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哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 基于a r m 嵌入式工业控制器设计 摘要 近年来，伴随着p c 及微处理器的迅速发展、软件资源的丰富，嵌入式 系统成为研究与应用的热点。嵌入式系统是一种面向具体应用的将底层硬 件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计算机系统。其广泛应用于控制 领域、消费电子产品等行业，己成为现代电子领域的重要研究方向之一 本文结合课题实际需要与当前的控制器发展趋势，构建和开发基于 a r m 和 t c o s i i 实时操作系统的嵌入式通用控制器应用平台在分析 a r m 内核处理器的基础上，自主开发以p h i l i p s 公司l p c 2 8 8 0 芯片为核心 的嵌入式通用控制器的硬件平台。根据嵌入式控制器的实际应用要求设计了 相应的应用模块，主要包括：串口模块、存储器扩展模块、液晶显示和键盘 模块等。并完成了各个功能模块的接口函数，创建了应用函数库，为后面的 代码应用和移植提供了方便。在对电机驱动控制原理的学习掌握基础上，开 发出基于l 2 9 7 l 2 9 8 芯片的步进电机驱动器及基于l m d l8 2 0 0 芯片的伺服 电机驱动器。为实现控制器与p c 机的通讯，确定了u s b 2 0 通讯接口作为 主要通讯方式，详细分析了通用串行总线的软硬件特点，根据l p c 2 8 8 0 芯 片特点实现嵌入式u s b 主机模式的通讯方式，并给出了它和主控制器的连 线原理图以及u s b 主机的系统软件框架。 嵌入式实时操作系统是嵌入式系统应用软件开发的支撑平台，通过对现 在常用的几种嵌入式操作系统的综合比较，选择t t c o s i i 作为本系统的 r t o s 。详细分析了l a c o s i i 内核工作原理，改进了中断和时钟处理的不 足。成功的将i _ t c o s i i 系统移植到a r m 微处理器中，并通过相应的开发工 具，对移植系统进行模拟调试和功能测试。结果表明，设计的嵌入式通用控 制器平台基本达到预期目标 关键词嵌入式控制器；a r m ；t t c o s i i ：p c 机；u s b 哈尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 d e s i g no fe m b e d d e di n d u s t r yc o n t r o l l e r b a s e do na r m a b s t r a c t r e c e n t l y t h ep ca sw e l la si t sm i c r o - c o n t r o l l e re q u i p m e n th a sb e e nf u l l y d e v e l o p e d f o rt h er i c hs o f t w a r er e s o u r c e ，e m b e d d e ds y s t e mh a sb e e nah o ts p o r t o fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n e m b e d d e ds y s t e mi st h es p e c i a l i t yc o m p u t e rs y s t e m ， w h i c ht h eb o t t o mh a r d w a r e t h el 汀o sa n dt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ea r eu n i t e d i t h a sb e e nu s e di nt h ef i e l d so fc o n t r o l ，c o n s u m e re l e c t r o n i cp r o d u c ta n de t c i th a s b e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tr e s e a r c ha s p e c to ft h ee l e c t r o nf i e l d t h eg e n e r a lp l a t f o r mo ft h ee m b e d d e dc o n t r o l l e rb a s e do na r ma n dp c o s i ir e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mi sc o n c e i v e da n de x p l o i t e db a s e do n a n a l y z i n gt h ea c t u a ln e e da n dt h ec u r r e n td e v e l o p i n gt r e n d so fc o n t r o l l e ri nt h i s p a p e r t h eh a r d w a r ef l a to ft h ee m b e d d e dg e n e r a lc o n t r o l l e r , w h i c hi sc e n t e r e do n