（信号与信息处理专业论文）双路音频信号系统人机接口及双核通信的设计及实现.pdf

原创性声明 本人声明：所早交的学位论文是本人在导师的指导i - i ! 圭行的研究i ：作及取得的研究成果。除本文已 经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内墓直盔堂及 其他教育机构的学位或证二i s 而使川过的材料。与我一同：i f f 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。 学位论文作者主名：逛 指导教师签名 e t 期：丛f ：笙 e t 期：圭! ! ：丘17 在学期间研究成果使用承诺书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使刚学位论文的规定，即：内蒙古火学有权将学位论文的全 部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索， 也可以采州影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期 间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古 大学就读期间导师的同意：若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。 学位论文作者签名：燃 指导教师签名： 粥鸳 e l 期：丕竺! ：上：笸 e l 期：2 盟! ：仁：! z 帅4m 2舢5 78舢8 咖1舢y _ 一 灌 i i 大增加，并且系统人机交_ - k 性好、体积小，功耗低，易于系统功能扩展升级。 i 成的纛鬈鬻篡裟震? 筹淼篙雯篡罢雾 、关键词：t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 ；l p c 2 3 8 7 ；人机接口；双核通信 t h e d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed o u b l ec h a n n e l sa u d i o s i g n a l s y s t e m m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dd u a l c o r ec o m m u n i c a t i o n a b s t r a c t o n eo ft h ei m p o r t a n tr e a s o n sf o rt h ew a t e rr e s o u r c e sw a s t ei sc a u s e db vc i t y g r o u n d w a t e rp i p e l i n el e a k ，a sf r e s h w a t e rr e s o u r c ee x h a u s t i n g ，p e o p l ea r ep a y i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt ot h ep i p el e a k a g ed e t e c t i o n t h ev o i c es i g n a lt ol e a k l e a k a g ed e t e c t i o nc o l l e c t i o na n da n a l y s i si st h em o s te f f e c t i v em e t h o d s ，m a n vo f t h er e l e v a n tu n i t sa r ei nt h ea s p e c t so ft h ep o s i t i v er e s e a r c h ，a l s od e v e l o p e d m a n y i n s t r u m e n t sw h i c hh a v ef e a tu r e s b u to nt h ec u r r e n tm a r k e t m o s to ft h e n s t r u m e n t sa r eb a s e do nd s pc h i pt m s 3 2 0 c 5 0 0 0 ，t h i sc h i pc a n t s u p p o r tt h e c u r r e n tm a i n s t r e a mc o l o rl c da n dt o u c hs c r e e nm a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，w h i c hn o t o n l yl i m i t st h ef u n c t i o ne x p a n s i o nu p g r a d e ，b u ta l s om a k e st h ei n s t r u m e n ti nl a r g e