（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式技术的usb存储系统的设计与实现.pdf

原创性声明 i 煳黼 本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工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己经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得凼鏊直太堂及其他教育机构的学位或证书面使用过的材料。与我一同工作的同志对 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：熟巫聿丛指导教品盘名：二童篁垒 日期：2 f f ! ! 堕日期： ：鱼丝斟7 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、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学 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 i l 编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、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：瑟! ! ：粒 日 翌：型删 指剥币二名：多 日 期：j 幽7 摘要 基于嵌入式技术的u s b 存储系统的设计与实现 摘要 计算机外设和数码产品的不断发展，使得各种设备之间的接口和互连 成为当前亟待解决的问题。u s b 是现今p c 机总线中应用最广泛的接口技 术。在u s b 拓扑结构中，p c 机居于核心地位，u s b 设备脱离p c 机后将无 法使用。然而在控制领域和户； i - n 试设备这些非p c 机应用场合，尤其是在 嵌入式技术开发应用中，u s b 技术的应用并不普遍。而且很多便携式设备 的存储容量一般都非常有限，u s b 接口的大容量存储器便成为数据存储的 首选载体。该技术在嵌入式系统领域的数据实时采集、存储、处理中具有 长远的实用价值。 本文选用a r m 7 芯片l p c 2 3 8 7 作为核心处理器，构建并实现了u s b 主机系统。在硬件方面，给出了各模块设计电路；软件方面，分析了u s b l 1 协议，其中，对u s b 的系统体系、数据通信模型、数据包格式、u s b 标准 描述符进行了深入剖析，然后根据u s b 通讯协议重点论述了主机端软件的 设计与实现方法。为了增强系统功能以及便于管理，移植了i a c o s i i 实时 操作系统，采用小型文件系统z l g f s ，实现存储器中的数据与普通计算机 进行交换。 利用嵌入式u s b 接口技术实现数据存储，该设计可以很好地应用于数 据采集系统，同时也为嵌入式设备数据交换和存储提供了一种新的解决思 路。这方案的设计和实现，使通用的移动存储器( 如u 盘) 可应用到非p c 机 类型的设备上，使u 盘方便、快捷存储数据的优势在嵌入式领域得以充分 发挥。 关键词：u s b 主机；嵌入式；l p c 2 3 8 7 ；数据存储 d e s i g na n dr e a l i z a t i o no f a nu s bs t o r a g es y s t e m b a s e do nemb e d d e dt e c h n o l o g y a bs t r a c t i nt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rp e r i p h e r a l sa n dd i g i t a lp r o d u c t s ，i ti sa n a c t i v ea n du r g e n tt h ep r o b l e mt os o l v et h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ev a r i o u sd e v i c e s a n di n t e r c o n n e c tb e t w e e n o ft h e m n o wu s bi st h em o s tw i d e l ya p p l yi nt h e i n t e r f a c eo fp e r s o n a lc o m p u t e r ( p c ) i nt h eu s b t o p o l o g y ，t h ep cb e c o m e st h e c o r ea n dt h eu s i bd e v i c ec