t h ep h i l i p sc o l p c 2 8 8 0i sd e s i g n e da f t e ra n a l y z et h ea r m 7f r a m ea n dt h e a r m 7 t d m ik e r n e l t h ef o l l o w i n ga p p l i c a t i o nm o d u l e sa g ef i n i s h e da c c o r d i n gt o t h ea c t u a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t so ft h ee m b e d d e dg e n e r a lc o n t r o l l e r t h e ya r e i n c l u d i n ga n a l o gt ot h eh u t o n em o d e l ，e x t e r n a le x t e n d e dm e m o r yb l o c k , l c d d i s p l a y , t h ek e y b o a r db l o c ka n de t c f u r t h e r m o r et h ei n t e r f a c ef u n c t i o no ft h e v a r i o u sm o d u l e sh a sb e e nf i n i s h e d t h ea p p l i c a t i o nf u n c t i o nl i b r a r i e sa r e e s t a b l i s h e d i to f f e r sc o n v a a i e n c et ot h ef o l l o w i n gc o d e sa p p l i c a t i o na n dt h ec o d e t r a n s p l a n t t h es t e 口m o t o rd r i v e rb a s e do nl 2 9 7 l 2 9 8c h i p sa n dt h es e r v o m o t o r d r i v e rb a s e do nl m dl8 2 0 0c h i p sa r ed e v e l o p e da f t e rt h ea u t h o r sc a r e f u l r e s e a r c h e so nt h em o t e l d r i v i n gc o n t r o lt h e o r y i no r d e rt oa c c o m p l i s ht h e c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nc o n t r o l l e ra n dp cm a c h i n e , w ed e c i d et oc h o o s e s u s b 2 0c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea st h em a i nc o m m u n i c a t i o nm e t h o d a n a l y z i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c so fu n i v e r s a ls e r i a lb u ss o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t h ea u t h o r p r e s e n t st h ec o n n e c t i n gp r i n c i p l eg r a p ho ft h em a i nc o n t r o l l e ra n dt h es y s t e m s o f t w a r ef r a m e w o r ko ft h em a i nc o n t r o l l e ra c c o r d i n gt ot h ec h i pc h a r a c t e r i s t i c s h 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 o fl p c 2 8 8 0a n dr e a l i z e st h ee m b e d d e du s bm a s t e rm o d ec o m m u n i c a t i o n m e t h o d e m b e d d e dr t o si st h es u p p o s i n gp l a t f o r mo ft h ee m b e d d e ds y s t e m a p p l i c a t i o n s o f t w a r e d e v e l o p m e n t a f t e rc o m p a r e ds o m ep r e s e n t r e a l t i m e e m b e d d e do p e r a t es y s t e m p c o s i ii sa d o p t e da st h er t o s w ba n a l y z e st h e w o r k i n gt h e o r yo fp