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南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 摘要 嵌入式数据终端开发平台是针对江苏光一科技公司现有自动抄表产品的技术不 足，而设计开发的智能抄表新平台。公司将在平台基础上，进行二次开发，设计出最 终的智能抄表产品。本文主要介绍本人负责完成的嵌入式数据终端开发平台的硬件设 计与开发。 论文基于嵌入式数据终端开发平台的需求分析，论证并选择了l p c 2 2 9 2 嵌入式处 理器作为开发平台的核心控制单元，进行了系统的总体方案论证与设计；根据 l p c 2 2 9 2 处理器功能特点，设计了开发了嵌入式数据终端开发平台完整的外围电路， 包括电源管理与复位电路、存储模块、通信模块、人机接口电路、a d 转换、p w m 输 出控制等；论文针对智能抄表系统复杂的户外工作环境，研究了各种干扰抑制措施， 提出了系统硬件的抗干扰设计、软件抗干扰设计、印制线路板抗干扰设计方案等，有 效地提高了系统的抗干扰能力；论文论述了开发平台的硬件电路调试及系统硬软件集 成。 通过对嵌入式数据终端开发平台的集中测试表明：该平台成功的将嵌入式a r m 处理器应用到现代智能抄表设计中，弥补了原有自动抄表产品的技术不足，达到了预 定的设计目标。 关键词：嵌入式，智能抄表，硬件，a r m ，l p c 2 2 9 2 ，抗干扰 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式散据终端平台设计与研发( 硬件设计) a b s t r a c t t h ee m b e d d e dd e v e l o p m e n tp l a t f o r mo fd a t at e r m i n a li san e wi n t e l l i g e n t m e t e rr e a d i n gs y s t e mp l a t f o r md e s i g n e df o rj i a n g s ue l e f i r s tc o m p a n yb a s e do n t h ep u r p o s et os o l v es o m ed i s a d v a n t a g e so ft h ee x i s t i n gm e t e rr e a d i n gs y s t e m t h ec o m p a n yw i l lh a v eas e c o n d d e v e l o p m e n to nt h i sp l a t f o r mt od e s i g nt h ef i n a l p r o d u c t i o n t h et h e s i sm a i n l yd i s c u s s e st h eh a r d w a r ed e s i g no ft h i sp r o j e c t w h i c hit a k ec h a r g eo f t h et h e s i s ，f i r s t l ya c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h en e wp l a t f o r m ， c h o o s e sl p c 2 2 9 2a si t sk e r n e lc o n t r o l l i n gu n i ta n dm a k eaw h o l et e c h n i q u e a n a l y s i sa n dd i s c u s s i o n ：t h e ni ti n t r o d u c e sh o wt od e s i g nt h ep e r i p h e r a l c i r c u i t ，i t si n c l u d i n gp o w e rm a n a g e m e n ta n dr e s e tc i r c u i t ，m e m o r ym o d u l e ， c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，l c d k e yc i r c u i t ，a dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，p mo u t p u t c o n t r o lc i r c u i ta n ds oo n ；b e c a u s et h ef i n a lp r o d u c t i o nw i l lw o r ki nac o m p l e x e n v i r o n m e n t ，t h en e wp l a t f o r mu s e sh a r d w a r ea n t i j a m m i n gt e c h n o l o g y ，s o f t w a r e a n t i - j a m m i n gt e c h n o l o g ya n dp c ba n t i 。