振，另外一路 是实时时钟芯片产生的，频率是3 2 7 6 8h z 的晶振。时钟电路如图2 3 所示。 - l 一 图2 - 3 系统时钟电路 f i g 2 - 3c l o c kc i r c u i to fs y s t e m 2 3 3 串口电路 我们所使用的串口电路是r s 2 3 2 标准是一种常用的串行数据传输总线标 准，多采用9 芯或2 5 芯接口设计。在本系统中我们采用9 芯接口的设计，它 采用的是一种不平衡传输方式，是在低速率通信中的单端标准，通过r s 一2 3 2 标准的串口可以与上位p c 机进行通信，以此来传送和显示数据调试信息。下 图2 4 所示即为串口电路。 c o 、1 0 ro _ 呻 o - - - - - 二r o t x o一 r s c t s o o ，r 8 r x d o c r s r t s 0 o - - o - - - -1 r _ lo - 图2 4 串口通信电路 f i g 2 - 4s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t i = 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 2 3 4n o rf l a s h 电路 占据1 - 1 6 m b 闪存的绝大部分份额，它的特点是芯片内执行，它可以在不 需要任何软件支持就运行代码，而不需要驱动程序。对于n o rf l a s h 来说，其 带有s r a m 接口，可以凭借其引脚轻松存取内部数据。n o rf l a s h 具有传输效 率很高的特点，但是写入和擦除速度比较慢。n o rf l a s h 是一种非易失性存储 器，常用来存入保护性数据。常用的f l a s h 有n a n df l a s h 和n o rf l a s h ，为8 位 或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 3 v p l ，在本嵌入式系统中采用的n o rf l a s h 是a m d 公司生产的型号为a m 2 9 l v l 6 0 d b 的闪存，它的工作电压一般为 2 7 v 3 6 v ，标准是工作在1 6 位数据宽度，但是也可以在8 位字节数据宽度 上工作。系统如图2 5 所示。 l & d o r i二s 曲do 挣lj d a t a 4 l 扛o 2二4 a ld l ，：o a t a “d d r 二 md ： ：jl o a t 口 l a d d r 42 - 。u j jl 口 t a 3 l a d d p i2 1 a 4 1 8l o t u l a d d m 二0 出d5 圯i o t s l o d l i t 7y 崩d6 4 二l o t l d d i t $：s a?d广 士；t o t a 7 l a d d i q l8 j e o a t a l l “d d 静d9 ，二l o t l a d d a 6 甜od ：0 4l o a t l a d d m 21 l td ! l 3 6i o t l d o t 4 1 2d ： j 9i o & t a l 2 l 0 0 i 二 a 1 3d ：3 4loatal l 0 d 二 a 1 4d ：4 4 5l d & i u d d r l 直1 5d ：5 射l d a t a t i l d d ”韬 a 1 6 l & d d m ”： 土l v d 笾3 vl a d d - ：6 a 1 s 三7ql a d d r 2 9 a 1 9v l d o i 1 0 土：0 ， l o p 2 zj 3 芷i n c 琵 ：s n o e 鼹 t ：in瞳vod 匹 2 6l a i g o s l 0 嚣三 n 亡 i l ：_ t tl ， s t x c 1 41 1拍 t 猫辑， 、s s ei l 图2 5n o r f l a s h 电路 f i g 2 - 5t h ec i r c u i to fn o rf l a s h 2 3 5 系统复位电路 系统复位电路的作用是防止系统进入死循坏不能继续运行，另外它还有监 控系统电源的作用，防止电路系统因电源出现电涌之类的而损坏电路，因此确 定复位闽值( ，2 9 v ) ，如果低于此值，系统立即复位。