a nn o tb ea b l et ou s ei fi tw a sb ed i v o r c e df r o mt h ep c h o w e v e ri nt h ec o n t r o lf i e l da n do u t - d o o rt e s te q u i p m e n tt h a ta r en o tp c a p p l i c a t i o n s ，e s p e c i a l l y i nt h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n ，u s b t e c h n o l o g ya p p l i c a t i o n i sn o tc o m m o n al o to fp o r t a b l ed e v i c e sa r eu s u a l l yv e r y l i m i t e ds t o r a g ec a p a c i t y ，s ou s bm a s ss t o r a g eb e c a m et h ec a r d e ro fc h o i c ef o r d a t a s t o r a g e t h i st e c h n o l o g y h a s l o n g - t e r mp r a c t i c a lv a l u e i ne m b e d d e d s y s t e m sf i e l dd a t ar e a l t i m ed a t aa c q u i s i t i o n ，s t o r a g e ，p r o c e s s i n g l p c 2 3 8 7 ，a r m 7p r o c e s s o rw h i c hi sc o r ec h i pi nt h es y s t e mi ss e l e c t e di n t h i sp a p e r a n di tb u i l d sa n dr e a l i z e du s bh o s tf u n c t i o n i nt h eh a r d w a r ea s p e c t ， e a c hm o d u l ed e s i g na n dt h ed e t a i l so fc i r c u i ta r es h o w e d i ns o f t w a r e ，t h e u s b1 1 p r o t o c o l i s a n a l y z e d f u r t h e r m o r e ，i t i s t h o r o u g h l ya n a l y z e s t h e a r c h i t e c t u r eo fu s b ，t h em o d e lo fu s bd a t ac o m m u n i c a t i o n ，p a c k e tf o r m a t ， u s bs t a n d a r dd e s c r i p t o r s a c c o r d i n gt ot h eu s bc o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，i ti s e m p h a t i c a l l yi n t r o d u c e dt h es o f t w a r ed e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h eh o s t i no r d e r t oe n h a n c et h es y s t e mf u n c t i o na n dm a n a g ee a s i l y ，t h ei r t c o s i i r e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mi st r a n s p l a n t e da n ds m a l lf i l es y s t e mz l g f si sa d d e d f i n a l l y i tc a nr e a l i z es t o r a g ea n de x c h a n g eo f d a t aw i t ho r d i n a r yc o m p u t e r u s ee m b e d d e du s bi n t e r f a c et e c h n o l o g yt oa c h i e v ed a t as t o r a g e ；t h i s d e s i g nc a nn o to n l yb