j a n n i n g t e c h n o l o g yt oi m p r o v et h e a b i l i t yo fi t sa n t i j a m m i n g ；t h e t h e s i sa l s od i s c u s s e st h ei n t e g r a t i o n d e b u g g i n go ft h eh a r d w a r ec i r c u i ti nt h ee n d b yt e s t i n g ，t h en e ws y s t e mo v e r c o m e st h ed i s a d v a n t a g eo ft h eo l ds y s t e m a n dw es u c c e s s f u l l ya p p l yt h ee m b e d d e da r mm i c r o p r o c e s s o rf o rt h ed e s i g no f a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n gs y s t e m k e yw o r d s ：e m b e d d e d ，a u t o m a t i cm e t e rr e a d i n g ，h a r d w a r e ，a r m ，l p c 2 2 9 2 ， a n t i j a m m i n g 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：；左霾歪。年月加 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 1 绪论 1 1 课题背景 江苏光一科技有限公司多年从事电力行业集中抄表技术研发工作，该公司的主要 产品为配变电实时监测系统、电力负荷管理系统及集中抄表系统。 目前，该公司推出的e f c 一2 0 0 0 集中抄表系统，能满足机械表、电子表、复费率 电表等多种居民用户电能表的远程集中抄收，其用户遍及全国各地，具有3 0 万以上 用户 劓。 本课题所设计的嵌入式数据终端使用基于a r m 7 内核的嵌入式处理器，具有数字 通信、智能控制、实时检测、数据交换、人机接口、数据缓存等功能。课题研发目的 是为江苏光一科技有限责任公司提供产品原型，公司将在本课题研究基础上，对数据 终端进行二次开发，开发出适应实际工作环境的智能抄表集中器及手抄机等相关产 品。 1 2 嵌入式自动抄表系统国内外发展现状 1 2 1 嵌入式系统的概念及应用现状 ( 1 ) 何谓嵌入式系统? 由于嵌入式系统本身是一个外延很广的名词，所以目前并没有很统一的定义，可 以这样说，凡是与产品在一起具有嵌入式特点的控制系统都可以叫做嵌入式系统。为 此，我个人认为可以从以下两方面来理解嵌入式系统。 从定义上来理解 国际电气和电子工程师协会( i e e e ) 的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或 者辅助机器、设备和车间运行的装置”( 原文为d e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ， o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no fe q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ) 。 目前国内普遍认同的一个定义：嵌入式系统是“以应用为中心、以计算机技术为 基础，软硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求 的专用计算机系统”。 从嵌入式系统的特点来理解“ & 嵌入式系统是针对各种具体的产品、应用的系统，每一套嵌入式系统的开发都 有其特殊的应用场合和功能： b 嵌入式系统可根据应用需求对软硬件进行裁减，使得成本、功耗降到最低，体 南京理i 大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 积最小； c 嵌入式系统是计算机系统，只不过是专用的计算机系统； d 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片中，而不是存贮于磁盘等载体， 这样可以提高执行速度和系统可靠性，因此，嵌入式系统更能适应各种复杂的应用场 合。 ( 2 ) 嵌入式系统的发展概况 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术也将获得广阔的发展空间美 国著名未来学家葛洛庞帝1 9 9 9 年1 月访华时预言，铀5 年后嵌入式智能( 电脑) 工具将是 p c 和因特网之后最伟大的发明。我国著名嵌入式系统专家沈绪榜院士1 9 9 8 年1 1 月在武 汉全国第1 1 次微机学术交流会上发表的计算机的发展与技术一文中，对未来1 0 年以嵌入式芯片为基础的计算机工业进行了科学的阐述和展望。 进入2 0 世纪9 0 年代，嵌入式技术全面展开，目前己成为通信和消费类产品共同的 发展方向。在通信领域，数字技术正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，美国已 经开始由模拟电视向数字电视的转变，欧洲d v b ( 数字电视广播) 技术己在全球大多数 国家推广。