（测试计量技术及仪器专业论文）脉冲数据发生器控制模块设计.pdf

1 0 f 蝣y ，110、二o 乞_ 譬 钿 i 需要键盘输入。 需要永久保存数据的存储器，保存用户软件和校正数据。 需要提供以太网网卡设备，用于仪器的程控。 需要u s b 功能，可用u s b 鼠标进行软件操作，u 盘完成软件更新。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 ) 时序主板角度分析 时序主板总线位宽需求：时序主板的控制参数空间大小预计有2 5 6 k 的空间，所以需要1 8 b i t 的地址总线。数据总线位宽由f p g a 操作寄 存器的最大位宽决定，由于对d d s 的操作需要用到1 6 b i t 的数据，是 最大数据位宽，所以数据线位宽为1 6 b i t 。 时序主板的数据读写时序要求，如图2 2 所示，当n w e 信号上升沿来 时，数据地址的保持时间t h o l d 5 n s 。 卜m l d 叫 n w e 厂1 一 、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - _ ，il ii a d d l e s s 二二二二巫画二二二口 d a t a i i 图2 - 2 时序主板控制时序 3 ) 模拟通道角度分析：模拟通道对写入d a 的数据有一定的时序要求，如图 2 3 所示。d a 的数据写入时序有软件模拟完成，在控制模块看来，关注 的主要参数是时钟信号s c l k 的周期t l 3 3 n s ，高电平时间t 2 1 3 n s ，低 电平时间t 3 1 3 n s ，数据的建立时间t 7 5 n s ，保持时间t 8 0 。 uu ，u r n 同、7 j f 雕 一e 一- 一 _ 叫，i t 2 等一b 。o | 。叠 ”- “，j 白k_ _ i ，、 lo 舞。z ，k+ ” 。1。 、 一t |叫+ _ 龟 7。 0 ，豸 _ 。忘= = n f _ v p v _ 1 旷= 飞 盘觑，姚。& 勉、：竺： ，。一a 班：a ：a 互ta ：兰= 厶。# 揪磊幺。 图2 3 模拟通道d a 对写入数据的时序图 通过以上分析，确定控制模块的功能如图2 _ 4 所示，它主要提供以下功能： ( 1 )提供应用软件运行的软硬件平台，使得人机界面能够运行在控制模块 上。 ( 2 )提供脉冲发生器人机界面所需的键盘和液晶屏。 ( 3 )提供以太网通信接口模块，实现项目所需的远程控制的要求，用于本仪 8 第二章仪器控制模块方案设计 器和其他测试仪器的互联。 ( 4 )提供u s b 接口，可以使用鼠标操作用户软件，以及使用u 盘实现对用 户软件和校正数据的更新。 ( 5 )提供永久保存用户软件和校正数据的存储系统，而且系统在每次开机之 后能自动运行用户软件，自动刷新校正数据。 ( 6 )提供满足时序主板和模拟通道数据传输是需要求的总线接口，完成对时 序主板和模拟通道的控制。 嵌入式最小系统 2 2 控制模块方案设计 图2 _ 4 控制模块功能图 2 2 1 仪器控制模块硬件方案设计 硬件方案设计主要工作是对核心器件的选型，对于控制模块来说，主控单元 嵌入式微处理器的选型是最为重要的，它是整个控制模块的大脑，其他的设备都 是在它的基础上进行的功能扩展。 ( 1 )嵌入式处理器的选择 嵌入式主板的处理器选择需综合考虑以下几个方面： 支持人机接口输入设备键盘和输出设备液晶屏扩展，人机界面要求美观， 9 电子科技大学硕士学位论文 操作简单。 选择的处理器总线地址总线宽度至少要有1 8 b i t ，数据线宽度为1 6 b i t ，而且 总线读写时序要满足时序主板接收数据以及对模拟通道d a 写数据的时序 要求。 运行在该处理器上的操作系统移植简单，而且可靠稳定，且该操作系统的 图形界面非常丰富，能够使得应用软件的界面美观大方，非常人性化。 处理器必须支持永久保存数据的存储器的扩展，最好是能够支持大容量的 存储器，方便用户软件数据和校正数据的存储。 支持通信模块网卡设备的扩展，该模块是本仪器实现程控的硬件基础。 支持u s b 。 嵌入式处理器必须满足工业用的环境要求。 为了满足脉冲发生器地址总线位宽至少1 8 位的要求，以及对其他一些外设的 扩展性方便考虑，最终采用a r m 公司的3 2 位处理器a r m 9 系列，该系列的处理 器包含独立的数据c a h e 和m m u ，可被用于要求有虚拟存储器支持的操作系统上。 在a r m 9 支持虚拟存储的芯片中，有着满足我们要求又有着丰富网络资源的主要 有以下几款芯片：$ 3 c 2 4 10 a 、$ 3 c 2 4 4 0 a 、$ 3 c 2 4 4 2 a 。下面就这三款芯片的资源进 行比较，此表2 1 所示。 