（通信与信息系统专业论文）灾害天气预警终端的设计与实现.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 灾害天气预警终端的设计与实现 摘要 我国是世界上自然灾害最严重的少数国家之一。特别是近年来，随着 全球天气变暖，洪水、风暴、干旱、雪灾等自然灾害越来越频繁，越来越 严重，给我国带来巨大的损失。由于我国地域广阔，目前在城镇和农村还 没有一个专用的天气预警系统，只是通过电视、广播等形式进行天气预警， 其针对性差，有时无法对特定地区的灾害性天气进行及时地预警。为此， 我们查阅了大量的技术资料并进行了分析，研究出一套完整的技术方案。 此方案利用现有的移动通信系统，结合当地的广播体系，实现了灾害性天 气的预警。特别适用于灾害频发并且通信相对落后的农村地区。 本文以灾害天气预警为背景，提出了基于a r m 嵌入式系统的预警终端 的设计方案，以嵌入式预警终端的设计为主线，讨论了嵌入式系统的构成。 研究领域涉及嵌入式硬件设计、应用软件的设计和基于u s b 2 0 的数据传输 等。预警信息发布系统将灾害天气预警信息通过短信或语音的形式发布出 去；预警终端通过手机模块时刻接收来自预警信息发布系统的灾害天气预 警信息，当接收到预警短信后，a r m 处理器将对预警信息进行解析并自动 打开广播系统，将预警信息进行语音广播，同时打开户外显示屏显示预警 信息。另外，预警终端还带有u s b 2 0 接口，可以通过p c 机实现对语音数 据的下载、更新。 本人在课题研究中完成了部分硬件设计任务和绝大多数软件设计任 务，主要包括以下几个方面： 太原理t 大学硕十研究生学位论文 1 完成了灾害天气预警终端的硬件电路的选型和嵌入式操作系统的选 择。 2 建立以s 3 c 4 4 b o x 为核心的硬件的开发平台，完成了硬件设计、制 作与调试任务。 3 完成了基于p c o s 。i i 的应用程序的设计，经反复调试，程序运行稳 p 疋o 4 完成了基于u s b 2 0 芯片的固件程序、驱动程序和p c 机语音下载程 序的设计。 关键词：a r m ，手机模块，g c o s i i ，语音播报，u s b 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h e d is a s t e r 懂a t h e r 、7 ，a r n i n gt e r m i n a l a b s t r a c t c h i n ai so n eo ft h ec o n t r i e sw h i c ha r ev u l n e r a b l et on a t u r a ld i s a s t e r s e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s ，c h i n af r e q u e n t l ys u f f e r st h er a v a g e so fn a t u r a l d i s a s t e r s ，s u c ha sf l o o d s ，d r o u g h t s ，w i n d s t o r m sa n ds n o w sb yt h eg l o b a lw e a t h e r w a r m i n g ，w h i c hc a u s et r e m e n d o u sl o s s e st op e o p l ea n da r ei n c r e a s i n g l yf r e q u e n t a n dm o r ea n dm o r es e r i o u s b e c a u s ec h i n ai sah u g eg e o g r a p h i c a lc o u n t r y , a d e d i c a t e dw e a t h e rw a r n i n gs y s t e mh a sn o tb e e ne s t a b l i s h e di nu r b a na n dr u r a l a r e a sa tp r e s e n t p e o p l ef o r e c a s tt h ew e a t h e rd i s a s t e r so n l yt h r o u g ht e l e v i s i o n ， r a d i oa n do t h e rf o r m so fw e a t h e rw a r n i n gi n s p e c i f i ca r e a s w er e a dal a r g e a m o u n to ft e c h n i c a li n f o r m a t i o na n dd e v e l o pac o m p l e t es e to ft e c h n i c a l s o l u t i o n b ye x i s t i n gm o b i l er a d i oc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka n dt h el o c a l b r o a d