数字音频广播( d a b ) 也己进入商品化试播阶段。而软件、集成电路和新型 元器件在产业发展中的作用日益重要。所有上述产品中，都离不开嵌入式系统技术。 在个人领域中，嵌入式产品将主要是作为个人移动的数据处理和通信工具。 信息时代、数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入式市场展现 了美好的前景。从中可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势： 嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬 件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持； 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而日益提高，网络 互联成为必然趋势，未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提 供各种网络接口； 提供友好的多媒体人机界面，嵌入式设备能与用户亲密接触，能提供非常友好 的用户界面、图像界面和灵活的控制方式。 ( 3 ) 嵌入式系统的应用领域 社会的进步和科技的发展，促进和扩展了嵌入式系统的应用，现在，嵌入式比较 典型的应用领域有： 移动设备 主要包括p d a 、手机、m p 3 、数码相机等相关电子产品。 工控、医疗仪器 伴随工业、医疗卫生的发展，对智能控制仪器设备的需求不断增长，从而为嵌入 式系统的应用提供了广阔的市场。同时也对嵌入式系统的实时性、可靠性、功能的可 2 扩充能力、功耗和集成度等方面提出了更高的要求。 信息家电 信息家电是指所有能提供信息服务或通过网络系统交互信息的消费类电子产品， 诸如空调、冰箱、机顶盒、视频点播、文字处理、智能抄表等。这些产品都具有简单 易用，价格低廉、维护简单等特点，而嵌入式系统极好的适应了这些产品的需求，因 此，信息家电领域将成为嵌入式系统最大的应用领域。 1 2 2 自动抄表系统的发展概况 ( 1 ) 典型智能抄表系统结构：墨一翻。j 1 智能抄表系统的典型结构如图1 2 2 1 所示。 图1 2 2 1 智能抄表系统结构图 计量表 这里的计量表并不是传统意义上的机械式计量表，一般都是在原有机械基表上加 装传感电路制成的。这种方式的优点在于一是机械基表的应用广泛且技术已达到了非 常成熟的程度，精密、可靠；二是机械基表能够方便的在不影响性能的情况下加装电 子电路，扩充其功能。 通过在基表上加装传感电路，就把机械计量的结果转换为模拟量、开关量、或者 脉冲量，加上相应的采集电路就构成智能电子水、电、气表。计量表是智能抄表的数 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 据基础，对智能抄表的精确度具有决定性的影响。 采集器 采集器的主要功能是对脉冲进行计数，同时与集中器进行通信。采集器一般负责 检测传感器送来的脉冲，为了保证数据采集的可靠性，常采用光电隔离方式。有很多 智能计量表中已经把这部分的功能集成在了一起，从计量表输出的数据就可以直接与 集中器进行交换。 集中器 集中器在整个智能抄表系统中有着极其重要的作用，它是整个通信系统的桥梁和 保障，一方面它接收来自主站系统的各种操作命令并下传至采集器，另一方面将采集 器的各种信息回传到中心计算机，同时存储所辖采集器的数据和有关参数，并具有定 时抄收采集器数据，实时监控采集器的工作状态等功能。本文所设计的数据终端开发 平台主要目的之一就是为开发集中器提供产品原型。 主站系统 主站系统的主要功能是定时或随时抄收居民或商户电表的数据。对集中器设置 通信参数及操作参数，与供电局用电营业网联网后，可以进行电费计算、票据打印、 统计报表、电费实收等功能。 ( 2 ) 智能抄表技术的国内外发展概况争仍。 自动读表技术的发展得益于8 0 年代计算机技术、超大规模集成电路和通讯技术的 飞速发展。在国外，诸如美国、加拿大、西欧和日本等一些发达国家，许多地区都广 泛采用了智能抄表系统代替原来的煤气表、水表、电表的人工抄表。尤其在美国，自 动抄表技术和设备，已形成一种新兴的产业，由十几家著名的厂商组成了行业协会， 即“自动读表协会”( t h ea u t o m a t i cm e t e rr e a d i n ga s s o c i a t i o n ) 旨在进一步发 展和推广智能抄表行业。 目前世界上有十几家比较著名的自动读表技术设备公司，如i t r o n 、m e t s c a n 、 e n s c a n 、m e t r e t e k 、b a d g e rm e t e r 、a m e r i c a nm e t e r 等。 在我国，进入九十年代以后，由于城市公用事业的发展和居民住宅的改善，原先 的人工抄表已远远不能适应时代的要求，国内几家研究机构和企业也纷纷投入对自动 读表技术的研究与开发，这标志着我国自动抄表系统的应用开始起步。 到九十年代中期，国内已有研制成功的一批自动抄表系统的报道，例如常州的 。y h 5 5 5 l 型集中抄表系统”，中科院合肥智能所的“煤气表户外自动抄表装置”等。 