c o s - i ik e r n e l ，a n di m p r o v e st h ed e f e c t so fb r e a ka n dc l o c k p r o c e s s i n gi nt h i sp a p e r t h e n , t h ep c o s i is y s t e mi st r a n s p l a n t e di n t oa r m m i c r o p r o c e s s o rs u c c e s s f u l l y a tt h es a m et i m e ，w ea c c o m p l i s h e st h ea n a l o g u e d e b u g g i n gf u n c t i o n ，t h et e s to ft h et r a n s p l a n t e ds y s t e mb ya d sd e v e l o p m e n t t o o l s 砀口e m b e d d e dg e n e r a lc o n t r o l l e rp l a t f o r md e s i g n e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a c c o m p l i s h e st h ee x p e c t e dt a r g e t k e y w o r d se m b e d d e dc o n t r o l l e r , a r m ，p c o s - i i ，p c ，u s b i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文：基于a r m 嵌入式工业控 制器设计，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：卫1 拜蜴聿 日期：妒扩年弓月j 帕 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 基于a r m 嵌入式工业控制器设计系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。论文的研究成果归哈尔滨理 工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解 哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部 门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。授权哈尔滨理工大学可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口在年解密后适用授权书。 不保密日 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 卫拜峪 日期：册g 年多月f 呷日 导师躲劬辛辛。 吼川年岁月铲日 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 第1 章绪论 随着社会的日益信息化，嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 己经渗透到各个应 用领域，小到m p 3 、掌上系统( p d a ) 等微型数字化产品，大到网络家电、智能 家电、车载电子设备等。目前，各种各样的嵌入式系统设备在应用数量上已经 远远超过通用计算机 1 1 嵌入系统简介 1 1 1 嵌入式系统的定义 由于目前嵌入式系统己经渗透到日常生活的各个方面，一直难以给“嵌入 式系统一下一个明确的定义。根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义， 嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置( 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 tm a c h i n e r yo r p l a n t s ) 。上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前国内普遍被认同 的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，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。 由定义可知，嵌入式系统主要包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器、 存储器及外部设备、i o 端口和图形控制器等；软件部分包括操作系统( o s ) 和 用户应用程序。嵌入式系统硬件的核心是嵌入式微处理器。它的功能、外设集 成度、速度、功耗、体积、成本、可靠性和电磁兼容性等方面均受到应用要求 的制约i 是各个半导体厂商之间竞争的热点。嵌入式系统的软件是实现嵌入式 系统功能的关键，软件要求固化存储，代码的高质量、高可靠性和高实时性在 许多场合也是基本要求。多任务嵌入式操作系统是知识集成的平台，是嵌入式 系统走向工业标准化道路的基础，是嵌入式系统研究的重要方向现在人们讲 嵌入式系统时，某种程度上看是指近些年来比较热的具有操作系统的嵌入式系 统犯1 。 