c a s t i n gs y s t e m ，w eh a v er e a l i z e dt h ed i s a s t r o u sw e a t h e rb r o a d c a s t i n ga n d w a r n i n gi nc o u n t r y s i d ea r e a sw h i c ha r eb a c k w a r di nt e l e c o m m u n i c a t i o n b a s e do i lt h ed i s a s t e rw e a t h e rw a r n i n g ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e sad i s a s t e r w e a t h e rw a r n i n gt e r m i n a lb a s e do na r me m b e d d e ds y s t e m ，a n dd i s c u s s e st h e s t r u c t u r eo fe m b e d d e ds y s t e m sb yd e s i g n i n go ft h ed i s a s t e rw e a t h e rw a r n i n g t e r m i n a l t h ea r e ao fr e s e a r c hi n v o l v e se m b e d d e dh a r d w a r ed e s i g n ，t h ed e s i g n o fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，t r a n s f e rt e c h n o l o g yb a s e do nu s b 2 0a n do t h e rf i e l d s i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h eb r o a d c a s t i n gs y s t e ms e n d st h ed i s a s t e rw e a t h e rw a r n i n gi n f o r m a t i o ni nf o r m o fs m so rv o i c e ；t h et e r m i n a lr e c e i v e st h ew a r n i n gw e a t h e ri n f o r m a t i o no nt i m e w h e ns m si s r e c e i v e d ，t h et e r m i n a la u t o m a t i c a l l yo p e n s t ot h el o c a l b r o a d c a s t i n gs y s t e m ，p l a y st h ev o i c eo ft h ew a r n i n gw e a t h e ri n f o r m a t i o n ，a n d o p e n st h eo u t d o o rl e dd i s p l a y w h i c hs h o w st h a tw a r n i n gi n f o r m a t i o n i n a d d i t i o n ，t h et e r m i n a lc a na l s od o w n l o a dt h ei n f o r m a t i o nf r o mp cb yu s b 2 0 i n t e r f a c e t h ea u t h o rd e s i g n sap a r to fh a r d w a r ec i r c u i ta n dm o s to fs o f t w a r e ，w h i c h i n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： 1 t h eh a r d w a r ec i r c u i to fd i s a s t e rw e a t h e rw a r n i n gt e r m i n a la n dt h e e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e ma r es e l e c t e d 2 t h eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mb a s e do ns 3 c 4 4 b o xi se s t a b l i s h e d ， a n dt h ed e s i g no f h a r d w a r e ，p r o d u c t i o na n dd e b u gi sa c h i e v e d 3 t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e s i g n e da n dt e s t e dt ob es t