现代，由于各种新技术的产生和发展，智能抄表系统正朝着智能化、小型化、低 功耗、低成本和通信的标准化设计方向发展。 4 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 1 3 课题的理论意义及其应用价值 嵌入式技术的出现，使得智能抄表技术进入了一个新的阶段。 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。在智能抄表系统中，由于选用的嵌入式 处理器的不同，开发出的产品功能也千差万别 在本课题中，我们使用a r m 处理器作为开发平台的控制单元。在国内，虽然a r m 处理器的应用技术已相当成熟，但其应用领域还主要限制在商业和民用领域，而在工 业控制特别是智能抄表系统中，使用a r m 处理器作为其控制单元的产品还很少。因此， 本课题选用a r m 处理器作为数据终端的核心控制单元，具有很强的研究价值和理论意 义。 从长远来看，随着城市生活节奏的加快。人们需要越来越多的方便设施来满足生 活的需要，小区智能化是今后的发展趋势。智能抄表系统是智能小区应具有的最基本 的系统，它的发展必将影响到小区智能化的发展，因此对它进行进一步开发是极其重 要的。 1 4 论文的主要内容及章节安排 课题的最终目的是要开发一个完整的嵌入式系统，主要包括硬件部分和软件部分 的开发，其中硬件部分主要由主处理器、电源与复位模块、存储模块、通信模块、人 机接口模块、a d 转换、p w m 输出控制等组成，由于最终产品要工作在复杂的工作 环境中，因此硬件设计时还要考虑到开发平台的抗干扰及电磁兼容设计。软件部分包 括操作系统的移植、各个模块驱动程序以及调试程序的编写。由于本课题只是设计研 发一个数据终端开发平台，由公司根据具体应用，对开发平台功能进行裁减，设计出 最终的产品，因此，就决定了课题具有不涉及具体应用、系统功能要全面的特点。 在本课题中，本人主要负责硬件部分的设计。 论文的主要章节安排如下： 第一章绪论 第二章开发平台的方案论证与设计 第三章存储模块设计 第四章通讯模块电路设计 第五章人机接口电路 第六章其它外围电路设计与抗干扰措施 第七章系统集成调试与运行 第八章总结与展望 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台设计与研发f 硬件设计) 2 开发平台的方案论证与设计 2 1 原有e f c - 2 0 0 0 集中抄表系统不足 e f c 一2 0 0 0 集中抄表系统虽然具有实时跟踪、定点定时采集、用户预付费、欠费 停电等多项功能，但随着小区智能化水平的不断发展，出现了采集数据量大，实时响 应要求高等新特点。现有抄表集中器难以满足这些新需求，存在以下不足： 在对多任务的处理上，无能为力，对任务的实时响应明显不够，这也是该公司 急需开发另一款系统的主要原因之一； 控制器主频低，现有系统主频为1 5 m h z ，在采集存储大量数据时，处理速度相 对滞后； 由于现有主控制器可扩展外部存储空间有限，在原产品设计时，只使用了两片 f l a s h 存储器，一片用于代码存储，一片用于代码运行，运行前需将程序拷贝到用于 程序运行的f l a s h 存储器才能运行，这样需要反复对f l a s h 进行读写操作，寿命受到 威胁，因此现有采集系统有效使用周期不能得到保障： 人机接口单一，不能满足使用者对采集系统操作简单、方便的要求； 采集系统主控制器片上资源己得到充分利用，不能满足以后系统升级、功能扩 展的需要。 2 2 系统总体结构与设计开发流程 ( 1 ) 系统设计开发流程 开发平台的的设计内容主要包括两个层次：系统硬件、系统软件的开发。在设计 过程中，我们采用了传统的嵌入式系统开发流程( 如图2 2 1 所示) ，即硬件与软件分 离开发争1 1 。 针对现有系统存在的不足，我们提出了通过在嵌入式a r m 处理器上移植uc 0 s 操作系统的设计方案”。嵌入式系统以其体积小、易于固化、现场实时反应能力强， 软件模块层次化，移植性、可靠性强等特点，在社会各种领域得到了广泛的应用。目 前，使用a r m 芯核的处理器占据了3 2 位嵌入式处理器7 0 的市场份额，a r m3 2 位体 系结构也被公认为业界领先的3 2 位嵌入式r i s c 微处理器结构。 而j ic o s 是源代码公开的免费型实时操作系统，绝大部分用c 语言编写，源代 码简单，可移植性好，而且，l ic o s i i 通过了非常严格的测试，并得到了美国航空 管理局的认证，可见其具有高稳定性与可靠性”。 我们选用a d s l 2 作为系统软件的开发调试环境。a d s l 2 是a 蹦公司推出的新一 代a r m 集成开发环境，用来取代a 跚公司以前推出的开发工具a r ms d t 。因为它是a r m 曼塑查兰堡主兰垡堡奎 堂垒茎墼塑竺壁! 鱼望生皇堡茎! 竺竺堡生! 公司推出的开发环境，对本公司自己设计的a r m 处理器有最好的调试支持。 在硬件方面，通过j t a g 调试接口对目标板进行开发调试。 