ew e l la p p l i e dt od a t ac o l l e c t i o ns y s t e m ，b u ta l s op r o v i d e sa i i n e ws o l u t i o nf o re m b e d d e de q u i p m e n td a t ae x c h a n g ea n ds t o r a g e t h ed e s i g n a n di m p l e m e n t a t i o no ft h i ss c h e m e ，w h i c hm a k e st h eg e n e r a lm o b i l es t o r a g e ( s u c ha sud i s k ) c a nb ea p p l i e dt ot h ep ct y p eo fe q u i p m e n ta n dm a k e su d i s k t h a tc a nc o n v e n i e n t l y ，q u i c k l ys t o r a g ed a t ac o u l db ef u l l yu t i l i z e di ne m b e d d e d f i e l d k e y w o r d s ：u s bh o s t ；e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；l p c 2 3 8 7 ；d a t as t o r a g e i i i 目录 目录 第一章绪论l 1 1 选题意义、背景1 1 2u s b 主机技术的应用前景2 1 3 论文组织结构3 第二章u s b 存储系统硬件设计4 2 1 系统硬件原理设计框图4 2 2l p c 2 3 8 7 性能简介一5 2 3 电源系统设计。7 2 4 时钟系统9 2 5j t a g 调试接口lo 2 6 液晶显示器系统1 1 2 7a d 转换器( a d c ) 1 2 2 8u s b 控制器l3 2 8 1l p c 2 3 8 7u s b 设备控制器简介1 4 2 8 2u s b 数据流15 2 8 3 从机模式传输。17 2 8 4d m a 模式传输o l7 2 8 5l p c 2 3 8 7u s b 硬件电路设计1 7 2 9 本章小结l8 第三章u s b 规范概述1 9 3 1u s b 体系结构1 9 3 3 1u s b 系统的构成2 0 3 1 2u s b 体系的层次结构。2 1 2 1 3u s b 的物理结构2 2 3 1 4u s b 设备的逻辑结构：2 3 3 2u s b l 1 总线接口层传输协议规范2 4 i v 目录 3 2 1 u s b 包及包的基本类型一2 4 3 2 2u s b 设备的描述符2 5 3 2 3u s b 标准设备请求2 6 2 2 4u s b 数据传输类型：2 7 3 3u s b 总线枚举2 9 第四章u s b 存储系统软件设计31 4 1p c o s i i 系统平台的搭建3 1 4 2l p c 2 3 8 7 启动代码配置j 3 2 4 2 1 处理器初始化概述3 2 4 2 2 分散加载文件3 4 4 2 3 定义i r q 汇编接口代码宏3 7 4 3a d 转换器配置3 8 4 4u s b 主机程序总体设计：4 0 4 5u s b 固件程序设计思路4 1 4 5 1u s b 硬件抽象层4 2 4 5 2u s b 命令接口层4 4 4 5 3u s b 协议层4 5 4 5 4u s b 应用层4 6 4 6u s b 驱动程序设计4 9 4 6 1 主机控制器的驱动程序一4 9 4 5 2u s b 驱动j 5 0 4 6z l g f s 文件系统的移植5 2 4 6 1 z l g f s 简介- ：一5 2 4 6 2z l g f s 底层驱动程序5 4 4 7l c d 模块程序设计5 6 4 8 总结5 6 第五章总结及展望5 7 参考文献5 8 致谢6 0 v 内蒙古大学硕士学位论文 1 1 选题意义、背景 第一章绪论 通用串行总线( u s b ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种目前广泛应用的计算机外围串行 通信标准。自1 9 9 4 年发表了u s bv 0 7 版本以后，u s b 版本经历了多年的发展，到现 在已经发展为3 0 版本，成为当今个人计算机和大量智能设备的必配的接口之一。目前 主板中主要是采用u s b l 1 和u s b 2 0 ，各u s b 版本之间能够很好的兼容。 u s b 需要主机硬件、操作系统和外设三个方面的支持才能工作。