a b l e 4 p r o g r a m so ff i r m w a r e ，d r i v e r , a n dd o w n l o a df r o mp ca r ec o m p l e t e d k e yw o r d s ：a r m ，g s m ，g c o s i i ，p h o n i cb r o a d c a s t ，u s b 2 0 i v 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：宝王亟日期： 莎扩 多秒 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为：目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：宝王盈日期： 导师签名：盏窆之 ) 萨易f j 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 l ，1 课题背景 第一章绪论 我国是世界上麒然灾害最严重的少数图家之一。我国灾害的特点是：灾害种类多、 发生频率离、分布地域广、造成损失大。特别是上世纪9 0 年代以来，自然灾害造成的 经济损失璺鞠显上升趋势，跫经成为影响经济发展和社会稳定的重要因素。去年，我国 发生了洪涝、台风、旱灾、风雹、雪灾、低温冷冻、扇体滑坡、泥石流等灾害，给人民 的生命和财产安全带来了重大戆损失。 洪水、风暴、干旱，雪灾等这些鑫然灾害越来越频繁，越来越严重，每年给我锏带 来巨大的损失。根据联合圈的统计，现在自然灾害造成的死亡人数超过了死于战争和暴 力之下人员的好几倍。如有灾难预警系统，这些灾难造成的损失本可以大大减轻。我们 现在不是没有条件也不是没有能力建立灾难预警系统，露是人们对予这个问题认识不 足。 1 2 灾害天气预警系统的发展状况 目前，城镇和农村还没有一个专用髓天气颓警系统，只是通避电视、广播等形式避 彳亍天气预警。2 0 0 6 年l o 月福建移动成功开发了气象与灾害预警信息系统，在泉州正式 投入使用，该系统是基于移动信息枫平台开发的，具有气象与灾害预报、预警服务功能。 通过该系统，客户可方便、快捷地得到重大天气情况进程监测和预报服务等预警信息。 气象局只需将定铡的攀位或令人客户的手飙号码导入系统，当盘现灾害预掇对，该系统 便会惫动对定制的单位或令人及时发送预警短信。墨藩，我国对甭情、求情、地质灾害 险情、雹情、旱情、震情、森林火情、有害生物灾情的鉴测蘧报，主要还是通过广播电 视、手机短信、鸣锣示警、发放灾害明白卡等方式，向社会发布灾害预警信息，缺少一 个专业的灾害预警系统。 1 3 本论文的目的及意义 我鹜现有的灾难颈警系统发布的预警信息相对一些镝远落后缝区来说实时性不够， 甚至舞法对其有效预警。为适应灾难预警熬需要，本灾害天气预警系统是出一个预警罐 王 太原理i ：人学硕士研究生学位论文 息发布系统和一个带有手机模块的自动化、智能化的天气预报播发终端设备组成。本系 统具有实时性强、覆盖面广、使用便捷等特点，除此以外，本方案还舆有组网方便、易 于工程安装等特点，并且还可以利用本系统的预警信息发布系统组成临时指挥中心，进 行抢险、救灾工作。 1 4 本论文研究任务 本课题的任务是开发灾害天气预警终端，在3 2 位a r m 处理器和g s m 模块组成预 警终端硬 孛平台上嵌入g c o s i i 操作系统，采用软件控制、通信来实现灾害天气的预警 系。预警终端还带有u s b 2 0 接口，通过p c 机可实现对语音数据的更新。 要完成的主要工作是： 设计以三星的1 6 3 2 位r i s c 处理器s 3 c 4 4 b o x 为控制核心的预警终端，并且将 i t c o s i i 系统嵌入到a r m 7 中，实现预警信怠的语音播报，力求软硬件的最佳组合。 预警终端所要达到的指标如下： l 。数据传输 该系统需要通过短信的方式将调度中心的预警信息传输到预警终端，预警终端接收 到预警信息发布系统的信患后，与预警终端中的词条进行匹配，还原成语音编码，逐个 播放其中对应的词条，播放完后将会给预警信息发布系统返回成功信息。另外，本系统 还可以显示普通的短信内容。 2 数据显示 该系统可以通过终端的液晶霹显示，还可以通过户外显示屏进行显示。 3 语音播报 该系统接受到预警信息发布系统鲍信息薏，将鸯动接通广播系统，通过语音的方式 播放信息。 4 语言数据更新 预警终端可以用p c 机通过u s b 2 0 接口，对语音数据进行下载更新。 最焉通过系统调试，完成预定的技术指标，实现信息发布豁功能。 2 豁露三 ol 喇啤9 ：， 叭叭 警12 备 督瞄 喇 叭 n ， 一一一 ；，、 喇啤 ：，!叭 12 一， 瞥峰 太原理：l ：火学硕十研究生学位论文 系统播放预警信息。 2 2 预警终端结构 图2 - 2 预警终端结构框图 f i g 2 2t h es t r u c t u r e df l o w c h a r to fe a r l yw a r n i n gt e r m i n a l 预警终端主要由主控芯片、f l a s h 、s d r a m 、无线通讯模块、语音播放模块、u s b 2 0 模块、户外显示模块、液晶显示模块、按键和状态显示组成。 