图2 2 1 系统设计开发流程4 ( 2 ) 系统总体结构 基于对目前产品存在问题的分析以及实际调研，对开发平台功能提出以下要求： 应具备至少两个r s 一2 3 2 串行通信接口，一个用于对各种计量表的数据采集， 另个实现与p c 机的数据传输； 7 存储空间需增加，使用外扩f l a s h 进行程序存储，因为f l a s h 掉电数据不丢 失，使用外扩s r a m 存储器用于程序运行，因为s r a m 存储器寿命和读写速度均高于 f l a s h 存储器； 外扩p 删接口，实现采集系统的实时报警功能； 多任务处理功能，提高系统的实时响应； 预留足够的g p i o 口，方便以后系统升级和功能扩展： 系统应具有良好的安全可靠性，能适应比较复杂的环境； 具有良好的人机接口。 开发平台的总体结构如图2 2 2 所示。 图2 2 2 系统的总体结构 2 3 数据终端的硬件平台设计与论证 由于本人主要负责硬件平台的设计，所以在本节详细介绍一下微控制器的选型工 作。 ( 1 ) 嵌入式控制器选型原则 考虑到江苏光一科技有限公司为一家中小规模公司，在产品的研发投入与制造技 术方面与其它大中型企业相比，还有一定差距，因此，在器件选型环节上，将器件的 封装形式( 将影响到加工工艺) 、器件价格等方面均作为选型因素来加以考虑。 在器件选型时，制订了以下选型原则： 8 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 开发平台的功能要求，所选的处理器本身应尽可能多的满足公司对开发平台功 能的要求，减少外扩电路，降低成本； 可以借鉴和参考的资料是否丰富，如果处理器的资料丰富，有成功的应用案例， 这样不但可以缩短开发周期，也可节约该平台开发成本； 开发平台在同类产品中的市场竞争力，所选用的a r m 嵌入式处理器及其功能 应保障公司产品在未来几年内的市场竞争力； 成本，在保障功能要求的基础上，尽量降低其经济成本。 ( 2 ) 嵌入式a r m 控制器选型 a r m 处理器当前有5 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 和s e c n r c o m ， 其中a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l o 是四个通用处理器系列，每个系列提供一套 特定的性能来满足设计者对功耗、性能和体积的需求。s e c u r c o r e 是第五个产品系列， 是专门为安全设备而设计的。虽然a r m 处理器的功能非常强大，但并不是所有公司生 产的任一款芯片都适合所有的产品设计，例如，s a m s u n g 公司生产的a r m 7 系列芯片 没有工业级封装，主要用于教学实验平台，很难应用于环境比较复杂的现场，a t m e l 、 m o t o r o l a 公司生产的基于a 蹦7 内核的处理器很少有带p 州输出功能。 a r m 7 、a r m 9 嵌入式处理器是应用最为广泛的两个系列，且都能满足开发平台的 设计要求。而其它系列的嵌入式处理器主要应用在一些高端产品中且价格昂贵，因此， a r m 7 、a r m 9 系列的嵌入式处理器是此开发平台比较合适的选择。 基于以上分析和选型原则，开发平台使用p h i l i p s 公司的l p c 2 2 9 2 处理器作为开 发平台的主控制器，它是基于a r m 7 t d m i - s 内核，可进行实时仿真和嵌入式跟踪，调 试简单方便。该处理器具有以下功能i ” 即使外扩存储器，它的g p l 0 可用引脚为7 6 个，而芯片本身带有1 1 2 个g p i o ， 在系统设计时，可以将未用的g p l 0 口空留，以便以后功能扩展； 多个串行接口：包括两个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速i 接口和两个s p i 接 口，可与多种标准器件进行通信； 1 6 k b 片上静态r a m 和2 5 6 k b 片上闪存，最高时钟频率为6 0 h z ，带有多达四组 的可配置外部存储器接口，每组最大寻址空间位1 6 m ，数据宽度可为8 1 6 3 2 位。大 容量的寻址空间是实现代码与数据分离存储的保障； 通过片上启动加载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) ； 8 通道l o 位a d 转换器，转换时间低至2 4 4 ps ； 片上带有两个3 2 位计数器，6 路p 嘲输出，实时时钟，看门狗定时器； 可设置优先级和向量地址的向量中断控制器； 9 个边沿电平触发外部中断引脚； 两个低功耗模式：空闲模式和掉电模式； 9 南京理工大学硕士学位论文 嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 封装形式为l q f p l 4 4 ，工作环境的温度范围：一4 0 0 + 8 0 1 2 。 由以上可以看出，l p c 2 2 9 2 具有的功能，基本能够满足开发平台的设计要求。由 于l p c 2 2 9 2 不带有l c d 控制器，可通过外扩l c d 控制器加液晶屏，或使用l c d 模块来 实现开发平台的人机接口功能。 1 0 南京理工大学硬士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 3 存储模块设计 存储器是嵌入式系统的重要组成部分，它用来存储程序和数据。l p c 2 2 9 2 处理器 片上具有1 6 k br a m 和2 5 6 k bf l a s h 存储器，在设计时，将2 5 6 k bf l a s h 用来存放 系统的启动加载程序。