与传统的串并行 接口相比，u s b 具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点， 可以连接鼠标、键盘、打印机、扫描仪、摄像头、闪存盘、m p 3 、手机、数码相机、移 动硬盘、外置光软驱、u s b 网卡、a d s lm o d e m 等几乎所有的外部设备，于是迅速占 领了计算机中、低速外设市场。在u s b 推动p c 机外部设备发展的同时，p c 机外部设 备反过来也对u s b 提出更高的要求，其中最主要的一点便是更高速率的数据传输。2 0 0 0 年发布了支持4 8 0 m b s 高速数据传输的u s b 2 0 规范，为将u s b 推广到大容量移动存储、 宽带网络产品、数码相机和摄像机等高速外部设备提供了解决方案。 无论是采用u s b l 1 还是采用支持高速数据传输的u s b 2 0 所设计的u s b 系统，都 需要以计算机为主机控制数据的传输。在u s b 的拓扑结构中，居于核心地位的是主机， 任何一次u s b 的数据传输都必须由主机来发起和控制，所有的u s b 设备都只能和u s b 主机建立连接，任何两个u s b 设备之间无法直接进行通信。目前在市场上能够购买到 和使用的大多数都是u s b 设备，比如u s b 移动硬盘、闪存、数码相机、m p 3 等，而 目前传统的u s b 主机绝大多数都是基于p c 机的。 嵌入式u s b 主机技术作为一项u s b 领域新的发展技术，最近两年，得到越来越多 的关注，目前，u s b 主机的角色大多数情况下都是由p c 机担当，随着u s b 设备数量 的不断扩大以及u s b 设备形式的不断丰富，人们希望能在嵌入式系统中实现u s b 数据 传输。同时，在工业控制领域中，嵌入式处理器系统广泛存在，其中大部分还是通过串 行r s 2 3 2 进行数据通信的。 。 所以，如何将u s b 应用在非p c 应用领域，使u s b 设备脱离p c 领域成了当务之 内蒙古大学硕士学位论文 急。而嵌入式计算机系统正好可以实现这一功能，嵌入式计算机应用是非通用计算机的 计算机应用，属于“专用计算机”应用【l l 。它被定义为：以应用为中心，以计算机技术 为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的 专用计算机系统。其最大的特点是嵌入式系统所具有的目的性和针对性，即一套嵌入式 系统通常是为在某些特殊的应用场合来实现几种特定功能而设计的，这正是嵌入式系统 与通用计算机系统的一个显著区别【2 】。 嵌入式系统作为一个特定的计算机系统，在很多情况下，也需要与外界进行信息交 流与传递。如采样数据的输出保存，输出系统本身运行的参数以供分析，嵌入式系统固 件部分参数的重新装定等等。当前，在嵌入式系统中，数据采集和交换大多还是使用软 盘、串行接口、以太网等方式。软盘稳定性差，容量小；以太网成本太高，移动性不好； 串口速度比较低。另外，嵌入式系统本身作为一个专用计算机系统，自身也存在扩充外 部设备的需要。 近年来，嵌入式技术得到了飞速的发展，涉及的领域非常广泛。根据u s b 协议及 其体系结构，开发嵌入式u s b 主机，可以将u s b 设备的应用从p c 领域脱离出来。本 文正是基于数据采集、存储这样特定的任务与要求，选择合适的微处理器，按功能需求 编写目标代码，从而实现u s b 主机功能。在系统工作时，自动地将采样数据存入移动 硬盘，待采样结束之后由计算机中的专业处理软件对移动硬盘中的数据进行分析处理。 1 2u s b 主机技术的应用前景 随着u s b 技术的广泛应用，人们对它提出了更高的期望，尤其是希望将u s b 技术 的应用引入到嵌入式系统中。嵌入式系统一般指非个人计算机系统，它是以应用为中心， 软硬件可裁减的适应型应用系统，对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要 求的专用计算机系统。 目前u s b 设备的应用在国外处于高速发展阶段，在嵌入式的u s b 主机方面所做的 研究和设计大都是采用m c u ( m p u ) + u s b 主控接口：芯片的模式。嵌入式u s b 主机技 术作为u s b 技术的延伸，只有为数不多的几家半导体公司提供具有u s b 主机功能的接 口芯片，而且目前市场也没有完整的嵌入式u s b 主机解决方案。可以说，在该数据采 集存储系统中应用的嵌入式u s b 主机解决方案，具有一定的领先和前瞻性。经过简单 2 内蒙古大学硕士学位论文 的修改和扩展，该嵌入式u s b 主机解决方案也可以应用于其它的系统，如列车或飞机 的黑匣子数据采集系统，可以将其运行期间的各类信息以文件的形式存储在u s b 移动 存储设备中等。此外，嵌入式u s b 主机技术还可以应用于数据存储和交换领域，可以 实现在p d a 与存储设备之间传递数据，实现在m p 3 之间传递歌曲、实现将数码相机中 照片直接拷贝到存储设备中等。 