s i z e ，l a c ko fm o d e mi n d u s t r i a ld e s i g nt i m e s ，d on o ta c c o r dw i t he m b e d d e d e l e c t r o n i ce q u i p m e n t m i n i a t u r i z e d ，p o r t a b l et u r no fd e v e l o p m e n tt r e n d b a s e do nt h ea b o v er e a s o n s ，t h i sp a p e rb a s e do nd s p c h i pt m s 3 2 0 c 5 4 16 ， a n da d d e dt h em i c r o p r o c e s s o rl p c 2 3 8 7 ，c o l o rl c da n dt o u c hs c r e e n r e a l i z et h e m a n 。m a c h i n ei n t e r f a c et ot h ec u r r e n tm a i n s t r e a mc o n t r o lw i t hd u a l c o r es y s t e m b yw h i c hw ec a ng i v ef u l l p l a y t ot h e s t r e n g t h so ft h et w op r o c e s s o r s t h e t m s 32 0 c 5 416h i g h p e r f o r m a n c ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc a nc o m p l e t et h ea u d i o s i g n a l ，r e a l t i m e p r o c e s s i n g o fe x e c u t i v e c o m p u t a t i o n i n t e n s i v eo p e r a t i o n c o m b i n e dw i t ht h el p c 2 38 7m i c r o p r o c e s s o r sp o w e r f u lc o n t r o la b il i t ya n dr i c h i n t e r f a c ef u n c t i o n ，w ec a n g i v ef u l lp l a yt ot h es t r e n g t h so ft h et w op r o c e s s o r s t h r o u g ht h ec o m m u n i c a t i o n sb e t w e e na r mm i c r oc o n t r o l l e ra n dd s p c h i p i nt h a t c a s e ，t h ew h o l es y s t e mc a nw o r ki n g r e a t l yi n c r e a s e de f f i c i e n c e ，m a n 。m a c h i n e i n t e r a c t i v e ，s m a l lv o l u m e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，e a s yt o s y s t e mf u n c t i o n e x p a n s i o nt ou p g r a d e ： ， 1 气 篁 ： 鼍 k e y w o r d s ：t m s 3 2 0 c 5 416 ；l p c 2 3 8 7 ； m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ； d u a l c o r ec o m m u n i c a t i o n 疆矽馕彳 飘誓鼍j01瑰，；l， 拽 f 、 l ? r 张 内蒙古犬学硕士学位论文 目录 第一章引言。1 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 主要研究内容1 1 3 论文组织结构2 第二章：双路音频信号系统人机接口硬件设计一4 2 1a r m 处理器国内外研究现状和发展趋势4 2 2 l p c 2 0 0 0 系列a r m 概述一6 2 3 基于l p c 2 3 8 7 微处理器主要外围硬件的选择1 l 2 4 基于l p c 2 3 8 7 微处理器最小系统的设计11 2 5 基于最小系统的触摸屏输入电路硬件设计一1 4 2 5 1 触摸屏的工作原理1 4 2 5 2 触摸屏控制器的工作原理1 4 2 5 3 触摸屏输入系统的硬件接口电路一1 5 2 6 基于最小系统的l c d 输出电路硬件设计1 6 第三章双路音频信号系统人机接口软件设计1 9 3 1 嵌入式实时操作系统g c o s i i 概述19 3 2 双路音频信号系统底层软件设计一2 1 3 2 1g c o s i i 在l p c 2 3 8 7 微处理器上的移植2 l 3 2 2 基于l p c 2 3 8 7 微处理器b o o t l o a d e r 对 t c o s i i 的引导3 2 3 3 基于g c o s i i 的触摸屏驱动设计3 8 3 4 基于g c o s i i 的彩色l c d 驱动设计一4 4 第四章a r m d s p 双核系统的通信接口设计5 0 4 1 采用a r m d s p 双核系统的意义5 0 4 2a r m d s p 双核系统的通信接口的硬件设计。