1 1 2 嵌入式系统的特点 从前面对嵌入式系统所作的定义可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学位论文 1 系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源 相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如e n e a 公司的o s e 分布式系统，内核只有5 k b ，而w i n d o w s 的内核则要大得多。 2 专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合 非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产 品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。 3 系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利 于实现系统安全。 4 多任务高实时性操作系统高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的 基本要求。而且软件要求固化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可 靠性。嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合理地调 度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行选配 r t o s ( r e a l t i m eo p e l a t i n gs y s t e m ) 开发平台，这样才能保证程序执行的实时 性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量 5 专用开发工具和环境由于嵌入式系统本身不具备自主开发能力，即 使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，因此必须有一 套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的 软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目 标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交 替结合进行协1 。 1 2 嵌入式系统的现状和发展趋势 嵌入式系统的发展可以追溯到上个世纪7 0 年代，当时是以8 位、1 6 位微 处理器微处理器构成的嵌入式系统，到了8 0 年代，随着微电子工艺水平的提 高，集成电路制造厂商开始把微处理器与外围i o ，a d ，d a 、串口、r a m 和 r o m 相结合起来，集成到一块芯片上，构成了面向i o 设计的微控制器，即 单片机。单片机的出现使得嵌入式系统应用更方便、更小型化，推动了嵌入式 系统在仪器仪表、电脑配件、智能设备上的应用。到2 0 世纪9 0 年代，单片 机、微处理器的性能又得到了很大的提高，以d s p 、a r m 等3 2 位处理器为代 表的面向特定应用、高性能微处理器纷纷推出，在分布控制、柔性制造、数字 哈尔滨理| 丁人学丁学硕j j 学位论文 化通信、数字化家电和个人数字助理等领域得到了广泛应用。 目前，嵌入式微处理器正朝着高速、高集成度和低功耗方向发展。片上系 统( s y s t e mo nac h i p ，s o c ) 设计使得嵌入式系统体积做得更小，功耗大幅降低， 是未来手持设备的主要发展方向。当然，从总量来说，单片机系统在嵌入式系 统中还将占大多数。因为它能满足一般的控制需要，并且简单、稳定和廉价， 在低端应用领域中仍然占据主导地位 针对嵌入式系统的复杂程度、功能规模的不同，对嵌入式系统软件系统的 要求也不同。对于一些简单的嵌入式应用系统，一般采用比较简单的单片机系 统，软件部分比较简单，不区分操作系统和应用程序，软件整体就是一个模 块，全部由应用设计人员自行设计开发。这类系统在实时性、系统效率等方而 能够做得比较好。但这种软件结构只适合于简单的应用系统，对于复杂的、多 任务并行的系统，软件开发难度比较大，扩展性差，并且不易修改。 随着嵌入式系统在通讯、数字化仪表、手机和p d a 等方面的应用，嵌入 式操作系统得到了广泛应用，出现了许多复杂程度不同的嵌入式操作系统。同 时，围绕几种主流嵌入式操作系统的应用和发展，对于嵌入式系统应用软件的 研究也逐步展开。 目前，嵌入式系统软件的发展趋势主要体现在以实时操作系统( r t o s ) 为基 础的软件平台专业化和商品化。操作系统是嵌入式系统的软件开发平台，最关 键的部分是操作系统内核。内核的基本功能包括任务管理、定时管理、存储器 管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理等。这些管理功 能是通过内核服务函数形式交给用户调用的，也就是操作系统( o s ) 的应用编程 接口( a p t ) 。o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题1 。 1 3 运动控制器的发展现状 简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制 管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。