本系统中我们用的芯片是 m a x 8 1 1 ，以下为系统复位电路，如图2 - 6 所示。 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学f _ ：7 ：论文 2 3 6u s b 接口电路 图2 - 6 系统复位电路 f i g 2 6t h e c i r c u i tf o rr e s e t u s b ( 通用串行总线) 接口正在被用于多种嵌入式系统设备的数据通信 中，按照u s b 协议规定能实现主机与设备之间的通信，同时，u s b 协议中含 有对u s b 设备接口进行检测的程序，使其能在连接时，自动配置属性和驱 动，达到即插即用的目的。现今，u s b 有两种接口协议的版本，一种是普遍用 于低速传输的u s b l 1 ，另一种是用于高速传输的u s b 2 0 。u s b 接口有以下特 占1 2 5 1 j 、 1 u s b 支持热插拔，其原因是u s b 驱动程序中有自动检测端口的功能， 在插拔时作出相应的反应。 2 速度够快，u s b 接口的最高传输率可达每秒1 2 m b ，相比并口快了十多 倍，更是接近串口的1 0 0 倍。 3 连接灵活，u s b 接口支持多个不同设备的同时连接，由于其灵活的拓 扑结构，既可以使用串行连接，也可以使用中枢转接头，在内部可自行判断不 同设备。 4 不需独立供电，u s b 接口提供了内置电源，可以向低压设备提供5 伏 电压，不需要专门的交流电，降低成本，使用更方便。 5 支持多媒体，u s b 音频信息生成于计算机外的机制使其具有高保真音 频，能提供两路数据支持对话，可支持异步以及等时数据传输。 u s b 接口又可以分为u s bh o s t 接口和u s bd e v i c e 接口，目前一般的 a r m 处理器都带有这两种接口，内部都有这两种接l j 的控制器，外部只需接 u s b 连接头及e s d 保护电路就可以方便的实现接口。 $ 3 c 2 4 4 0 的u s bd e v i c e 接口兼容于全速的u s b l 1 ，支持d m a 传输和 中断控制，提供了e p 0 到e p 5 一共5 个带有f i f o 的端点，在本系统中，通过 d p i 和d n l 两个端口来传输u s b 摄像头的数据，接口电路如图2 7 所示。 7 图2 7u s b 接口电路 f i g 2 - 7u s b i n t e r f a c ec i r c u i t 2 3 7l c d 接口电路 l c d 的特点是低压微功耗，平板型结构，被动显示型，显示信息量大，易 于彩色化等。用来控制l c d 使其完成工作的是l c d 驱动器和l c d 控制器， l c d 控制器需要对3 3 个输出端口进行数据信息和控制信息的传输，而l c d 控 制器本身则由1 7 个可编程寄存器来设定。这些设定完成后，l c d 的接口时序 也就确定，可以经过d m a 通道将系统总线中的视频数据通过它来传给显示 屏。本系统所用芯片是$ 3 c 2 4 4 0 ，l c d 控制器是集成在其中的，它是可以支持 s t n 和t f t 两种液晶的，支持三种显示类型，多种显示模式。l c d 接口电路 如图2 8 所示。 ：e d l v o d 5 v 1 v 口o ： ：v o d 暑v v d 21 ! 、，0 3 v d 4 s v d s v d 6 ； ：v 口7 0 n d ： v d 9 ：二 ：二i ：s v d l l：j ：二 v d l o v d l3 t 。 ：! v 口1 2 v d ls ：； ：s v 口1 4 v 口16 二： ： 6 n d 、，d 1 暑 二三 ： v d l 7 v d 2 0 二j ： v d l 拿 v d 2 2：。 ： v d 2 1 0 n d 二； ：s v d 2 3 e p b l ；： ；：l c 口一聋w v m ；二 j ： n 冀e s e t v u n e ；j ； v f r a m l t s x m； ；j v c l k ；st s x p t s y m ； ；：t s y p 二一 ：0 孓：； 图2 8l c d 接口电路 f i g 2 - 8l c d i n t e r f a c ec i r c u i t 哈尔滨理1 ：人学t 学硕i j 学f 论文 2 3 8v g a 接口电路 目前，在显示器领域制定了众多的数字化的显示接口协议，比较典型的是 d v i 。由于行业罩数字接口的标准还没有统一，各个厂商都是支持自己的标 准，没有一个统一的标准，导致了数字接口的标准迟迟未定。但是，v g a 接 口作为模拟接口，作为显示器领域多年的接口标准，到目i j i 为止还是被广大厂 商用于接口标准，而且某些高端的电视也是支持v g a 接口的，可见v g a 的 实用性。本电路图用的是1 5 针的v g a ，由a d v 7 1 2 0 这种高性能的数模转化 器来控制，同时采用的核心芯片是三星公司的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 来直接驱 动帧同步信号和行同步信号卜。v g a 接口电路如图2 9 所示。 2 4 操作系统结构 图2 - 9v g a 接口电路 f i g 2 - 9v g a i n t e r f a c ec i r c u i t 2 4 1 嵌入式操作系统 目l j ，幽际上有两百多种嵌入式操作系统，这些嵌入式操作系统可分为实 时操作系统和非实时操作系统两种。2 0 世纪8 0 年代丌始，市场上出现多样化 的商用嵌入式操作系统，大多数足为专有系统丌发的，以下介绍一下常用的嵌 哈尔滨胖1 _ 人学t 学硕i j 学化论义 入式操作系统卜“。 2 4 1 1v x w o r k sv x w o r k s 是w i n d r i v e r 公司丌发的实时嵌入式系统，该操 作系统软件为程序员提供了高效的与实时有关的功能，如实时任务调度、实时 的系统资源、实时的任务间通信以及中断管理。其核心功能主要有任务| 日j 通信 机制，微内核，网络支持，文件系统和输入输出端口的管理，c + + 以及其他标 准支持。 2 4 1 2 q n x 该系统也是一款实时操作系统，被广泛应用于电信、数据通 信。计算机网络等，q n x 的体系结构决定了它非常好的伸缩性，用户可以把 应用程序代码和q n x 内核直接编译在一起，生成一个单一的多线程映像。其 进程问的调度和通信以及中断处理等功能使它具有非常好的可移植性。 2 4 1 3p a l mo sp a l mo s 是一种3 2 位的嵌入式操作系统，被广泛用于掌上 电脑。与同步软件h o t s y n c 结合可以使p c 上的信息和掌上电脑实现同步，把 台式机的功能扩展到了手掌上。具有更大的灵活性。 2 4 1 4w i n d o w sc ew i n d o w sc e 是微软公司的产品，从s e g a 的 d r e a m c a s t 游戏机到现在大部分的高价掌上电脑都采用了w i n d o w sc e 作为操 作系统，但是造价过高，成本上升。该操作系统具有多线程，多任务的特点。 由于其模块化的设计，可进行定制。它有五个主要模块，包括内核模块、内核 系统调用接口模块、文件系统模块、图形窗口和事件子系统模块，以及通信模 块。w i n d o w sc e 嵌入式操作系统的最大特点就是能提供与p c 类似的图形界 面和主要的应用程序。 2 4 1 5u c o su c o s 是一个典型的实时操作系统。它的特点是公丌源代 码，代码结构清晰明了，注释详细，组织有条理，可移植性好，可裁剪，可固 化，内核为抢占式的，最多可以管理6 0 个任务。它结构小巧，但具有良好的 扩展性能，比如系统本身不支持文件系统，但是如果需要的话也可自行加入文 件系统的内容。 2 4 1 6 l i n u xl i n u x 是发展最快、应用最广泛的。随着l i n u x 的不断发展， 它支持分时处理和软实时处理，根据外部设备和存储空问的具体情况，可以通 过裁剪内核，按需定制，通过改变文件系统，减少代码占用空间，减少动态链 接库等方法，达到减小内核，降低功耗，使其功能逐渐强大。在人机交互界面 和网络功能方面，它不仅允许进行文件和程序的传输，还为系统管理员和技术 人