。 1 3 论文组织结构 本文一共分为五章，各章内容概括如下： 第一章简单介绍本课题的选题意义、背景及u s b 主机技术的应用前景。 第二章介绍了u s b 主机系统的硬件系统的设计与实现，首先给出系统的方框图， 然后分模块设计系统的电源电路、时钟电路、j t a g 接口电路、液晶显示接口电路和u s b 接口电路，这一章重点讲述了l p c 2 3 8 7 处理器的结构和u s b 接口电路的设计。 第三章主要阐述u s b l 1 协议的一些规范。主要介绍了u s b 的体系结构，包括u s b 系统的构成、层次结构和物理拓扑结构；u s b 总线传输协议包括u s b 包、设备描述符、 设备请求及四种数据传输类型；最后简述u s b 设备的枚举过程，即主机如何识别并与 u s b 设备建立连接的过程。 第四章是系统的软件设计部分，与硬件设计相呼应，在心o s i i 操作系统框架的 基础上，介绍与硬件相对应的软件设计过程。主要内容有l p c 2 3 8 7a r m 的启动文件的 设置、a d 转换模块的寄存器配置、u s b 主机程序设计及l c d 显示模块程序编写。其 中u s b 主机程序是该系统最为重要，也最复杂的部分，文中采用分层的方法，先编写 固件程序，再加载u s b 驱动程序，最后编写适合系统的应用程序，使系统软件设计层 一 次分明，便于修改。 第五章总结概括全文内容，提出本文设计的系统的优越性及存在的问题，并针对文 中的不足之处，提出对系统进一步研究的改进意见。 3 内蒙古大学硕士学位论文 第二章u s b 存储系统硬件设计 现代嵌入式系统都是由微处理器、外围电路、嵌入式实时操作系统和应用程序四个 部分组成【3 1 。u s b 系统也不例外，微处理器是整个的核心，为了满足系统成本低、实时 性高、功耗低、多任务通信、多信息显示等设计要求，处理速度和实时响应快、存储容 量大、i o 功能强、功能损耗低的处理器是嵌入式系统设计的首选。目前基于a r m 技 术的处理器已经占据了3 2 位r i s c 芯片的7 5 的市场份额【3 】【4 】 5 1 ，a r m 技术几乎无处 不在。a r m 处理器主要包括几个系列的处理器：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 u r c o r e 系列、i n t e l 的x s c a l e 系列、i n t l e 的s t r o n g a r m 系列。 其中a r m 7 系列处理器主要具有以下主要特点【3 】： ( 1 ) 具有大量的寄存器。 ( 2 ) 绝大多数操作都在寄存器中进行，通过l o a d s t o r e 的体系结构在内存和寄存器之间 传递数据。 ( 3 ) 寻址方式简单。 ( 4 ) 最高主频达到1 3 0 m i p s 、功耗很低。 ( 5 ) 代码密度很高，兼容1 6 位的代码。 ( 6 ) 得到广泛的操作系统和实时操作系统的支持。 从这些特点看出，一个a r m 7 系列的芯片已经能够完全满足一个嵌入式系统的要 求，恩智浦公司生产的l p c 2 3 8 7 芯片是基于a r m 7 t d m i 核的3 2 位r i s c 微控制器， 除了具有上述的特点外，它拥有5 1 2 k b 的高速片内f l a s h 存储器，1 2 8 位宽度的存储器 接口和独特的加速机构，支持实时仿真和跟踪。此外，微控制器l p c 2 3 8 7 还拥有丰富 的片上资源和外设接口。 2 1 系统硬件原理设计框图 本文的u s b 存储系统采用a r m 7 处理器l p c 2 3 8 7 作为主控芯片，其内嵌一个u s b 设备控制器，可以使c p u 和u s b 主机进行高速通讯。再加上电源电路、键盘电路、液 晶显示电路等辅助电路，共同构成整个硬件系统，方框图如图2 1 所示。 4 内蒙古大学硕士学位论文 双路模拟信号 时钟电路 电源电路ll液晶显示电路 l p c 2 3 8 7 处理器 a d ll u s b 薹| 臣i l a r m 7t 掀一i | _ | | 换| 型 器li 器 j t a g 电路li 键盘电路 u s b 设备 图2 1 系统硬件原理框图 f i g 2 1h a r d w a r ep r i n c i p l eb l o c kd i a g r a mo fs y s t e m 在图2 1 中，l p c 2 3 8 7 实现了u s b 主机系统的大部分功能。嵌入式系统无法存储模 拟信息，所以，需要将双路模拟信号经过a d 转换器后变成数字信息，才能存储在处理 器的缓冲区中，且数字信号也便于后续处理，在l p c 2 3 8 7 和u s b 控制器的共同作用下， 将缓冲区中的信息发送到u s b 总线上，最后信息被转存至u s b 设备中。