早期的运动控制 技术主要是伴随着机器人技术( r o b o t i c s ) 和工厂自动化技术的发展而发展的。这 类控制器主要针对专门的自动化设备而设计，往往已根据应用行业的工艺要求 设计了相关的功能，用户只需要按照其协议要求编写应用加工代码文件，利用 r s 2 3 2 或者d n c 方式传输到控制器，控制器即可完成相关的动作。这类控制 器往往不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，控制器的开放性仅仅依赖于 控制器的加工代码协议，用户不能根据应用要求而重组自己的运动控制系统。 哈尔滨理t 人学t 学硕f ：学位论文 因此，由传统专用运动控制技术，转而发展具有开放结构、能适应具体应用要 求而快速重组的先进运动控制技术成为市场的必然要求。 近年来，随着通用运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个 独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且它已经 达到了一个引入瞩目的市场规模。目前，运动控制器从结构上主要分为基于计 算机标准总线的运动控制器、s o f t 型开放式运动控制器和嵌入式结构运动控制 器这3 大类侣1 1 3 1 基于计算机标准总线的运动控制器 它是把具有开放体系结构，独立于计算机的运动控制器与计算机相结合构 成。这种运动控制器大都采用d s p 或微机芯片作为c p u ，可完成运动规划、 高速实时插补、伺服滤波控制和伺服驱动、外部i o 之间的标准化通用接口功 能，它开放的函数库可供用户根据不同的需求，在d o s 或w i n d o w s 等平台 下自行开发应用软件，组成各种控制系统。如美国d d t a t a u 公司的p m a c 多轴 运动控制器和深圳固高公司的g t g h 系列运动控制器产品等。目前这种运动 控制器是市场上的主流产品 1 3 2s o i l 型开放式运动控制器 它提供给用户最大的灵活性，它的运动控制软件全部装在计算机中，而硬 件部分仅是计算机与伺服驱动和外部i o 之间的标准化通用接口。用户可以在 w i n d o w s 平台和其他操作系统的支持下，利用开放的运动控制内核，开发所 需的控制功能，构成各种类型的高性能运动控制系统，从而提供给用户更多的 选择和灵活性。基于s o f t 型开放式运动控制器开发的典型有美国m d s i 公司的 o p 饥c n c 、德国p a ( p o w e ra u t o m a t i o n ) 公司的p a 8 0 0 0 n t 、美国s o f ts e r v o 公司的基于网络的运动控制器和深圳固高科技公司的g o 系列运动控制器产品 等。s o i l 型开放式运动控制的特点是开发、制造成本相对较低，能够给予系统 集成商和开发商更加个性化的开发平台。 1 3 3 嵌入式结构的运动控制器 这种运动控制器是把计算机嵌入到运动控制器中的一种产品，它能够独立 运行。运动控制器与计算机之间的通信依然是靠计算机总线，实质上是基于总 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 线结构的运动控制器的一种变种。在使用中，采用如工业以太网、r s 4 8 5 、 s e r c o s 、p r o f i b u s 等现场网络通信接口联接上级计算机或控制面板。嵌入 式的运动控制器也可配置软盘和硬盘驱动器，甚至可以通过i n t c r n e t 进行远程 诊断。例如美国a d e p t 公司的s m a r t c o n t r o l l c r ，深圳固高科技科技公司的g u 嵌入式运动控制平台系列产品等。 自2 0 世纪8 0 年代初期，通用运动控制器已经开始在我国多个行业应用， 尤其是在微电子行业的应用更加广泛。而当时运动控制器在我国的应用规模和 行业面很小，国内也没有厂商开发出通用的运动控制器产品。目前，国内的运 动控制器生产厂商提供的产品大致可以分为3 类： 1 第一类是以单片机或微处理器作为核心的运动控制器，这类运动控制 器速度较慢，精度不高，成本相对也较低。在一些只需要低速运动控制和对轨 迹要求不高的控制场合应用。 2 第二类是以专用芯片( a s l c ) 作为核心处理器的运动控制器，这类运动 控制器结构比较简单，但这类运动控制器大多只能输出脉冲信号，工作于开环 控制方式。 3 第三类是基于p c 总线的以d s p 和f p g a 作为核心处理器，这类开放 式运动控制器以d s p 芯片作为运动控制器的核心处理器，以p c 机作为信息处 理平台，运动控制器以插卡形式嵌入p c 机，即“p c + 运动控制器 的模式， 这样将p c 机的信息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动轨迹控制能 力有机地结合在一起，具有信息处理能力强、开放程度高、运动轨迹控制准 确、通用性好的特点哺1 1 4 课题研究的背景和意义 从工业控制的角度分析，基于计算机总线的运动控制器具有很多优点：第 一、硬件组成简单，把运动控制器插入p c 总线，连接信号线就可组成系统； 第二、可以使用p c 机己经具有的丰富软件进行开发；第三、运动控制软件的 代码通用性和可移植性较好；第四、可以进行开发工作的工程人员较多，易于 推广因此，此类运动控制器是目前也是今后相当长一段时间市场的主流。