1 6 k b r a m 用来存放系统的中间变量，但是开发平台需要采集 存储大量计量表数据，片上存储容量显然不能满足系统对存储容量的要求，因此，开 发平台外扩了2 m b y t e 的n o rf l a s h 存储器，1 6 m b y t en a n df l a s h 存储器、1 m b y t es r a m 存储器、1 惦i t 铁电存储器。 3 1l p c 2 2 9 2 外部存储控制器 ( 1 ) a 跚结构的地址空间与存储格式 a r m 结构使用单个平面的2 ”个8 位字节的地址空间，地址空间可以看作2 ”个1 6 位半字，也可以看作是2 ”个3 2 位字。地址为a 的半字包含两个字节，地址分别为地 址a 、a + i ，地址为a 的字包含四个字节，分别为地址a 、a + i 、a + i 、h + 3 。因此，a r m 结构的处理器支持8 1 6 3 2 位数据宽度的存储器叼口 a r m 结构存储格式分为大端( b i g - e n d i a n ) 格式和小端( l i t t l e e n d i a n ) 格式。 在小端格式中，一个字或半字的高位字节存放在高地址，低位字节存放在低地址。因 此存储系统字节0 连接到数据线7 加。在大端存储格式中，一个字或半字的高位字节 存放在低地址，低位字节存放在高地址，因此，存储系统字节0 连接到数据线的3 1 2 4 。 一个具体的基于a r m 内核的处理器，可能只支持小端存储系统，也可能只支持大 端存储系统，还可能两者都支持。值缮注意的是，a r m 指令集不包含任何直接选择大 小端的指令，选择何种存储格式是通过硬件配置来完成。在a r m 结构中，字单元的地 址必须是字对齐的，半字单元的地址必须是半字对齐的，在存储操作中，如果存储单 元的地址违反了上述规则，将不能得到期望的数据。用户程序应避免上述情况发生。 ( 2 ) l p c 2 2 9 2 存储系统 l p c 2 2 9 2 在芯片生产时已直接配置为小端存储格式，不支持存储格式选择。处理 器将外部存储空间分为四个可单独配置的存储器组( b a n k 汕a n k 0 ) ，每个存储器组的 最大寻址空间为1 6 m ，总线宽度可为8 位、1 6 位、3 2 位。其中，处理器的b a n k 0 可 以用于引导程序运行。 在与外部存储器进行连接时，如外部存储器数据宽度为1 6 位，则处理器的地址 线a 0 不用( 保证半字对齐) ，如果外部存储器数据宽度为3 2 位，则处理器的地址线 a 0 、a l 不用( 保证字对齐) 。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 3 2 存储模块功能分析与选型 ( 1 ) f l a s h 存储器 f l a s h 存储器又称闪存，是一种可多次擦除的非易失性存储器，掉电后数据不丢 失，是嵌入式系统首选的存储设备。它主要分为两种类型：一种为n o r 型f l a s h ，另 一种为n a n d 型f l a s h 。根据n o rf l a s h 与n a n df l a s h 各自的特点，在本开发平台中， 外扩了2 m b y t e 的n o rf l a s h 用作代码存储，外扩了1 6 m b y t e 的n a n df l a s h 用作存 储采集数据。 两种f i a s h 的主要区别如下糯 接口差别 n o rf l a s h 带有s r a m 接口，有足够的地址引脚来寻址，可以很容易地存取其内 部的每一个字节。 n a n d 器件使用复杂的i o 口来串行的存取数据，各个产品或厂商的方法可能各 不相同。一般使用8 个引脚来传送控制、地址和数据信息 读写的基本单位 n o r 型f l a s h 操作是以。字”或“字节”为基本单位； n a n df l a s h 是以“页”为单位进行操作，页的大小一般为5 1 2 字节。 容量与成本 n & r df l a s h 的单元尺寸几乎是n o r 器件的一半，由于生产过程更为简单，n a n d 结构可以在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了价格。 n o r f l a s h 占据了容量为i 1 6 b b 闪存市场的大部分，而n a n 9f l a s h 只是用在8 1 2 8 8 的产品当中，这也说明n o r 主要应用在代码存储介质中，a n d 适合于大量数据 存储。 软件支持 在n o r 器件上运行代码不需要任何的软件支持，在n a n d 器件上进行同样操作时， 通常需要驱动程序，也就是内存技术驱动程序( 1 f r r d ) ，n a n d 和n o r 器件在进行写入 和擦除操作时都需要m t d 。 性能比较 在n a n d 闪存中每个块的最大擦写次数是一百万次，而n o r 的擦写次数是十万次。 n o r 型f l a s h 的地址线和数据线是分开的，传输效率很高其读速度要比n a n d 型稍 快一些。 因为n a n df l a s h 操作是以“页”为单位，所以n a n df l a s h 大量数据写入时速 度比n o r 型快的多。 n a n df l s h 擦除速度远比n o r 型快。 