其中主控芯片为a r m 7 处理器，作为本系统的c p u ，f l a s h 用于存放程序代码、 常量表、以及一些语音文件( 语音文件存储于n a n df l a s h 中) ，s d r a m 在系统中主 要用作程序的运行空间，数据以及堆栈区，无线通信模块主要负责语音通信和接收短信， 语音播放模块主要用于预警信息的语音播放，u s b 2 0 模块用于预警终端与p c 机之间进 行通信并且更新语音数据，户外显示模块和液晶显示模块主要用于预警信息的显示，键 盘和状态指示灯主要用于一些控制和显示预警终端的状态。 4 太原理：。i ：大学硕士研究生学侮论文 2 4 本系统的主要功能 预警信息发布系统的主要功能： 负责其整个区域内的灾害天气预警信息发布，通过短信或语音的方式向预警终端发 送预警信怠，并接收预警终端的回执信息。并且还可以利用本系统的预警信息发布系统 组成临时指挥中心，进行抢险、救灾工作。 预警终端的主要功能： 1 接收短信预警 预警信息发布系统向预警终端发送一个预警信息，预警终端可自动确认该信息为预 警信怠后，将此信息显示于电子屏上，可重复滚动显示。同时，预警终端可以将预警信 息的内容逶过广播站，以语音的形式重复播放。另外，预警终端可以显示普通短售内容。 2 。接收语音预警 预警信息发布系统可以通过无线网络或者有线网络呼叫预警终端，预警终端可自动 应答( 自动应答可验证呼入号码的权限) 。应答后，可通过广播站，直接公布预警信息； 或者通过预警终端的本机麦克和喇叭，与值班人员通话，通知其预警信息，再由其转达 预警信息。 3 更新语音数据 预警终端可以利用u s b 2 0 接蹬通过p c 枫对预警信息进行更新。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章预警终端硬件设计 本章着重介绍了基于a r m 平台的预警终端的硬件总体方案及各个模块的器件选型 和电路设计。对一些电路的连接进行了详细描述，并给出了各个部分的电路原理图。 3 1 预警终端硬件结构框图 显示设备 按键状态指示灯 图3 - 1 预警终端硬件结构框图 f i g 3 1t h es t r u c t u r e df l o w c h a r to f e a r l yw a r n i n gt e r m i n a l 本章重点在于介绍嵌入式a r m 硬件平台各模块的设计，实现程序运行的基本环境。 硬件结构主要有以下几部分组成：a r m 处理器、s d r a m 存储器、f l a s h 存储器、无 线通信模块、语音播放模块、u s b 2 0 模块、户外显示模块、液晶显示模块、键盘和状 态指示灯。其中a r m 7 处理器作为核心c p u ，操作系统选用嵌入式 t c o s i i ，f l a s h 用于存放嵌入式操作系统、程序代码、常量表、以及一些语音文件( 语音文件存储于 n a n df l a s h 中) ，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据以及堆栈区。无 线通信模块主要负责语音通信和接收短信，语音播放模块主要用于预警信息的语音播 放，户外显示模块和液晶显示模块主要用于预警信息的显示，外部电源控制模块主要控 制外部广播系统的电源，键盘和状态指示灯主要用于一些控制和显示预警终端的状态。 7 太原理j 【：大学硕士研究生学位论文 3 2a r m 处理器 a r m 作为一家芯片设计公司，是近年来嵌入式系统中非常有影响的微处理器设计 商，它主要是将芯片设计技术的授权给世界上众多著名的半导体、软件和o e m 厂齑， 并且为他们提供a r m 相关技术及服务。目前a r m 微处理器包括a r m 7 ，a r m 9 ， a r m 9 e ，a r m l0 e ，s e c u r c o r e ，i n t e l 的x s c a l e 等。 a r mc p u 是精简指令集计算机( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t e r , r i s c ) 架构的 c p u ，其设计主要适用于要求体积小、功耗低和功能较强的嵌入式系统。它的主要特点 有f l 】： 1 采用固定长的指令格式； ( 2 ) 使用单周期指令，便于流水线操作执行； f 3 大量使用寄存器，数据处理指令只对寄存器操作，只有加载7 存储指令可以访问存赭 器，以提高指令的执行效率； 4 所有的指令都可以跟前瑟的执行效果决定是否被执行，从两提嵩指令昀执行效率； ( 5 ) 可用加载存储指令批量传输数据，以提高数据的传输效率； 翁可在一条数据处理指令中同时完成逻辑处理和移位处理； ( 7 ) 在循环处理中使用地址的增减来提高运行效率。 本系统主要麸成本翻功麓上考虑，选用s a m s u n g 公谣的1 6 3 2 位r i s c 处理器 s 3 c 4 4 b o x ，它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应 用，它为手持设备和一般类型应用提供了高性侩魄和高性熊的微控制器解决方案。