5 0 4 3 a r m d s p 双核系统的通信接口的软件设计5 4 第五章结束语5 6 致谢5 7 参考文献5 8 i v 内蒙古大学硕七学位论文 第一章引言 1 1 课题研究背景及意义 城市地下水管道的漏水是造成水资源浪费的一个重要原因，随着淡水资源的日益枯竭， 管道漏水检测越来越受到人们的重视。对漏水声音信号的采集分析是漏水检测最行之有效 的方法，许多相关单位都在此方面展开了积极的研究，也研制出了许多各具特点的漏水检 测仪器。但在当前市面上能见到的大部分漏水检测仪器都只是安装有简单的黑白液晶屏和 比较原始的按键，不仅限制了仪器功能的扩展，也使得仪器体积较大，不符合嵌入式电子 设备小型，便携的发展趋势，外型上也缺乏现代工业设计的时代感，不方便一般工程人员 的操作。如图1 1 所示： 图1 1当前市面上常见的漏水检测仪器 f i g 1 1t h ec o m m o nm a c h i n eo nt h em a r k e t 基于以上原因，本文在导师国家自然科学基金项目自来水管道漏水检测技术研究 漏水检测核心设备的基础之上，添加了彩色液晶屏和触摸屏，使得整个系统结构紧凑，便 于携带，有现代感，并且易于操作和功能的扩展升级。同时，也对a r m 微控制器与d s p 之问 双核通信的细节进行了理论上的探讨。采用采用双核模式可以充分发挥两种处理器的长 处，使整个嵌入式系统的工作效率大大增加，并且系统人机交互性好、体积小和功耗低。 1 2 主要研究内容 一妒卜夺， ；、，ff 一lff。， ic。 i?工 o参。弘庐m t_，-， j ij t：；噬nt厣，卜 q：，k产”i0、，；。 一j ， 内蒙古大学硕士学位论文 自来水管道漏水检测技术研究项目的双路音频信号系统，以d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 为信号处理的核心平台，采用自适应滤波的先进算法，能够对漏水声音信号实现较高精度 的定位，但是t m s c 5 4 1 6 外围不易添加彩色液晶屏和触摸屏，而一些a r m 内核的微处理器 在此方面表现出众。因此，本文在上述核心系统的基础之上，以a r m 7 内核的l p c 2 3 8 7 芯 片作为控制平台，并且加载实时性能优良的灿c o s i i 操作系统，一方面在外围添加2 5 6 色彩色液晶屏和高灵敏度触摸屏，另一方面在内部实现d s p 芯片和a r m 芯片之间数据的交 换，最终实现双核漏水检测系统协调有效的工作。 因此，本文要实现的主要内容有： 1 硬件方面： ( 1 ) l p c 2 3 8 7 处理器最小系统。 ( 2 ) 基于最小系统的触摸屏系统和彩色l c d 系统。 ( 3 ) a r m d s p 双核系统的通信接口设计。 2 软件方面： ( 1 ) 此0 s i i 在l p c 2 3 8 7 处理器上的移植以及b o o t l o a d e r 对此0 s 一工i 的引导。 ( 2 ) 基于此0 s i i 的彩色l c d 硬件驱动程序和触摸屏硬件驱动程序。 ( 3 ) a r m d s p 双核系统的通信接口驱动程序。 1 3 论文组织结构 论文一共分为五章，各章内容组织如下： 第一章概述，简单介绍了本课题选题背景、意义、课题的主要研究内容。 第二章硬件设计，详细介绍双路音频信号系统人机接口的硬件设计，包括a r m 处理 器国内外研究现状和发展趋势，基于a r m 内核的l p c 系列微处理器概述，基于l p c 2 3 8 7 2 内蒙古大学硕七学位论文 微处理器的最小系统设计，基于此最小系统的触摸屏模块和l c d 模块的硬件设计。 第三章软件设计，详细介绍双路音频信号系统人机接口的软件设计，包括嵌入式实 时操作系统uc o s i i 概述；双路音频信号系统底层软件设计：包括uc o s i i 在l p c 2 3 8 7 微处理器上的移植和l p c 2 3 8 7 微处理器b o o tl o a d e r 对pc o s - i i 的引导；基于1 c o s - i i 的触摸屏和彩色l c d 驱动程序设计。 第四章双核接口设计，详细介绍a r m d s p 双核系统的通信接口设计，包括采用a r m d s p 双核系统的意义；a r m d s p 双核系统的通信接口的硬件设计和软件设计。 第五章结束语，主要讲述了本设计已经完成的工作，需要改进和完善的内容以及对后 续工作的展望。 