表2 - 1 微处理器性能比较 比较项目 s 3 c 2 4 1o a$ 3 c 2 4 4 0 a$ 3c 2 4 4 2 a 主频2 0 0 m h z4 0 0 m h z4 0 0 m h z 封装b g a 封装b g a 封装双层b g a 封装 焊接难度易焊接易焊接难焊接 接口资源满足要求满足要求满足要求 成本适中适中 低 由表2 1 可知，就外设资源上看，三款芯片都能满足脉冲发生器控制模块的要 求，但是s 3 e 2 4 1 0 a 的主频相对低了点，在成本差不多的情况下，肯定选择主频更 高的芯片。而s 3 e 2 4 4 2 a 虽然有内置的内存和n a n d f l a s h ，节省了硬件成本和p c b 制版面积和走线，缺点是此芯片封装是双层b g a 结构，它的结构是在s 3 e 2 4 4 0 a 的b g a 封装基础上盖了一层，用于添加内存和n a n d f l a s h ，这样就造成了在焊接 过程中会破坏上层的b g a ，经常会造成短路或者虚焊，在多次试验的基础上，决 定淘汰此芯片，最后选择了s 3 e 2 4 4 0 a 。 l o 第二章仪器控制模块方案设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 微处理器采用了a r m 公司设计的a r m 9 2 0 t 内核，内核使用哈佛 架构，有分离的数据c a c h e 和代码c a c h e ，这款处理器提供l c d 控制器，使用专 门的d m a 来完成帧缓冲内存到l c d 屏直接的数据传输，非常方便仪器输出接口 液晶屏的扩展；1 3 0 跟g p i o 引脚，2 4 根外部中断请求引脚，可扩展为仪器用的输 入接口键盘；内置虚拟内存控制单元( m 肌7 ) ，可运行w i n d o w sc e 、l i n u x 等主 流操作系统，这些操作系统移植开发资料丰富，提供强大的图形界面功能，非常 容易开发用户软件；内置外部存储控制器，包括控制内存的s d r a m 控制器和用 于永久保存数据存储器接口n a n d f l a s h 控制器，能够非常方便的进行控制模块所需 的存储系统的设计；带有2 通道的u s b 主从控制器，提供控制模块的u s b 接口； 工作温度：4 0 8 5 0 c ，存储温度：6 0 1 5 0 0 c ，满足设备在工业环境下运行的标准。 ( 2 )存储系统设计 嵌入式控制模块的存储系统需要两部分：一是提供程序运行空间的r a m 和二 是用于永久保存数据的r o m 。根据前面处理器所选择的型号，由于该微处理器带 有s d r a m 控制器和n a n d f l a s h 专用的控制接口，因此系统用的r a m 由s d r a m 实现，r o m 则由n a n d f l a s h 来实现。 控制模块s d r a m ，作为系统程序运行的空间，r a m 空间越大，系统程序运 行越流畅，效率更高，稳定性更好，所以设计的原则是越大越好。$ 3 c 2 4 4 0 a 最大 支持2 5 6 m b 大小的s d r a m ，但是嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 的存储器总共有8 个块，每个块最大映射1 2 8 m b 的内存空间，所以$ 3 c 2 4 4 0 a 不支持单独一片2 5 6 m b 的s d r a m ，需要两片1 2 8 m b 的芯片进行拼接得到。考虑到国内市场上单片1 2 8 m b 的s d r a m 芯片代理商很少，不是常用芯片，价格非常昂贵，比控制模块的处理 器$ 3 c 2 4 4 0 a 还要贵。因此仪器的内存大小定为1 2 8 m b ，由两片6 4 m 的s d r a m 组合而成，s d 洲型号为k 4 s 5 1 1 6 3 2 b 。 控制模块的r o m 大小选择是根据用户软件的大小和校正数据的大小而定，预 计用户软件和校正数据的大小在3 0 m 以内，加上操作系统镜像和启动代码镜像 4 0 m 左右，控制模块的r o m 大小应在7 0 m 以上 系统r o m 可以由f l a s h 来完成，f l a s h 按照接口的不同有n a n d f l a s h 和 n o r f l a s h ，两者的性能比较如表2 2 所示： 电子科技大学硕士学位论文 表2 - 2n a n d f l a s h 和n o r f l a s h 比较 比较类别 n a n d f l a s hn o r f l a s h 速度比较写入、擦除速度快读取速度快，擦除速 度慢 容量容量大，8 - 2 5 6 m容量小，1 1 6 m 寿命最大擦写次数一百十万次 万次 易用性需要专门驱动可以直接运行代码 成本 低高 从表2 2 可以看出，相比较而言，n a n d f l a s h 容量更大，成本更低，而且擦除 速度快，寿命也长，能够满足项目要求，而n o r f l a s h 的存容量太小，无法满足项 目所需的容量大小。