但 是由于这种运动控制器主要是板卡结构，采用的总线大都为i s 八p c i ，依附于 通用p c 机平台，其缺点也是不言而喻的：第一、板卡结构的运动控制器采用 金手指连接，单边固定，在多数环境较差的工业现场( 振动、粉尘、油污严 重) ，不适宜长期工作；第二、使用不灵活，p c 与被控制的功率放大模块之间 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 距离太近，也容易引起干扰，当控制轴数多时，往外引线多，布线困难，可靠 性差；第三、p c 资源浪费，用户实际上使用少部分p c 资源，未使用的p c 资 源不但造成闲置和浪费，还带来维护上的麻烦；第四、整体可靠性难以保证， 由于p c 的选择可以是工控机，也可以是商用机，系统集成后，可靠性差异很 大。 为此，在本文中作者在对现有运动控制器进行了认真研究的基础上，提出 来了一种以p c + a r m 为核心的嵌入式运动控制器的结构形式，将p c 机的信 息处理能力和开放式的特点与运动控制器的运动控制能力有机结合在一起，通 过高速通用串行总线实现控制器与p c 的通讯，可实现脱机( p c 机) 工作，采用 嵌入式实时操作系统p c o s i i 提高控制系统的可靠性和实时性。 这样做的意义就在于：在不降低运动控制性能的前提下，既具有上述基于 计算机总线运动控制器的优点，又能够很好地克服其缺点；采用可剥夺型内核 的嵌入式实时操作系统 t c o s i i 管理系统的软硬件资源，实时调度系统内各 任务模块，可很好的满足运动控制系统的硬实时性要求；采用p c 内部总线运 动控制卡外移的一种形式，可以将上位机p c 的优良性能与下位机a r m 的实 时特点很好地结合在一起；u s b 是p c 的一个标准总线，这样采用标准p c ， 不需要再购买工业p c ，用户就可组成自己的系统；同时，不用开箱通过外扩 多轴控制器和相关的应用软件即可实现控制功能，使得控制器可以随处移动， 便于人员操作。 1 5 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目：“多操作机排牙的机理及实验研 究”。项目编号：5 0 6 7 5 0 5 4 。 1 6 课题的主要研究任务和目标 具有开放式结构的模块化、标准化通用型控制器是当今工业控制器的发展 趋势。根据目前的现状并结合现有条件，本课题的主要任务是构建基于a r m 7 系列p h i l i p s 芯片l p c 2 8 8 0 与实时操作系统p c o s i i 的小型通用控制器。本控 制系统采用p c + m c u 构成的主从式控制结构。具体包括以下内容： 1 硬件设计a r m 微控制器电源和复位电路、存储器扩展电路( s r a m 和f l a s h ) 、人机交换接口l c d 、串i ；3 通讯接口电路、键盘电路、j t a g 接口 哈尔滨理t 人学t 学硕l ：学位论文 电路等。构建一个以a r m 微处理器为核心嵌入式工业控制器的应用平台。 2 实时操作系统的移植详细分析g c o s i i 的源代码，在自主开发的硬 件平台上移植p c o s i i 操作系统。在移植完成后，进行多任务运行测试，掌握 i x c o s i i 下的多任务编程方法。 3 底层应用程序设计设计应用模块，创建应用函数库：主要有内核扩 展、l c d 显示、串口通讯模块等，为以后的开发和具体应用提供底层代码。 哈尔滨理t 人学t 学硕i ：学位论文 第2 章系统硬件电路设计与开发 本课题研究的对象是基于a r m 的通用控制器，该控制器实际上就是一个 嵌入式系统。而对于任何嵌入式系统，主要包括嵌入式硬件和嵌入式软件，这 两个部分是缺一不可的，硬件的开发是底层的、基础的开发，软件部分控制系 统的运行。因此，在进行控制器总体方案设计和实现的过程中，也遵循这一基 本特征，将其分为两大部分：硬件平台的设计和软件平台的设计。本章将结合 处理器特点及特定的硬件资源，介绍硬件平台的总体方案设计及其具体实现过 程。 2 1 整体硬件设计 本设计主要任务是构建基于a r m 7 系列微处理器与实时操作系统p c o s i i 的小型通用控制器，硬件总体设计如图2 1 所示。主要包括a r m 微控制器、 电源、监控复位模块、存储器扩展模块( f l a s h 和s r a m ) 、人机交换接口模块 ( l c d ) 、晶振模块、串口通讯模块、键盘模块等。 图2 1 控制器总体硬件设计框图 f i g 2 lh a r d w a r ed e s i g nb l o c ko fc o n t r o l l e r 哈尔滨理t 大学t 学颁。l ：学位论文 2 2a r m 系列嵌入式微处理器 a r m ( a d v a n c e ! r i s cm a c h i n e s ) 是一家近年来在嵌入式系统中有着强大影 响力的微处理器设计商和制造商，1 9 9 1 年成立于英国剑桥，公司的特点是只设 计芯片，而不生产。它将技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，并提供服务。目前，采用a r m 技术产权摩核的微处理器，即通常我们 所说的a r m 微处理器，己经遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统和无 线系统等各类产品市场，基于a r m 技术的微处理约占据了3 2 位精简结构指 令集( r i s c ) 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在逐步渗入我们生活 的各个方面1 。 