年的发展，a r m 处理器核因其卓 越的性能和显著的特点，已成为高性能，低功耗，低成本嵌入式处理器核的代名词，达到 了众多半导体厂家和整机厂商的大力支持。a r m 处理器已经占据了大部分3 2 位，6 4 位 高端嵌入式处理器的市场，形成了移动通信，手持计算，多媒体数字消费等嵌入式解决方 案事实上的标准。优良的性能和广泛的市场定位也极大地增加和丰富了a r m 的资源，加 速了基于a r m 处理器面向各种应用的系统芯片的开发和发展，使得a r m 技术获得更加 广泛的应用，确立了a r m 技术和市场的领先地位。 国内近几年来嵌入式领域开发异常火爆，华为，大唐，东南大学，清华大学等一批 企业和研究机构，购买了a r m 公司的i p 授权用于自有知识产权的s o c 芯片的设计。正 在逐步缩小我国在嵌入式领域和国外的差距。 经过这些年的发展，国内外a r m 处理器技术的突出成果表现在： 1 使用t h u m b 的新型压缩指令格式，使得应用系统开发可降低系统成本和功耗； 2 a r m 9 ，a r m l 0 ，s t r o n g a r m 和a r m l l 等系列处理器的开发，显著地提高了a r m 的性能，使得a r m 技术在面向高端数字音频，视频处理等多媒体产品的应用中更 加广泛； 3 更好的软件开发和调试环境，加快用户产品的开发； 4 更广泛的商业联盟使得基于a r m 的嵌入式应用领域更加广阔； 5 嵌入式在复杂s o c 中，基于a r m 核的调试系统代表着当今片上调试技术的前沿； a r m 公司的i p 核也由a r m 7 ，a r m 9 发展到今天的a r m l l 版本。a r m l l 囊括了 t h u m b 一2 ，c o r e s i g h t ，t r u s z o n e 等众多业界领先技术，同时由单一的处理器内核向多核发展， 为高端的嵌入式应用提供了强大的处理平台。高集成度s o c 芯片的采用可以带来一系列 好处，诸如减少了外围器件和p c b 面积，提高系统抗干扰能力，缩小产品体积，降低功 耗等。这是a r m 处理器发展的一个必然趋势。 4 内蒙古火学硕士学位论文 a r m 处理器型号比较多，在选择的时候一般可以遵照以下原则： a r m 7 微处理器系列： a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和功耗要求 较高的消费类应用。a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e m e t 设备、 网络和调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。 a r m 9 微处理器系： a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。a r m 9 系列微处 理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、高端打印机、数字照相机和数 字摄像机等。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型，以 适用于不同的应用场合。 a i 蝴9 e 微处理器系列： a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控制器、 d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大地减少了芯片的面积和系统的复杂程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同时使用d s p 和微控制器 的应用场合。a r m 9 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、存储设备和网络设备等领域。a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、 a r m 9 4 6 e - - s 和a r m 9 6 6 e - - s 三种类型，以适用于不同的应用场合 a r m l 0 e 微处理器系列： a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结构，与 同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ，同时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。a r m l 0 e 系列微处理器主要应 用于下一代无线设备、数字消费凤成像设备工业控制、通信和信息系统等领域a r m l 0 e 系列微处理器包含a r m l 0 2 0 e 、a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s 三种类型，以适用于不同 的应用场合。 a r m l l 微处理器系列： a r m l1 是a r m v 6 体系结构的第一个实现，a r m l1 微结构的设计目的是为了高性 能，而实现这一目的流水线是关键。