内嵌控制器的 集成方式提高了芯片的性价比且使u s b 设备控制器与c p u 内核间可进行稳定高速的数 据交换，实现了一个简易的数据采集存储系统。 一2 2l p c 2 3 8 7 性能简介 l p c 2 3 8 7 微控制器是基于1 6 位3 2 位a r m 7 t d m i s 的c p u 内核，工作频率高达 7 2 m h z ，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，其内部结构图如图2 2 所示。 l p c 2 3 8 7 特别适合用于多用途串行通信应用【6 l ，如图2 2 所示，它集成了1 0 1 0 0 以 太网媒体访问控制器( m a c ) 、具有4 k b 端点r a m 的全速u s b 设备、4 个u a r t 、2 个c a n 通道、1 个s p i 接e l 、2 个同步串行端口( s s p ) 、3 个1 2 c 接口以及1 个1 2 s 接 口。该器件结合了串行通信接口、片上4 m h z 内部振荡器、6 4 k b 的s r a m 、用于以太 5 内蒙古大学硕士学位论文 图2 2l p c 2 3 8 7 内部结构框图7 1 f i g 2 2i n t e r n a ls t r u c t u r ed i a g r a mo fl p c 2 3 8 7 网的1 6 k bs r a m 、用于u s b 和一般用途的1 6 l ( bs r a m 、另外还有2 k b 电池供电的 s r a m ，所有这些使得该器件能够非常好地满足通信网关和协议转换器的需要。各种各 样的3 2 位定时器、改进的1 0 位a d c 、1 0 位d a c 、1 个p w m 单元、1 个c a n 控制单 元以及多达7 0 个快速g p i o 口，1 2 个边沿或电平触发的外部中断管脚，所有这些功能 使得这个微控制器特别适用于工业控制和医疗系统1 7 j 。 在图2 2 中，l p c 2 3 8 7 包含了一个支持仿真的a r m t d m i sc p u ，与片内存储器控 制器接口的a r m 7 局部总线，与高速片内外设连接的高级微处理器总线架构( a m b a ) 6 内蒙古大学硕士学位论文 高性能总线( a h b ) ，以及与其他片内外设功能相连的a m b a 外设总线( a p b ) 。微 控制器始终按照小端字节顺序进行配置。 l p c 2 3 8 7 内部有两条a h b 总线，。能够大大提高以太网模块的性能。第一条a h b ( 称 为a h b l ) 总线包括向量中断控制器、通用d m a 控制器、u s b 接口以及8 k bs r a m ( 主 要应用于u s b 通信，又称u s bs 蝴) 。第二条a h b ( 又称a 耶2 ) 总线仅包括以太 网和一个相关的1 6 k bs r a m 。另外，l p c 2 3 8 7 还提供了一个总线桥接器，该桥接器可 以把a h b 2 总线作为a h b l 的总线主机，还可以把以太网缓冲区的扩展空间放置到片外 存储器或者a h b l 总线上的u s bs r a m 中。 总的来说，能访问a h b l 总线的主机包括a r m 7 本身、u s b 模块、通用d m a 控 制器和以太网模块( 通过来自a h b 2 的总线桥) 。访问a h b 2 的主机包括a r m 7 和以 太网模块【引。 2 3 电源系统设计 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位。 设计电源系统一般需要考虑如下因素【8 】： 输出的电压电流功率； 输入的电压电流； 安全因素； 输出波纹； 电磁兼容和电磁干扰； 体积限制： 功耗限制； 成本因素。 般情况下，在纯数字电路中没有模拟电路，不存在小信号放大的需要，因此电路 对噪声不敏感，系统对电源电路的噪声抑制性能要求不高。对于包含模拟电路的数字 模拟混合电路系统，对电源电路的要求较高。模拟电路遭受干扰的途径很多，但是通过 电源引入的噪声信号影响最大。若电源设计不当，电源电路便会成为将数字电路产生的 噪声传递给模拟电路的直接通道，为了防止干扰，最好的方法是数字电路和模拟电路分 7 内蒙古大学硕士学位论文 开供电。 l p c 2 3 8 7 具有多组电源输入，分为以下五组： 1 ) 片内d c d c 电路电源输入v d c - o c o v 3 ) ； 2 ) i o 端1 ：3 电源v d d ( 3 v 3 ) ； 一 3 ) 片内模拟电路电源v d d a ； 4 ) r t c 电源v b a t ； 5 ) 片内a d c 和d a c 参考基准电源v r e r 。 在数字模拟混合电路系统中，一个电源电路通常包含降压、稳压、输出滤波三大部 分。本系统调试时，使用多档位直流电源，提供+ 5 v 的电压值v c c 。