2 2 1a r m 体系结构 a r m 体系结构从最初开发到现在有了巨大的改进，并仍在完善和发展。 目前，a r m 处理器包括下面几个系列的处理器产品以及其他厂商实现的基于 a r m 体系结构的处理器：a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c t a c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 系列和i n t d 的s t r o n g a r m 系列等。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 和a r m 7 e j 。其中a r m 7 t d m i a r m 7 t d m i s 最适合应用于 实时环境，是目前使用最广泛的3 2 位高性能嵌入式r i s c 处理器，属于低端 a r m 处理器核。在工业控制、i n t e m e t 设备、网络和调制解调器设备和移动电 话等多种多媒体和嵌入式设备中得到广泛的应用。 a r m 7 d m i ( s ) 处理器采用3 2 位a r m 指令集和l6 位t h u m b 指令集，其 具有以下性能特性： 1 指令流水线a r m 7 t d m i ( s ) 使用流水线以提高处理器指令的流动速 度。流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作，能提供 0 9 m i p s m h z 的指令执行速度。a r m 7 t d m i ( s ) 使用3 级流水线，因此，指令 的执行分为3 个阶段一取指、译码和执行。当正常操作时，在执行一条指令期 间，其后续的一个指令进行译码，且第3 条指令从存储器中取指令。 2 存储器访问a r m 7 t d m i ( s ) 处理器使用了是冯诺依曼结构，指令和 数据共用一条3 2 位总线。只有加载、存储和交换指令可以访问存储器中的数 据。数据可以是8 位字节、1 6 位半字或3 2 位字。 3 存储器接口a r m 7 t d m i ( s ) 处理器的存储器接口可以使潜在的性能 哈尔滨理丁人学t 学硕一j j 学位论文 得到实现，这样减少了存储器的使用。对速度有严格要求的控制信号使用流水 线，这样使系统控制功能以标准的低功耗逻辑实现。这些控制信号使许多片内 和片外存储器技术所支持的“快速突发访问模式”得到充分利用。 a r m 7 t d m i ( s ) 有4 种存储周期的基本类型：空闲周期、非顺序周期、顺序周 期和协处理器寄存器传送周期。 4 嵌入式i c e r t 逻辑嵌入式i c e r t 逻辑为a r m 7 t d m i ( s ) 核提供了 集成的在线调试支持。可以使用嵌入式i c e r t 逻辑来编写断点或观察断点出 现的条件鹏1 。 2 2 2a r m 处理器模式 a r m 处理器共有7 种运行模式，如表2 1 所示。除了用户模式之外的其 他6 种处理器模式称为特权模式( p r i v i l e g e dm o d e s ) 。在这些模式下，程序可以 访问所有的系统资源，也可以任意地进行处理器模式的切换其中，除系统模 式外，其他5 种特权模式又称为异常模式。 表2 - 1 处理器模式 t i b l e2 1p r o c e s s o rm o d e s 处理器模式可以通过软件控制进行切换，也可以通过外部中断或在异常处 理过程进行切换。大多数的用户程序运行在用户模式下，这时，应用程序不能 够访问一些受操作系统保护的系统资源，应用程序也不能直接进行处理器模式 的切换。当需要进行处理器模式的切换时，应用程序可以产生软件异常中断， 在异常处理过程中进行模式的切换。 当应用程序发生异常中断时，处理器进入相应的异常模式。在每一种异常 模式中都有一组寄存器，供相应的异常处理程序使用，这样就可以保证在进入 异常模式时，用户模式下的寄存器( 保存了程序运行状态) 不被破坏。 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 系统模式并不是通过异常过程进入的，它和用户模式具有完全一样的寄存 器。但是系统模式属于特权模式，可以访问所有的系统资源，也可以直接进行 处理器模式的切换。它主要供操作系统任务使用。通常操作系统的任务需要访 问所有的系统资源，同时该任务仍然使用用户模式下的寄存器组，而不是使用 异常模式下相应的寄存器组，这样可以保证当异常中断发生时任务状态不被破 坏峨训。 2 2 3a r m 异常中断 a r m 体系中断向量表中指定了各异常中断及处理程序的对应关系。异常 中断向量表的大小为3 2 字节，每个异常中断占据4 个字节大小，其中保留了4 个字节空间。它可以放在存储地址的低端，也可以放在存储地址的高端。其中 表2 2 是a r m 体系中各异常中断向量的描述表。 每个异常中断对应的中断向量表中的4 个字节的空间中放了一个跳转指令 或者一个向p c 寄存器中赋值的数据访问指令。通过这两种指令，程序将跳转 到相应的异常中断处理程序处执行。 表2 - 2 异常中断向量描述 t a b l e2 - 2d e s c r i p t i o no fe x c e p t i o ni m e r r u p tv e c t o r s a r m 处理器对异常中断的响应过程： 1 保存处理器当前的状态、中断屏蔽位以及各条件标志位这是通过将 当前程序状态寄存器c p s r 的内容保存到将要执行的异常中断对应的s p s r 寄 存器中实现的。 