a r m l l 微结构的流水线与以前的a r m 不同( 如图1 所示) ，它包含8 级流水线，分别为预取1 、预取2 、解码、发送、转换m a c l 、执行m a c 2 、 内存访问m a c 3 和写入等八个单元，使贯通率比以前的提高4 0 。 5 3 d 图形、游戏物理应用以及传统嵌入式控制应用的需求。此外，a r m y 7 还支持改良的运行 环境，以迎合不断增加的j i t ( j u s ti nt i m e ) 和d a c ( d y n a m i c a d a p t i v ec o m p i l a t i o n ) 技术 的使用 3 1 。 2 2l p c 2 0 系列a r m 概述 l p c 2 0 0 0 系列微控制器基于a r m 7 t d m i sc p u 内核。支持a r m 和t h u m b 指令集， 芯片内集成丰富外设，而且具有非常低的功率消耗。使该系列微控制器特别适用于工业控 制、医疗系统、访问控制和p o s 机等场合。 l p c 2 0 0 0 系列微控制器将a r m 7 t d m i s 配置为小端模式( l i t t l e e n d i a n ) 。a h b 外 设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 寻址空间的最顶端。每个a h b 外设 都分配了1 6 k b 的地址空间。l p c 2 0 0 0 系列微控制器的外设功能( 除中断控制器) 都连接 到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连。v p b 外设也分配了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外设都分配了1 6 k b 的地址空间。不 同封装的芯片具有数目不等的i o 口，它们可以承受5 v 电压。每个i o 口可以独立设置 为输入输出模式，在作为输出模式时可以分别置位或清零。l p c 2 0 0 0 系列微控制器内部基 本结构如图2 1 所示： 6 内蒙古大学硕上学位论文 图2 1l p c 2 0 0 0 系列微控制器内部基本结构 f i g 2 1t h ei n s i d es t r u c t u r eo f l p c 2 0 0 0 其中，向量中断控制器( v i c ) 可以减少中断的响应时间，最多可以管理3 2 个中断 请求；外部存储器控制器( e m c ) 支持4 个b a n k 的外部s r a m 或f l a s h ，每个b a n k 最多1 6 m b ；i i c 串行接口为标准的i i c 总线接口，支持最高速度4 0 0 k b 。 l p c 2 3 0 0 系列微控制器是l p c 2 0 0 0 系列微控制器中比较先进的型号，l p c 2 3 0 0 系列 a r m 基于a r m 7 t d m i sc p u 内核。支持a r m 和t h u m b 指令集，芯片内集成丰富外设， 而且具有非常低的功率消耗。l p c 2 3 0 0 系列a r m 包含了1 0 1 0 0e t h e m e tm a c 、u s b2 0 全速接口、4 个u a r t 、2 路c a n 通道、1 个s p i 接口、2 个同步串行端口( s s p ) 、3 个 1 2 c 接口、1 个1 2 s 接口和一条m i n i b u s 总线。十分适合需要串行通信的场合。 常见l p c 2 3 0 0 系列微控制器基本片上资源如表2 1 所示： 7 内蒙古大学硕：1 ：学位论文 表2 1l p c 2 3 0 0 系列微控制器基本片上资源 t a b l e 2 1t h er e s o u r c eo i lt h ec h i po fl p c 2 3 0 0 引脚 以太u s b s d 器件f l a s h s r a mc a ng p d m aa d cd a c外部总线 数网 设备m m c l p c 2 3 6 41 0 01 2 8k b3 4k b jt- 6 路1 路 2 p c 2 3 6 61 0 02 5 6k b5 8k b t_ 6 路1 路 2 p c 2 3 6 81 0 05 1 2k b5 8k b _ 6 路1 路 l p c 2 3 7 81 4 45 1 2 k b5 8k b _ 8 路l 路 l p c 2 3 8 71 0 0 5 1 2k b9 8k b0 6 路1 路 l p c 2 3 8 81 4 45 1 2k b9 8k b _ 8 路l 路 其中，l p c 2 3 8 7 微控制器基于1 6 位3 2 位r m 7 t d m i sc p u ，它的实时仿真功能为 微控制器提供了5 1 2 k b 的嵌入式高速f l a s h 存储器。1 2 8 位字长的存储器接口和独特的加 速器架构使得这个微控制器能够以最高的时钟速率执行3 2 位代码。