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终墙平台设计与研发( 硬件设计) n e n df l a s h 出厂时会带有坏块，且坏块是随机分布的。以前也曾有过消除坏块 的努力，但发现成品率太低，代价太高，根本不划算。因此，使用n a n df l a s h 需要 对其进行初始化扫描以发现坏块，并将坏块标记为不可用。 ( 2 ) r 枷存储器 r a m 存储器属于易失性存储器，读写均不需软件驱动，具有极高的读写速度，在 嵌入式系统中，常用来作为变量、数据缓冲，或者用于程序运行，以提高系统的性能。 r a m 存储器又存在s r a m 存储器、d r a m 存储器、p s r a m 存储器等多种类型。 d r a m 为“动态随机存储器”，它在通电情况下不能长时间保持电量，需要每隔一 段时间就进行一次重新加电过程，否则会因为电量自然放尽而丢失数据，但它的制作 成本较低，容量可以做得较大。s r a m 为“静态随机存储器”，它无须每隔一段时间 重新加电，一般说来，s r a m 比d r a m 的数据传输速度要快，但因为制造成本较高， 工艺较复杂，所以容量不能做得很大，一般在l m 以下。p s r a m 即“p s e u d o - s r a m ”， 是异步s r a m 接口技术和d r a m 高密度存储阵列技术相结合的产物，其接口与s r a m 兼 容，与d r a m 相比，p s r a i i 可实现自刷新。 由于l p c 2 2 9 2 处理器本身不带有d r a m 控制器，其只能外扩p s r a m 或s r a m ，但是 f r a m 均为b g a 封装，焊接难度较大，因此，在本开发平台的存储模块中，外扩了i m b y t e s r 枷存储器用于程序运行。 ( 3 ) 铁电存储器( f r a m ) 铁电存储器的核心技术是美国r a m t r o n 公司研制的铁电晶体材料，这一特殊材料 使得铁电存储产品同时拥有随机存储器( r a m ) 和非易失性存储器( 如e p r o m 、e p r o m 、 f l a s h ) 的特性。f r a m 具有无限次擦写性能。 r a m t r o n 公司生产的f r a m 主要包括两大类：串行f r a m 和并行f r a m 。串行f r a m 遵循标准工业接口，两线产品为i c 接口的f m 2 4 系列，与处理器连接仅需两根线。 三线产品为s p i 接口的f m 2 5 系列，具有高速和通讯协议简单的特点。并行f r a m 接口 与标准s r a m 引脚兼容，但工作时序与s r a m 有一定差别，一般不能直接代换 虽然铁电存储器与r a m 相比具有非易失性，与f l a s h 相比具有操作简单、擦写无 限制等优点，但其价格却比r a m 与f l a s h 要贵很多。因此，其在一般小型电子设备中 的应用无法得到普及。 在本开发平台中，外扩了一片1 2 8 k b y t e 并行f r a m 存储器f m 2 0 l 0 8 ，主要为了试 验和以后功能扩展之用，它可与s r a m 直接替换。 3 3 存储器接口电路 在嵌入式系统中，控制器对存储器进行读写操作，首先要由地址总线给出地址信 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 号，然后发出读写控制信号，最后才能在数据总线上进行数据的读写。所以，l p c 2 2 9 2 与n o rf l a s h ( u 5 ) 、s r a m ( u 3 和u 3 1 ) 、f r a m ( u 6 ) 存储器连接时，只要将存储器 的数据线、地址线和控制线与l p c 2 2 9 2 的地址、控制、数据信号线连接即可。 在l p c 2 2 9 2 处理器复位时，b o o r r 1 ：0 脚的状态控制着系统的引导方式，其控制 方式如表3 3 1 所示。 表3 3 1b o o t i ：o 引导控制2 4 b o o t lb 0 0 t o 引导方式 o0 由b a n k 0 控制的8 位存储器引导 o1 由b a n k o 控制的1 6 位存储器引导 lo 由b a n k 0 控制的3 2 位存储器引导 l1 由内部f l a s h 存储器引导 在本开发平台中，使用哪种引导方式，设计成通过跳线j p i 与j p 6 来选择( 如图 3 3 1 中启动选择) 。 n a n df l a s h 的操作与其它存储器不同，它没有单独的地址线、数据线，其地址、 命令、数据信号都是通过i 0 7 i 0 0 信号线传输的。图3 3 1 中u 7 为n a n df l a s h ( k 9 f 2 8 0 8 u o c ) ，容量为1 3 2 m b i t ，数据宽度为8 位，其存储空间由1 0 2 4 个块，每块 3 2 页，每页5 2 8 字节构成。其读写操作时序由c e ( 芯片使能) 、a l e ( 地址锁存使 能) 、c l e ( 命令所存使能) 三条信号线的逻辑电平决定。n a n df l a s h 的写操作以页 为单位，擦除操作以块为单位。每次擦除、写操作都要通过判断n a n df l a s h 的状态 位来判断操作是否结束，当判断前一次操作结束后，才能开始新的操作。