将c p s r 复制到s p s r 中，设置当前的程序状态寄存器c p s r 中相应的 位，使处理器进入相应的执行模式：当进入i r q 模式时，设置c p s r 中i 标志 位来禁止m q 中断；当进入f i q 模式时，设置c p s r 中f 标志位来禁止f i q 模式。 哈尔滨理t 人学下学硕! l ：学位论文 将寄存器l rm o d e 设置成返回地址。 将程序计数器p c 设置成该异常中断的中断向量地址，从而跳转到相应的 异常中断处理程序处执行 2 当异常中断程序理完毕之后，a r m 处理器执行以下几步操作从异常返 回： 若在进入异常处理时设置了中断禁止位，要在此清除。 将s p s r 复制到c p s r 中，恢复工作环境 将连接寄存器l r 的值减去相应的偏移量后送到p c 中，异常中断返回。 可以认为应用程序总是从复位异常处理程序开始执行的，因此复位是异常 处理程序，但永远不需要返回“。 2 3l p c 2 8 8 0 微处理器简介 l p c 2 8 8 0 微处理器是p h i l i p s 公司基于a r m 7 t d m i 核的1 6 3 2 位具有超低 功耗、功能强大的微控制器，其核心为高性能的3 2 位r i s c 体系结构，并具有 1 6 位的t h u m b 指令集。其主要特点如下： 1 带8 k b 高速缓存，6 4 k bs r a m ，- i - 作频率可高达6 0 m h z 。 2 b o o tr o m 允许执行f l a s h 代码、外部代码，或通过u s b 进行f l a s h 编 程。 3 多条内部总线允许在没有竞争的情况下，实现同步的简单d m a 、u s b 和从片内f l a s h 执行程序。 4 外部存储器控制器支持f l a s h ，s r a m ，r o m ，和s d r a m 。 5 高级向量中断控制器，支持高达3 0 个向量中断。 6 串行接口：带片内物理层的高速u s b 2 0 设备( 4 8 0 m b s 或1 2 m b s h 带小数波特率发生器、流控制、i r d a 支持和f i f o 的u a r t 及i 2 c 总线接口； 1 2 s 总线( 内部集成电路音频总线) 接1 2 1 ，用于独立的立体声数据音频输入和 输出。 7 2 个带可选预分频器的3 2 位定时器，支持多种工作模式。 8 具有中断复位功能的看门狗定时器 9 高级时钟发生单元和功率控制降低了功耗。 如上所述，l p c 2 8 8 0 微处理器除了基于a r m 7 t d m i 内核外，而且在芯片 内还集成了许多外围设备，具有大量的内部寄存器因而中断处理非常快。在结 构上增加了多通道d m a 、处理器高速缓存、多条内部总线上的同步操作和灵 活的时钟发生单元，它们有助于确保l p c 2 8 8 0 在与其它众多竞争产品相比， 能够处理更高要求的应用。因此，l p c 2 8 8 0 微处理器非常适用于工业控制、医 疗系统、访问控制和p o s 机等要求低功耗和高性能的便携式应用刭。其结构 框图如图2 - 2 所示。 图2 - 2l p c 2 8 8 0 结构框图 f i g 2 - 2l p c 2 8 8 0s t r u c t u r e 哈尔滨理丁人学t 学硕。f j 学位论文 2 4 系统硬件模块设计 2 4 1 电源电路 由于l p c 2 8 8 0 处理器芯片加接口的工作电压为3 3 v ，内核芯片需要工作 电压为1 8 v ，所以系统设计成3 3 v 应用系统。首先我们用一个2 2 0 v 到9 v 的 变压器将办公用电转换成直流9 v 电源。然后由j l 电源接口输入9 v 直流电 源，二极管d 1 是用来防止电源反接，经过c 1 ，c 2 滤波，然后通过由美国国家 半导体公司生产的l m 2 5 7 5 开关电源芯片将电源稳压到5 v 。电感l 1 用来限制 瞬态电流，当开发板电源上电后，p o w e r 指示灯点亮。电路图如图2 3 所 示。 + s v 图2 - 35 v 电源电路图 f i g 2 - 35 vp o w e rm a p p l yc i r c u i t 5 v 电源经过l d o 芯片( 低压差电源芯片) 稳压输出3 3 v 和1 8 v 电压系 统电源电路如图2 _ 4 所示，l d o 芯片采用由s i p e x 公司生产的s p x l l l 7 系列芯 片s p x l l l 7 m 3 3 3 和s p x l l l 7 m 3 1 8 ，其特点为输出电流大，输出电压精度 高，稳定性高。精度在正负1 ，还具有电流限制和热保护功能。使用时， 其输出端通常需要一个至少1 0 u f 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性，但实际 用一个更小的电容即可。实际电路上用一个4 7 u f 的钽电容。 电源模块的设计，在硬件电路设计中有着非常重要的作用：如果处理不 当，不但给电路带来e m c ( e l e c t r om a 印e t i cc o m p a t i b i l i t y ，电磁兼容) 影响，使 电路不能正常工作，严重的还可能导致烧毁电路，损坏元件。因此，设计电源 哈尔滨理t 人学t 学硕 ：学位论文 时，必须要注意以下几点n 引： 1 交流输入与直流输出要保持一定的距离。 2 地线要足够粗，要将单点着地和多点着地