对中断服务程序和d s p 算法的重要性能而言，上述特点能够将t h u m b 模式下的性能提升多达3 0 。对于代码大 小较关键的应用而言，可选的1 6 位t h u m b 模式能够以最低的性能代价将代码缩减超过 3 0 。l p c 2 3 8 7 特别适合用于多用途串行通信应用。其外围引脚如图2 2 所示： 内部模块如图2 3 所示 图2 2l p c 2 3 8 7 外围引脚图 f i g 2 2 t h eo u t s i d ep i n so fl p c 2 3 8 7 8 内蒙古人学硕士学位论文 图2 3l p c 2 3 8 7 内部模块图【4 】 f i g 2 3 t h es t r u c t u r ef r a m eo fl p c 2 0 0 0 l p c 2 3 8 7 微处理器片上资源包括以下方面： a r m 7 t d m i s 处理器，工作频率高达7 2 m i z 一5 1 2 k b 的片上f l a s h 程序存储器，提供在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) 功 能。f l a s h 程序存储器在a r m 局部总线上，以用于高性能的c p u 访问。 _ a r m 局部总线上的6 4 k bs r a m 用于高性能的c p u 访问。 - 1 6k b 的s r a m 用于以太网接口，也可以用作通用s r a m 。 一1 6k bs r a m 用于通用d m a ，也可以通过u s b 进行访问。带有辅助d m a 控制器 的以太网m a c 。这些功能都由独立的a h b 提供。 - 全速u s b2 0 设备，带有片上物理层以及辅助d m a 控制器。 一4 个u a r t ，能够产生分数波特率、1 个带有调制解调器控制i o 、1 个提供i r d a 支持、全都带有f i f o 。 _ 双通道c a n 控制器。 一s p i 控制器，2 个s s p 控制器，提供f i f o 及多协议功能。其中一个也是s p i 端口， 与之使用相同的中断和管脚。这些可以与g p d m a 控制器一同使用。3 个1 2 c 总 9 内蒙古人学硕士学位论文 线接口( 1 个带有漏极开路，2 个带有标准的端口管脚) 。1 2 s ( 音频芯片互联) 接 口，用于数字音频输入或输出。它可以与g p d m a 一同使用。 s d 小删c 存储卡接口。 - 7 0 个通用i o 管脚，带有可配置的上拉下拉电阻。 1 0 位a d c ，6 个管脚间输入是多路复用。 - 1 个p w m 定时器模块支持三相电机控制。p w m 具有2 路外部计数输入。 实时时钟( r t c ) 具有独立的电源管脚，时钟源可以是r t c 振荡器或a p b 时钟。 2 k bs r a m 由r t c 电源管脚供电，在芯片其余部分断电的情况下可用于存储数据。 4 个通用定时器计数器，共有8 路捕获输入和1 0 路比较输出。每个定时器模块都 带有外部计数输入。看门狗定时器( w d t ) 。w d t 可由内部r c 振荡器、r t c 振 荡器或a p b 时钟提供信号。 一标准的a r m 测试调试接口，与现有工具兼容。 仿真跟踪模块，支持实时跟踪。 一单路3 3 v 电源( 3 0 v 到3 6 v ) 。 _ 3 种省电模式：空转( i d l e ) 、睡眠( s l e e p ) 以及断电( p o w e r - d o w n ) 。 4 个外部中断输入，可配置为边沿电平触发。端口0 和端口2 上的所有管脚都可以 用作边沿触发中断源。 在断电( p o w e r - d o w n ) 模式下，任何中断都能够将处理器唤醒( 包括外部中断、r t c 中断、u s b 活动以及以太网唤醒中断) 。 - 2 个独立的电源域，能够根据所需要的功能对功耗进行细微调节。 _ 每个外设都具有自身的时钟分频器，以进一步节省电能。 一用于中断和强制复位的具有不同阈值的欠压探测。 一片上上电复位。 一片上晶振，工作频率在1 m h z 到2 4 m h z 之间。 一4 m h z 内部r c 振荡器，精度可调节至1 ，可以选作系统时钟。如果选作c p u 时 钟，就不允许c a n 和u s b 运行。 _ 片上p l l 允许c p u 工作在最高c p u 速率，而不需要高频晶振。可以由主振荡器、 内部r c 振荡器和r t c 振荡器提供信息。 一多种多样的管脚功能选择，为片上外设功能提供了更多的可能性。 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 由于l p c 2 3 8 7 的以上特性，使得其比较适用于工业控制，医疗系统，协议转换器， 通信设备等应用场厶【4 1 。 2 3 基于l p c 2 3 8 7 微处理器主要外围硬件的选择 本文的人机接口设计，主控制平台选用l p c 2 3 8 7 微控制器结合t m s c 5 4 1 6 数字信号 处理芯片构成双核系统。