n a n df l a s h 提供两种状态判断方法，一是使用r b ( 读忙状态信号) 状态判断引脚，二是使用 状态判断命令“。 在本开发平台的设计中，l p c 2 2 9 2 的b k n k 3 分配给n a n df l a s h 及其它的外设， 其中通过或门、非门连接n c s 3 、a 2 1 、a 2 2 共同确定n a n df l a s h 的片选线n c s - n ( n c s n - - a 2 1 + a 2 2 4 - n c s 3 ，见表3 3 2 ) 。将n a n df l a s h 的i o 卜i 0 0 与l p c 2 2 9 2 的d 7 一d o 相连，a l e 、c l e 分别与l p c 2 2 9 2 的a 2 0 、a 1 9 相连，r i b ( 读忙状态信号) 与l p c 2 2 9 2 的g p i o 口p 2 2 8 相连。其r e ( 读使能) 、w e ( 写使能) 分别与l p c 2 2 9 2 的h o e 、n 盹相连。 表3 3 2 外设片选信号逻辑关系 n c s a 2 2a 2 l 片选信号说明 3 o0ll c m - c s 有效l c m 片选信号，低电平有效 ol0 c s ，i ，0 有效u o 扩展芯片m s m 8 1 c 5 5 片选，低电平有效 ol1 n c s n 有效n a n df l a s h 片选信号，低有效 注：l p c 2 2 9 2b a n k 0 b a n k 3 的片选信号分别为n c s o - - n c s 3 1 4 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 本开发平台的地址空间分配见表3 3 3 。 表3 3 3 开发平台地址空间分配 b a n k 组可寻址空间 目标设备分配空间说明 o x 8 0 0 0 0 0 0 0 0 x 8 0 0 0 0 0 0 0 通过跳线j p 2 可以改变 b n a k 0i s 6 l v 2 5 6 1 6 l o x 8 0 f f f f f fo x 8 0 0 f f f f e b a n k o 与b a n k l 的分配， 0 x 8 l o o o o o o o x 8 l o o o o o o 形成产品时，f l a s h 为 b a n k l s s t 3 9 v f l 6 0 o x 8 1 f f f f f f0 x 8 1i f f f f eb a n k l ，s r a m 为b a n k o 0 x 8 2 0 0 0 0 0 0 0 x 8 2 0 0 0 0 0 0 为并行铁电存储器，数 b a n k 2f m 2 0 l 0 8 o x 8 2 f f f f f f0 x 8 2 0 1 f f f f据宽度为8 位 o x 8 3 2 0 0 0 0 0 t f t 6 7 5 8 液晶显示屏 o x 8 3 3 f f f f f o x 8 3 0 0 0 0 0 0 0 x 8 3 4 0 0 0 0 0 b a n k 3m s f 8 1 c 5 5 用于i o 口扩展 o x 8 3 f f f f f fo x 8 3 5 f f f f f o x 8 3 6 0 0 0 0 0 n a n df l a s h 存储器 k 9 f 2 8 0 8 u o c o x 8 3 7 f f f f f 数据宽变为8 位 注：l p c 2 2 9 2 的a 2 3 未使用 1 5 图3 3 1 开发平台存储模块电路厢崞阎 南京理工大学硕士学位论文嵌入式数据终端平台设计与研发( 硬件设计) 4 通信模块电路设计 系统与外部设备或其它系统交换信息称为通信。实现通信的方式有两种：一种是 并行方式，一种是串行方式3 4 7 并行方式是指组数据的各位，例如一组8 位数据，通过并行接口，用8 根数据 线同时进行传送。这种通信方式，传送速度快，但由于需要多根传输线，因此只在近 距离通信中使用。 串行方式只要一根传输线，数据各个位按先后顺序逐位的沿单根传输线传送，在 位数多传输距离较远时，由于可以节省大量导线，其优点较为突出，所以在远距离通 信时，大多采用串行方式。 l p c 2 2 9 2 片上具有三种标准外设串行通信接口：两个u a r t 接口、一个f c 接口、 两个s p i 接口。本开发平台中，将这三种接口全部进行了扩展，这样，开发平台几乎 可以与所有设备或外围器件进行通信。开发平台目前没有使用带s p i 接口的器件，因 此专门设计了s p i 接口的测试电路。 4 1l p c 2 2 9 2 外部通信接口简介 ( 1 ) u a r t 与r s 2 3 2 串行接口 u a r t 是通用异步串行通信接口的总称，它允许在串行链路上进行全双工通信， 输入输出电平为r r l 电平。全双工u a r t 至少应定义两个引脚，即串行发送引脚 ( d ) 、串行接收引脚( 鼢) 。但是，不同的芯片u a r t 的实现方法、工作模式 可以不同。1 6 c 5 5 0 就是一种常用的工业标准的u a r t 。 l p c 2 2 9 2 处理器包含u a r t o 和u a r t i 两个u 越玎接口，他们的结构及寄存器 符合1 6 c 5 5 0 标准。其中u a r t 0 仅提供t x d 与r x d 信号引脚，u a r t l 带有完整的 调