为了 降低成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件，包括：8 k bc a c h e ，内部s r a m ，l c d 控制器，带自动握手的2 通道u a r t ，4 逶道d m a ，系统管理器( 片选逻辑， f p e d o s d r a m 控制器) ，代用p w m 功能的5 通道定制器，i o 端口，r t c ，8 通道 1 0 位a d c ，i i c b u s 接西，i i s b u s 接龋，丽步s i o 接口和p l l 倍频器。 s 3 c 4 4 b o x 的主要特征如下【2 1 ： 1 体系结构 ( 1 ) 集成了手持设备和通用嵌入式系统应用的解决方案； ( 2 ) 16 3 2 位r i s c 体系结构帮a r m 7 t d m i 处理器肉孩强大的指令体系； ( 3 ) t h u m b 代码压缩机，最大化代码密度同时保持了3 2 位指令的性能； 8 太厥理工大学硕士研究生学位论文 ( 4 ) 基于j t a g 的片上集成i c e 调试支持解决方案； ( 5 ) 3 2 x 8 位硬件乘法器； ( 6 ) 实现低功耗s a m b ai i ( 三星a r m 处理器嵌入式微控制器总线体系结构) 的 薪型总线结构。 2 系统管理器 ( 1 ) 支持大小端方式； ( 2 ) 寻址空间：每b a n k 3 2 m 字节( 共2 5 6 m 字节) ； ( 3 ) 支持每b a n k 可编程的8 1 6 3 2 位数据总线宽度； ( 4 ) 7 个b a n k 具有固定的b a n k 起始地址和可编程的b a n k 大小； ( 5 ) 1 个b a n k 具有可编程的b a n k 起始地址和b a n k 大小； ( 6 ) 8 个存储器b a n k ： 一6 个r o m ，s r a m 存储器b a n k ； 一2 个r o m s ra m ，d r a m ( 快速页面，e d o 和同步d 删) ； ( 7 ) 所有豹存储器b a n k 具有可编穗的操作周期； ( 8 ) 支持外部等待信号延长总线周期； ( 9 支持掉电时d r a m s d r a m 豹齑刷新模式； ( 1 0 ) 支持均匀月 均匀的d r a m 地址。 3 c a c h e 存储器和内部s r a m ( 1 ) 一体化的8 k 字节c a c h e ； ( 2 ) 未用的c a c h e 空闯焉来作为0 4 8k 字节的s r a m 存储空闻； ( 3 ) 支持l r u ( 近期最少使用) 替换算法； ( 4 ) 采篇保持主存储器与c a c h e 内容一致性的“写穿式”策略； ( 5 ) 写存储器具有4 级深度； ( 6 ) 当c a c h e 未命中时，采焉“请求数据优首先填充 技术。 4 时钟和电源管理 ( 1 ) 低功耗； ( 2 ) 片上p l l 使m c u 工作时钟最大达到7 5 m h z ； ( 3 ) 可以通过软件设置各功能模块麴输入时钟； ( 4 ) 电源模式：正常，慢速，空闲和停止模式； 9 太原理t 大学硕十研究生学位论文 正常模式：正常工作模式； 慢速模式：不加p l l 的低时钟频率模式； 空闲模式：只停止c p u 的时钟； 停止模式：停止所有的时钟； ( 5 ) 通过e i n t 7 ：0 或r t c 报警中断从停止模式唤醒。 5 中断控制器 ( 1 ) 3 0 个中断源( 看门狗定时器，6 个定时器，6 个u a r t ，8 个外部中断，4 个 d m a ，2 个r t c ，1 个a d c ，1 个i i c ，1 个s l o ) ； ( 2 ) 采用向量化的i r q 中断模式以减少中断的延迟； ( 3 ) 可选的电平越浍模式触发外部中断； ( 4 ) 电平边沿模式具有可编程的优先级： ( 5 ) 支持f i q 为紧急的中断请求进行服务。 6 定时器和p w m ( 脉宽调制) ( 1 ) 5 通道1 6 使具有p w m 功能的定时器，l 通道1 6 位恣部定时器( 可进行基于 d m a 或中断的操作) ； ( 2 ) 可编程的占空比周期，频率，和优先级； ( 3 ) 能产生死区； ( 4 ) 支持外部时钟源。 7 r t c ( 实时时钟) ( 1 ) 充分酶时钟特性：毫秒，秽，分钟，小时，冀，星期，旁，年； ( 2 ) 3 2 7 6 8 k h z 时钟； ( 3 ) 定时警报，可震于唤醒c p u ； ( 4 ) 可产生时钟节拍中断。 8 逶焉髟0 翔 ( 1 ) 8 个外部中断口； ( 2 ) 7 1 个多功熊输入输出瑟。 9 ，u a r t ( 异步串行通讯) ( 1 ) 2 通道u a r t ，可进行基于d m a 或中断靛揉俸； ( 2 ) 支持5 位，6 位，7 位或8 位串行数据传输接收； 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 3 ) 支持在发送接收期间的h w 握手功能； ( 4 ) 可编程的波特率 ( 5 ) 支持i r d a l 0 ( 1 1 5 2 k b p s ) ； ( 6 ) 支持用于测试的回馈模式； ( 7 ) 每个通道具有2 个内部3 2 字节的f i f o 分别用于输入和输出。 