外围器件中，触摸屏采用s h a r p 公司的四线式电阻触摸屏，触 摸屏控制器采用b b 公司的a d s 7 8 4 3 ，彩色l c d 采用d a t a i m a g a 公司的具有3 2 0 * 2 4 0 个像素点，带c f l 背光的s t n ( 超扭曲向列) 2 5 6 色l c d 显示模块，具体型号为 s g 3 2 2 4 0 0 c n c w a 0 1 。基于上述双核平台的人机接口框图如图2 4 所示： 图2 4 双核平台人机接口框图 f i g 2 4 t h es t r u c t u r ef r a m eo ft h ei n t e r f a c eo ft h ed o u b l ec o r e 2 4 基于l p 0 2 3 8 7 微处理器最小系统的设计 最小系统是由保证微处理器可靠工作所必须的基本电路组成的。l p c 2 3 8 7 的最小系 统由l p c 2 3 8 7 、电源电路、晶体振荡器电路、复位电路和j t a g 接口电路组成。它们的连 接关系如图2 5 所示： 内蒙古大学硕十学位论文 复位电路 上 电源电路r 叫l p c 2 3 8 7 卜卜1 晶体振荡器电路 害 j t a g 接口电路 图2 5 最小系统框图 f i g 2 5 t h el e a s t s y s t e r m 1 电源电路 7 5 ：晏，l 、玄绪由id p o q q 7 雨卸公白k 嗣舆肚重2n ，南酒旦k k如公翼肚重面n ，由 源，为简化系统电源电路的设计，要求整个系统的输入电压为5 v 直流稳压电源。为了得 到可靠的3 3 v 电压，此处选用l i n e a rt e c h n o l o g y 公司生产的l t l 0 8 5 c t - - 3 3 型d c d c 变换器，它的输入电压为5 v ，输出电压为3 3 v ，输出电流可达3 a 。电源电路如图2 6 所 示。 l t l0 8 5 c t - 3 3 图2 6 电源电路【9 l f i g 2 6 p o w e rc i r c u i t 2 晶体振荡器电路 该电路用于向l p c 2 3 8 7 和其他电路提供工作时钟。鉴于有源晶体振荡器在工作u j 靠 性和精度上都要优于无源晶体振荡器，故在系统中使用了有源晶体振荡器。根据l p c 2 3 8 7 的最高工作频率及p l l 电路的工作方式，选择i o m h z 的有源品体振荡器，其频率经过 l p c 2 3 8 7 内部p l l 电路倍频后，最高可达7 2 m h z 。内部p l l 电路兼有频率放大和信号提 1 2 内蒙古大学硕上学位论文 纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率。晶体振荡 器电路如图2 7 所示： 3 3 y o 1pf 14 t v c e 。o u t o r 2 g n dk c t 1o 醚 z 图2 7 晶体振荡器电路9 i x c l 笈 f i g 2 7c r y s t a l c i r c u i t 3 复位电路 该电路主要完成系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能，有助于用户调 试程序。此处选用i m p 公司生产的i m p 7 0 8 t c s a 型复位电路，它的工作电压为3 3 v ，具有 1 个手动复位输入引脚和2 个复位输出引脚( 高电平有效引脚和低电平有效引脚各1 个) ， 可以满足不同复位信号的要求。复位电路如图2 8 所示： 图2 8 系统复位电路i 9 l f i g 2 8 r e s e tc i r c u i to fs y s t e m 4 j t a g 接口电路 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 一联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议，主 要用于：签片内部测试及对系统进行仿真、调试，j t a g 技术是一种嵌入式测试技术。通过 j t a g 接 j 可对j 陈片内部的所有部件进行访问，是开发调试嵌入式系统的一种简洁高效的 手段。它有2 种连接标准，即1 4 针接口和2 0 针接口。此处选择1 4 针接口的标准。j t a g 接口电路如下图所示【9 】： t j 内蒙古大学硕士学位论文 3 3 v 图2 9j t a g 接口电路例 f i g 2 9 t h ei n t e r f a c ec i r c u i to fj t a g 2 - 5 基于最小系统的触摸屏输入电路硬件设计 2 5 1 触摸屏的工作原理 嵌入式系统触摸屏的应用越来越广泛，选用l c d 触摸屏作为系统的输入设备可以减 小系统体积，并且易于系统的升级触摸屏分为电阻、电容、表面声波、红外线扫描和矢 量压力传感等，其中用的最普遍的是四线或五线电阻触摸屏。