所以设计系统电 源时需要注意电源滤波问题。a m s l1 1 7 用于交换式电源5 v 至3 3 v 线性稳压器 a m s l1 1 7 系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供l a 输出电流且工作压 差可低至l v 。在最大输出电流时，a m s l1 1 7 器件的压差保证最大不超过1 3 v ，并随负 载电流的减小而逐渐降低网。a m s l l l 7 的片上微调把基准电压调整到1 5 的误差以内， 而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。 v c c i c l a m s l l l 73 3 v c 5 l 舳f 图2 3 电压转换电路 f i g 2 3v o l t a g es w i t c h i n gc i r c u i t l p c 2 3 8 7 内部同时具有p l l 、10 b i t 的a d c 和d a c 的模拟部件和数字部件( t i m e r 、 u a r t 等) ，属于模拟数字混合系统，所以模拟部件和数字部件通过不同引脚分开供电， 以降低数字部件所产生的部件对模拟系统的影响。 l p c 2 3 8 7 提供了独立的a d 转换参考电压v r e f 引脚，要求v r e f 电压范围为 2 5 v v d d a ，这里选定v r e f 为2 5 v ，选择a d r 5 2 5 作为a d 转换的基准电压源，它提 供2 5v 输出电压，具有良好的热稳定性和很低的噪声，电路图如图2 4 所示。a d r 5 2 5 r 内蒙古大学硕士学位论文 采用超小型s o t - 2 3 3 封装，针对空间受限的应用而设计，其先进的设计无需外部电容 来提供补偿，而且使用任何容性负载均可保持稳定。工作电流范围为5 0 衅至1 5m a ， 具有低工作电流特性和易用性。 d 2 2 5 v 3 3 v r 1 _ 1 r 。1 k l k t r 卫垤 i c 2 一= c 3 1 0 4 1 0 心 2 g 渺 弋7 2 4 时钟系统 图2 42 5 v 基准电源电路钉 f i g 2 4 2 5 vr e f e r e n c es u p p l yp o w e rc i r c u i t a d r 5 2 5 l p c 2 3 8 7a r m 包含了三个独立的振荡器，分别是主振荡器、内部r c 振荡器和r t c 振荡器，每个振荡器可根据不同应用场合选择使用。 t 3 图2 5l p c 2 3 8 7 的时钟系统 f i g 2 5c l o c ks y s t e mo fl p c 2 3 8 7 9 内蒙古大学硕士学位论文 主振荡器( 外部晶体振荡器) 可作为c p u 的时钟。主振荡器工作在1 m h z - - - 2 4 m h z 下，c p u 外接的晶振频率必须在此范围内。s c s 寄存器可以使能、配置频率范围和查看 外部晶振的稳定状态。内部r c 振荡器( i r c ) 可用作看门狗定时器的时钟源，也可以 选作c p u 和p l l 的时钟源。i r c 的标称频率为4 m h z ，但是i r c 的精度达不到u s b 接 口的时间基准精度要求，因此在使用l p c 2 3 8 7 的u s b 功能是要求使用精度更高的外部 晶体振荡器作为系统的时钟源【8 】。r t c 振荡器可用作r t c 和看门狗定时器的时钟源。 l p c 2 3 8 7 具有4 m h z 的内部的r c 振荡器，同时也支持外接晶体振荡器电路作为主 时钟源。本系统中需要使用l p c 2 3 8 7 的u s b 功能，所以选择外部晶振作为时钟源。电 路图如图2 5 所示，其中t 1 是r t c 的时钟源，t 2 作为系统的时钟源，通过p l l 倍频、 分频功能，得到所需要的时钟值。 2 5j t a g 调试接口 l p c 2 3 8 7 采用a r m 公司提出的标准的j t a g 仿真调试接口，电路连接图如图2 6 一 所示。 一 1 0 k 1 0 k 3i | t d o r s t l o k 刘j p 2 慧 i 剖 图2 6j t a g 接口电路 f i g 2 6j t a gi n t e r f a c e 。c i r c u i t r t c k 是j t a g 接口控制信号，开关j p 2 按下后，使能j t a g 测试功能。 1 0 裟 | lvl 晰胍 内蒙古大学硕士学位论文 2 6 液晶显示器系统 液晶显示器( l c d ) 是嵌入式系统中反映系统输入和输出的人机交互界面，液晶显 示以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化，接口电路简单等诸多优点得到广泛应 用。