1 0 d m a ( 直接存储器操作) 控制器 ( 1 ) 2 通道通用d m a ( 直接存储器操作) 控制器，不需要c p u 干预； ( 2 ) 2 通道d m a 桥( 外设d m a ) 控制器； ( 3 ) 支持i o 到存储器，存储器到v o ，i 0 到v o 的6 种d m a 请求：软件，4 个 内部功能模块( u a i 玎，s i o ，定时器，i i s ) ，和外部引脚； ( 4 ) 在同时发生的多个d m a 之间具有可编程的优先级顺序； ( 5 ) 采用猝发式的传输模式以提高f p d r a m ，e d o d r a m 和s d r a m 的数据传输 速率； ( 6 ) 支持在外部设备到存储器和存储器到外部设备之间采用f l y b y 模式。 1 1 a d 转换器 ( 1 ) 8 通道的a d c ； ( 2 ) 最大5 0 0 ks p s i o b i t 。 1 2 l c d 控制器 ( 1 ) 支持彩色黑8 灰度l c d 屏； ( 2 ) 支持单路扫描和双路扫描； ( 3 ) 支持虚拟显示屏功能； ( 4 ) 系统存储器用来作为显示缓存； ( 5 ) 用专门的d m a 来从系统存储器中获得图象数据； ( 6 ) 可编程的屏幕大小； ( 7 ) 灰度等级：1 6 级灰度； ( 8 ) 最多2 5 6 种颜色。 l3 i i c 总线接口 ( 1 ) 1 通道多主1 1 c 总线，可进行基于中断的操作模式； ( 2 ) 可进行串行，8 位，双向数据传输，标准模式速度达到1 0 0 k b i t s ，快速模式 太原理f ：人学硕士研究生学位论文 达到4 0 0 k b i t s 。 1 4 i i s 总线接口 ( 1 ) 1 通道音频i i s 总线接口，可进行基于d m a 的操作； ( 2 ) 串行，每通道8 1 6 健数据传输； ( 3 ) 支持m s b - j u s t i f i e d 数据格式。 1 5 s i o ( 同步串行i o ) ( 1 ) 1 通道s i o ，可进行基于d m a 或中断的操作； ( 2 ) 可编程的波特率。 霹3 - 2a r m 系统结构框图 f i g 3 2t h es t r u c t u r e df l o w c h a r to f a r m 3 3 电源、复位和晶振电路设计 3 ，3 1 电源电路 电源电路用于为系统中的所有器件提供工作电压。s 3 c 4 4 b o x 微处理器有三种类型 的电源萼| 脚：v d d 弓| 脚( s 3 c 4 4 b o x 内核逻辑电压2 5 v ) ；v d d i o 亏| 脚( s 3 c 4 4 b o x 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 i o 口电源3 3 v ) ；r t c v d d 引脚( r t c 电压2 5 v 或3 v ) ) 。除此以外f l a s h 、s d r a m 存储器、串霹芯片均需要供电电压3 3 v 4 。 本系统的外部输入电压为5 v ，使用稳压芯片l m l117 3 3 和l m l117 。2 5 分别使电 压降为3 3 v 和2 5 v ，为了消除电源的噪声，在输出和输入端加入了凡十到几百微法翡 电容，同时，在系统中除了要注意低频噪声的影响，还要主要元器件工作时产生的高频 噪声，在电源与地之间加上0 + l | lf 的电容，可以很好地滤除高频噪声的影响，具体电 路图如下： j f 图3 - 32 5 v 电源电路图 f i g 3 - 32 5 vp o w e rs u p p l yc i r c u i t ? 图3 43 3 v 电源电路匿 f i g 3 - 43 3 vp o w e rs u p p l yc i r c u i t 3 3 ，2 复位电路 复位电路主要完成系统的上电复位和系统在运行时用户的按键复位功能。复位电路 可以由简单的r c 电路构成。具体电路如图3 ，5 所示。 f ) ! ：；f m + 33 v 鹫3 - 5 复位电路图 f i g 3 - 5t h er e s e tc i r c u i t 1 3 太原理：r 大学硕十研究生学位论文 3 3 3 晶振电路 晶振电路用于向s 3 c 4 4 b o x 微处理器提供时钟【4 1 。本系统包括两个晶振，其中 3 2 7 6 8 k h z 晶振为系统提供慢时钟，它是系统内唯一不变的时钟，1 0 m h z 晶振通过倍频 后为系统提供6 0 m h z 的主机时钟。 3 4 存储器电路设计 3 4 1s d r a m 存储器电路 s d r a m 不具有调电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，并 且具有读写的属性，因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已经广泛应用于各种嵌入式系统 中。 s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必 须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微处理器具有刷新控制 逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路【2 1 。