触摸屏一般由三部分组成， 两层透明阻性导体层、隔离层及电极触摸屏工作时，上下导体层相当于电阻网络，当某 一层电极加上电压时，会在该网络上形成电压梯度如有外力使得上下两层在某一点接触， 则在电陂未加电压的另一层可以测得接触点处的电压，经过a d 转换知道接触点处的坐 标如：在底层的电极( y + ，y 一) 上加电压，则在底层导体层上形成电压梯度，当有外力 使得上下两层在某一点接触，在顶层就可测得接触点电压，再根据该电压与电极( x + ) 之问 的距离关系，推出该处的y 坐标然后，将电压切换到( x + ，x 一) 项层电极上，并在底层测 量接触点电压，从而知道x 坐俐1 们。 2 5 2 触摸屏控制器的工作原理 由于l p c 2 3 8 7 微处理器内部没有触摸屏控制模块，若用软件方式实现，程序过于复杂， 会导致触摸屏反映延迟过大，而采用外加触摸屏控制器就不会出现这个问题。故本系统需 外加触摸屏控制器，通过刈触摸屏控制器编程，问接地控制触摸屏快速，准确的工作。在 最小系统上添加触摸屏模块的框图如图2 1 0 ： 1 4 组成下图是实 际中设计的触摸屏输入电路，在本电路中，微控制器采用p h i l i p 公司a r m 7 内核的l p c 2 3 8 7 ， 触摸屏采用s h a r p 公司的四线式电阻触摸屏，触摸屏控制器采用明公司的a d s 7 8 4 3 。如图 2 11 所示： e l n t o 姗0 0 s c k o p i 3 l m o s l 0 s s e l o 眦2 3 8 7 p e n i r q y + d o u tx + d c l k 。 y b u s yx - d l n csa d s 7 1 3 1 厂：i 三三三 竽摸群| rr 1 y 电援 h ： 引睫 y 电极 x 电 掇 图2 。1 1实际的触摸屏输入电路 f i g 2 1 1 t h ec i r c u i to ft o u c hs c r e e ni np r a c t i c e 其中，a d s 7 8 4 3 由多个模拟开关组成的供电一测量电路网络和1 2 位的a d 转换器组 成，其最高转换速率达n t z 5k l t z x 十、y + 、x 一、y 一是转换器模拟输入端触摸屏工作 时，上下导体层相当于电阻网络当在x 电极对上施加一确定的电压，而y 电极对上不加 电压时，在x 平行电压场中，触点处的电压值可以在y + ( 或y 一) 电极上反映出来，通过测量 y + 电极对地的电压大小，便可得知触点的x 坐标值同理，当在y 电极对上加电压，而x 电 极对不加电压时，通过测量x + 电极的电压，便可得知触点y 坐标外加触摸屏控制器a d s 7 8 4 3 的内部结构如图2 1 2 所示： 内蒙古大学硕士学位论文 p b n i r - q ，笔中断信号 d o u t ，坐标输出 b u s y借换状态 cs，使能控镧 d c l k时钟信号 d 小，控制字输入 图2 1 2a d s 7 8 4 3 的内部结构 f i g 2 12 t h es t r u c t u r ef r a m eo fa d s 7 8 4 3 在上面触摸屏输入电路中，l p c 2 3 8 7 通过s s p 接口、外部中断e i n t 0 与a d s 7 8 4 3 相连。 当有触摸时，笔中断引脚输出低电平，从而向l p c 2 3 8 7 提中断请求，表示有触摸发生，随 后l p c 2 3 8 7 响应该请求，2 4 个时钟周期完成一次坐标转换的a d s 7 8 4 3 转换时序及控制字格式 如图2 1 3 所示： 舀 r _ 阢l x 一一一啊几几n 门一门同闷门几一门门几同网目门f 1 门门几同 哪同丑丑巫觋 s t 瓢 控铡牢 嘲 一。 r 广 踟 一一：口亚亚圈匝巫e 圆! ： 厂 图2 1 3a d s 7 8 4 3 的转换时序 f i g 2 13 t h e s e q u e n c ec h a r to f a d s 7 8 4 3 2 6 基于最小系统的i o d 输出电路硬件设计 在本设计中，l c d 的作用是显示菜单形式的控制界面和漏水检测处理结果的图形界 面。具体使用的是d a t a i m a g a 公司的具有3 2 0 * 2 4 0 个像素点，带c f l 背光的s t n ( 超扭曲向 歹i j ) 2 5 6 色l c d 显示模块，具体型号为s g 3 2 2 4 0 0 c n c w a 0 1 。此l c d 显示模块对工作环境的 要求为： 工作温度：0 6 0 。c ，低于0 。c 或高于4 0 。c 时，l c d 的显示质量不能保证。 保存温度：- 2 0 6 0 。c 。 工作保存湿度( 无压缩无凝结状态下) ：1 0 8 5 r h ，当温度高于4 。c 时，最大 1 6 内蒙古大学硕士学位论文 湿度要小于8 5 r h 。 i 使用时避免静电危害，对电压要求( 温度2 5 时) ： 电气特性如下表2 2 ： 表2 2l c d 电气特性f 1 1 t a b l e 2 2e l e c t i l ec h a r a c t e f i s t i co fl c d t 鲫啦；2 v d d = + 5 o v 5 j t 蒯s y 鳞附mc o n d i t i f ) nh i n t y p 凇x t j n l r s u p p l yv o