点阵式l c d 不仅可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且 可以实现屏幕上下左右滚动、动画、分区开窗口、反转、闪烁等功能。 h s l 2 2 3 2 1 模块是1 3 2 x 3 2 点阵式l c d ，具有s t n 正视反射模式、绿底蓝字等显 示特性，可以显示2 行汉字，每行7 个半字；或者2 行a s ci i 码，每行1 5 个字母或符 号【1 1 j 。引脚功能描述如表2 1 所示。该模块本身不带字库，需要一定的空间来存储字库。 表2 1h s l 2 2 3 2 引脚描述【1 1 l t a b l e2 1p i nd e s c r i p t i o no fh s12 2 3 2 1 编号引脚电平描述 1 v d d + 5 v 电源电压 2v s s0 v电源地 3v o对比度调整 4r e s 高低复位信号，低电平有效 5e l 高低读写使能信号 6e 2 高低读写使能信号 读写选择信号 7洲 高低 高：读信号 低：写信号 8a 0 高低 高：数据 低：命令 9 1 6d 0 - - 一d 7 高低数据总线 1 7 v l c d + + 5 v l c d 背景调节电源 1 8 蛭 o v 本系统的液晶显示电路如图2 7 所示。在液晶显示模块中，直接使用l p c 2 3 8 7 的通 用i o 口与l c d 进行数据通信。h s l 2 2 3 2 1 内部含有s e d l 5 2 0 驱动器，其引脚d o - d 7 是数据i o 引脚，与l p c 2 3 8 7 的p 2 0 - - p 2 7 相连；e 1 、e 2 分别为显示模块主、从驱 动器使能引脚，由p o 4 、p o 5 控制；r w 为读写使能引脚，a o 为显示数据指令数据 选择引脚。l c d 需要+ 5 v 供电，v l c d 。与v l c o - 为l c d 背光灯。v s s 与v 0 之间接滑动变 阻器，可以调节液晶显示对比度。 内蒙古大学硕士学位论文 2 7a d 转换器( a d c ) 图2 7 液晶显示电路系统 f i g 2 7l c d c i r c u i to fs y s t e m 在工业生产过程中，被测量的参数如温度、流量、压力等都是连续变化的模拟量， 而处理器只能处理数字量。因此参数在送入c p u 之前，必须被转换成数字量。能够完 成这任务的器件，称为模一数转换器，简称a d 转换器。它是处理器接收、处理控制 模拟量参数过程中不可缺少的环节。 l p c 2 3 8 7 具有一个1 0 位6 路a d 转换器。它具有如下特性1 2 】： 1 0 位逐次逼近式模数转换； 测量范围：o 3 3 v ； 拥有独立的参考电压输入引脚v r e f ； 1 0 位转换时间 2 4 4 9 s ； 一个或多个输入的b u r s t 转换模式； 可设置a d 转换的触发方式； 每个a d 通道具有独立的数据寄存器； 具有掉电模式。 1 2 内蒙古大学硕士学位论文 图2 3 是l p c 2 3 8 7 内部的a d c 结构图。a d 转换器的基本时钟由a p b 时钟( p c l k ) 提供。转换器内部包含一个可编程的分频器，它将a p b 时钟调整为逐次逼近转换所需 的时钟，最大可达4 5 m h z 。 a i n o a i n 5 图2 8a d c 结构图n 2 1 f i g 2 8a d c s t r u c t u r ed i a g r a m 。a 2 c 状态寄斗0 ov i c 存器a d o s t a ti 一 a d 控制寄存器a d o c r 中的位可用于选择要转换的a d 通道、a d 转换速度、a d 工作模式和a d 启动方式等。a d 全局数据寄存器a d o g d r 包含最近一次a d 转换结 果及相关状态信息。a d 数据寄存器a d d r o a d d r 5 保存着a d 转换的结果，同时包 含着指示结束和转换溢出的标志。a d 状态寄存器允许同时检查所有a d 通道的状态， 可以查看各个通道a d 转换是否结束。a d 中断使能寄存器a d o i n t e n 用来控制转换 完成时哪个a d 通道产生中断，实际应用当中，一般不使用中断方式，而是通过查询方 式读取转换结果。 2 8u s b 控制器 通用串行总线( u s b ) 是一个4 线总线，支持主机和一个或多个( 最多1 2 7 ) 外设 之间的通信。主控制器通过一个基于令牌的协议将u s b 带宽分配给连接的设备。总线 支持热堵塞及设备的动态配置。所有传输由主机控制器发起。 l p c 2 3 8 7a r m 内部带有一个u s b 控制器，该控制器支持3 2 个固定配置的物理端 点，并完全兼容u s b 2 0 全速规范。所有非控制端点都有一个挂在a h b 总线上的双向 的d m