s 3 c 4 4 b o x 在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口。 本系统使用的s d r a m 存储器是h y n i x 公司的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 ，它的单片存储容量 为6 4 m b i t ( 4 m x16 b i t ) ，1 6 位数据带宽，工作电压3 3 v ，采用5 4 管脚封装【5 1 。根据系统 需求，可以构建1 6 位或3 2 位的s d r a m 存储器系统，但为了充分发挥系统的效率，本 系统采用1 6 位的s d r a m 存储器系统。本系统选用两片h y 5 7 v 6 4 16 2 0 构建8 m xl6 b i t 的s d r a m 存储器空间，并映射到s 3 c 4 4 b o x 微处理器的n g c s 6 和n g c s 7 两块地址空 间，其地址为0 x o c 0 00 0 0 0 0 x o c 7 f 筒和0 x o c 8 00 0 0 0 - - 一0 x o c f f 解o 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 圈3 6s d r a m 接搭电路图 f i g 3 6t h ei n t e r f a c ec i r c u i to fs d r a m 3 4 2n o rf l a s h 存储器接口电路 n o r f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，调电后信息不丢失 的存储器。它具有的功耗低、大容量、擦写速度块、可整片或分扇区进行烧写或擦除， 并且可由内部迁入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应 用。f l a s h 在系统中通常用于存放程序、常量表以及一些在系统捧电后需要保存的用 户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 2 v 。主要的生产 商为a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等，这些同类型的器件般具有檑同的电器特性和封 15 太原理：l 大学硕十研究生学位论文 装形式，可以通用【6 1 。 s 3 c 4 4 b o x 芯片c p u 内部没有程序存储器，必须外接f l a s h 。本系统采用了一块 1 m x1 6 b i t 的s s t 3 9 v f l 6 0 1 ，它的数据位宽为1 6 位，可在线烧写，用于存放最终程序。 图3 7 n o r f l a s h 接口电路图 f i g 3 7t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f n o r f l a s h 3 4 3n a n df l a s h 存储器接口电路 由于本系统要求利用语音进行预警信息播放，语音词条比较多，一个词条要占用 1 0 0 k 左右，数据量比较大，因此对系统的存储容量就有较高的要求，一般e p r o m 或 者f l a s h 的容量达不到要求，而采用n a n df l a s h 就能很好解决问题。 n a n df l a s h 采用的是地址和数据线复用的方式，也就是通过向n a n df l a s h 发不同的命令来完成相应的操作，并且它的地址也是通过发不同的字节数来完成寻址操 作。n a n df l a s h 主要有控制逻辑单元、缓存和译码单元、n a n df l a s h 存储阵列以 及输出驱动组成 7 1 。 n a n df l a s h 的c e 片选与s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 2 相连，n a n df l a s h 映射为 b a n k 2 区域，地址从0 x 0 4 0 0 0 0 0 0 ，c l e 和a l e 分别接到地址总线的a d d r 2 和a d d r 3 上，c l e 和a l e 分别被映射为地址0 x 0 4 0 0 0 0 0 4 、0 x 0 4 0 0 0 0 0 8 如下所示： # d e f i n ef l a s hd a t a p o r t ( 宰( ( v o l a t i l eu n s i g n e dc h a r 术) ( 0 x 0 4 0 0 0 0 0 0 ) ) )n g c s 2 # d e f i n ef l a s h _ c m d p o r t ( 车( ( v o l a t i l eu n s i g n e dc h a r 丰) ( 0 x 0 4 0 0 0 0 0 4 ) ) ) c l e - a d d r 2 # d e f i n ef l a s h a d d r p o r t ( 宰( ( v o l a t i l eu n s i g n e d c h a r 木) ( o x 0 4 0 0 0 0 0 8 ) ) ) 本系统在此选用芯片是k 9 f 2 g 0 8 u o m ，电源电压2 7 v - 3 6 v ，功耗低，容量可达 16 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 6 m x8 b i t ， 图3 - 8n a n df l a s h 接口电路图 f i g 3 8t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f n a n df l a s h 下面具体对各个管脚进行说明【8 】： c l e ：命令锁存管脚。该管脚用来表示输入的数据为命令，该管脚高电平有效。当 该管脚为高电平的时候，在w e 信号的上升延时输入的数据为命令数据，该管脚连接 到s 3 c 4 4 b o x 微处理器的a d d r 2 上。 a l e ：地址锁存管脚。该管脚用来表示输入的数据为地址，该管脚高电平有效。当 该管脚为高电平的时候，在w e 信号的上升延时输入的数据为地址数据，该管脚连接 到s 3 c 4 4 b o x 微处理器的a d d r 3 上。 c e ：选择管脚。该管脚低电平有效。当该管脚为低电平的时候，选通n a n df l a s h ， 否则n a n df l a s h 不工作，该管脚连接n g c s 2 ，将n a n df l a s h 映射到b a n k 2 块上。 r e ：读使能管脚。管脚低电平有效。当该管脚为低电平的时候，对n a n df l a s h 进行读操作，该管脚连接到s 3 c 4 4 b o x 微处理器的n o e 上。 w e ：写使能管脚。管脚低电平有效。当该管脚为低电平的时候，对n a n df l a s h 进行写操作，该管脚连接到s 3 c 4 4 b o x 微处理器的l l e w 上。 i o 口( i 0 0 一i 0 7 ) ：n a n df l a s h 的数据线，用这些数据线来完成地址数据、命 令数据和内容数据的输入或者输出。当n a n df l a s h 片选信号为高电平的时候， 数据线处于高阻状态，该管脚连接到s 3 c 4 4 b o x 微处理器的d a t a 7 ：0 上。 l7 太原理+ r 大学硕士研究生学位论文 3 5 硬件接口电路设计 3 5 1 无线通讯模块接口电路 本系统的无线通讯模块选糟的是w a v e c o mq 2 4 0 3 a 手机模块。它具有如下的特性 【9 】： 产品特征 双频g s m g p r sm o d e m 模块 执行e t s ig s mp h a s e2 + 的标准 类别4 ( 2 w 9 0 0 m h z ) 类别l ( 1 w 1 8 0 0 1 9 0 0 m h z ) 外部3 v 5 vs i m 供电 3 , 6 v d c1 a 遥信中平均3 0 0 m a ( 0 燃，p m a x ) 空闲时3 5 m a 外部尺寸：5 8 3 2 x 6 魈 短消息服务 点对点昀m t & m o 短消息区域广播 回复呼瑟唾信息 呼叫转移 呼瑟鼙限制 电话簿 雹定号码呼明 呼叫等待或保持 呼瑟唾线路认证 红外线s i m 数据传输 回声取消 s i m 工具包 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 s i m 锁 基本特征 通话或紧急呼叫 最高速率，升级最高速率和半速率 双音多频功能( d t m f ) a 5 1 & a 5 5 加密算法 数据特征 数据线路异步传输和同步可达1 4 ，4 0 0b i t s s 自动传真g r o u p 3 ( c l a s sl & 2 ) 通话和传真转换 i r d a1 2 a 协议 g p r s 姆 接口 单一天线接口( f o r9 0 0 18 0 0 ) s i m3 v 5 v 和s i m 检测 电源接口 r s 2 3 2 c 串口线 通过a t 指令控制 波特率从3 0 0 到l1 5 ，2 0 0b i t s s 自动速率从2 , 4 0 0 到19 ，2 0 0b i t s s “lf “一“。一 蠢l i 。0 二。 ， 曩； ； j 。 戮：耘 誊- 一。 瓤譬= ：o 端正；l 影 图3 - 9w a v e c o mq 2 4 0 3 a 手机模块 f i g 3 9t h em o d u l eo fm o b i l et e l e p h o n e 处理器s 3 c 4 4 b o x 与手机模块之问的通信必须通过串行接口，这个串行接口可是 】9 太原理工大学硕士研究生学位论文 采用标准的r s 2 3 2 端口，可以通过串翻发送a t 指令来完成对模块的操作。在应用设计 中，当处理器需要通过串口与模块进行通信时，使用串蹦的r x 、t x 、c t s 和r t s 个 引脚，并且本模块支持s i m 卡，可以宜接与3 0 vs i m 卡，m i c n 和m i c p 接麦克风， s p k n 接耳机，具体电路如图3 ，l o 所示： 。：， 图3 1 0w a v e c o mq 2 4 0 3 a 手机模块接霹电路图 f i g 3 10t h ei n t e r f a c ec i r c u i to f m o