所以选择容量为1 2 8 m 大小芯片型号为k 9 f 1 9 0 8 作为本控制模 块的r o m 。 ( 3 )接口设计 控制模块的接口包括输出接口液晶屏，输入接口键盘，以太网网卡设备接口， 控制时序主板的总线接口，u s b 接口。 液晶屏接口设计：液晶屏的背光由多个发光二极管提供，所需的电流比较大， 而且一般背光电路的电压都将近4 0 v ，一般仪器用的电源电压都在1 2 v 以内，就 需要一个专门的电路升压得到，所以就液晶屏就需要一个驱动板，来完成上述功 能。嵌入式控制模块选取液晶屏的标准是自带显示驱动板，最终选取三星 l t v 3 5 0 q v f 0 4 液晶屏作为仪器人机界面输出接1 2 1 ，它的显示分辨率为t f t3 2 0 x 2 4 02 4 位色，自带液晶屏驱动电路。 键盘接口设计：s 3 e 2 4 4 0 a 提供1 3 0 跟g p i o 引脚，2 4 根外部中断请求引脚供 外部设备扩展。仪器用户界面键盘需要2 5 个自定义功能按键，用6 根i o 引脚作 为数据线，一共可产生2 6 个按键编码，多出来的按键编码供以后仪器功能扩展用， 键盘按键编码与嵌入式处理器之间的数据传输以中断的方式实现。 以太网网卡设备设计：仪器的程控要求较高的实时性和数据刷新频率，为了 满足上述要求，选用传输带宽为1 0 m 的以太网网卡设备。网卡芯片选用c i r r u sl o g i c 公司生产的低功耗、性能高的1 6 位以太网控制器c s 8 9 0 0 a ，它有内部r a m 、 1 0 b a s e t 传输和接收滤波器，使用非常灵活。 时序主板控制接口：s 3 c 2 4 4 0 a 的总线读写方式具有可控性，能够满足时序主 1 2 第二章仪器控制模块方案设计 板f p g a 的数据读写时序要求，采用总线方式实现对时序主板控制。 调试接口根据嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 的j t a g 调试接口标准进行设计，为了 方便调试，还增加r s 2 3 2 串口调试接口，用于调试阶段打印串口信息，方便跟踪 程序运行情况。 2 2 2 控制模块操作系统的方案设计 2 2 3 1 操作系统的选取 市场上存在和被使用的嵌入式操作系统很多，受l i n u x 发展的推动，嵌入式操 作系统正向着开发源代码的方向发展，但由于商业化的操作系统具有开发速度快、 技术成熟以及技术支持到位等有点。最终选取了商业化的操作系统w i n c e 作为本 项目嵌入式控制模块的操作系统，它的主要优点利5 】： ( 1 )开发周期短，w i n c e 提供强大的模拟器，使得软硬件可以并行开发， 大大缩短项目的研发周期。 ( 2 )程序员开发难度小，w i n c e 提供的a p i 是桌面系统w i n 3 2 的子集，所 以桌面系统上能够运行的程序在w i n c e 上一般都可以运行，非常适合 开发桌面系统的程序员。 ( 3 )w i n c e 集成了丰富的模块化组件，为开发者提供众多的驱动模型供参 考，使得开发者开发驱动的稳定可靠。 2 2 2 2 内核定制 嵌入式操作系统不同于p c 机的操作系统，没有一个通用的安装版本，w i n c e 系统也不例外。在嵌入式系统中，来确定这一身份关系的就是b s p ( b o a r ds u p p o r t p a c k e a g e ) ，意为板级支持包。一个b s p 对应一个硬件和一个嵌入式操作系统。本 系统的b s p 采用了三星公司提供的原版b s ps m d k 2 4 4 0 ，该版本是w i n c e4 2 版 本，本项目在4 2 版本的基础上，将其移植到w i n c e5 0 版本。 w i n c e 操作系统内核的定制在p l a t f o r mb u i l d e r 下进行，在此开发环境下还可 以完成嵌入式w i n c e 操作系统的编译、调试以及驱动的设计。根据不同的需求， 定制裁剪相关系统组件，编译系统生成一个可执行的系统镜像n k n b 0 文件和压缩 版的二进制文件n k b i n 。前者可直接下载到系统内存中运行，在调试阶段使用， 后者是最终版的镜像，固化到系统r o m 中。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 任务的实现流程 根据嵌入式系统的设计方法，将本设计任务的详细流程归结如下： ( 1 )搜集嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 的硬件设计方法，完成电路板的硬件原理 图设计和p c b 制作。 ( 2 )选择一款最接近本项目硬件平台的b o o t l o a d e r ，将其移植成为项目用的 b o o t l o a d e r 。 ( 3 )移植w i n c e 操作系统系统，此阶段首先将一个接近本硬件平台的w i n c e 4 2 版本的b s p 移植成为满足本项目硬件平台要求的b s p ，且将其升级 为w i n c e5 0 版本，b s p 的移植包括内核模块的移植以及硬件适配层 ( o a l ) 的修改。 ( 4 )根据人机界面接口液晶屏和键盘的硬件设计，完成w i n c e 下液晶屏和 键盘驱动的修改。 ( 5 )参考嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 的网卡驱动程序，完成控制模块程控接c i 网 卡设备c s 8 9 0 0 a 驱动在$ 3 c 2 4 4 0 中的移植。 ( 6 )借助官方提供的大容量n a n d f l a s h 驱动，实现1 2 8 mn a n d f l a s h 在控制 模块中的实现。 ( 7 )配合用户软件设计的同学对f p g a 参数在系统层阶段进行处理，完成对 时序主板的控制。 ( 8 )系统优化设计，提取嵌入式处理器的最小系统最为核心板，其他外设在 底板中进行扩展，优化系统板的p c b 布线布局。 ( 9 )裁剪w i n c e 系统内核组件，缩减内核镜像的大小。 ( 1 0 ) 将生成的系统镜像下载到控制模块板上，进行功能单元测试，重点分析 了对时序主板控制总线时序和模拟通道d a 芯片数据写操作时序的测 试。 1 4 第三章仪器控制模块硬件的电路设计 第三章仪器控制模块硬件的电路设计 嵌入式系统的硬件设计非常重要，因为它是用户应用软件运行的硬件平台， 是仪器的人机界面的基础。它的稳定性直接影响到整个仪器的稳定运行，直接影 响到用户对仪器的整体印象。嵌入式系统的硬件的电路设计包括以下几个内容： ( 1 ) 硬件电路的设计：根据方案的设计所选择的器件，设计相应的硬件电路， 满足脉冲发生器嵌入式控制模块的功能需求。 ( 2 ) 印制板( p c b ) 的制作：根据器件的封装，布线要求，合理布局布线，该部 分内容对系统的稳定性有很大的影响。 ( 3 ) 硬件调试：焊接元器件，对单元电路功能逐一进行调试。 本章节主要介绍控制模块的硬件电路设计和p c b 制作，硬件调试在本文的第 五章进行介绍。 3 1 控制模块硬件电路设计 嵌入式控制模块根据功能单元划分，其硬件设计可分为三部分，一是嵌入式 微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 的最小系统设计，二是控制模块的对外接口电路设计，三是电 源设计。本文只针对关键电路包括存储系统电路、接口电路以及电源电路的设计 进行详述。嵌入式$ 3 c 2 4 4 0 a 的外围工作电路比如时钟电路、复位电路由于比较简 单，本文就不予以介绍。 3 1 1 控制模块存储系统设计 控制模块的存储系统分为两部分：一是作为控制模块操作系统和用户软件运 行空间的r a m ，本仪器由s d r a m 来承担；另外一部分是固化用户操作系统镜像 和用户软件以及仪器校正数据的r o m 空间，由n a n d f l a s h 来承担。本小节将详细 介绍仪器控制系统的s d r a m 和n a n d f l a s h 存储系统的设计。 3 1 1 1 内存设计 s 3 c 2 4 4 0 a 处理器的存储空间是按照b a n k 体的形式来划分的，将1 g b 的外部 存储空间划分为8 份【4 】如图3 - 1 所示，每份为1 2 8 m b 。其中b a n k 6 和b a n k 7 为s d r a m 1 5 电子科技大学硕士学位论文 空间，分配给系统内存使用，其他b a n k 可以随意分配。 s r o m ，3 d r a m ( n g c s 7 ) 8 r o m 培d r a m ( n g c s 6 ) 3 r o m ( n g c s s ) s 尺o m ( n g c s 4 ) s r o m ( n g c s 3 ) s r o m ( n g c s 2 ) s r o m ( n g c s l ) s r o m ( n g c s o ) s r o 龌烤d r a m c n g c s 7 ) s r o m s d f t a m 们a c s 曰 i2 从b m m b 8 m b 1 6 m b i1 1 3 2 m 8 培4 m 斟12 b m b l2 m 副q m b 坦m 目1 6 m b il i 3 2 m b 烬4 m 尉12 b m b s r o m ( n ( z c , s 匐 3 r o m 们g c 3 4 ) 3 r o m 扣a 习 s r o m c n g c s l ) i曼坠竺! 苎竖!l 胁l 憾弛啪f l 越hf o r b o o tr o m ! g b h a d d r 伫9 ：。l a c c e s s i b k r e g i o n 图3 - 1 $ 3 c 2 4 4 0 a 内存映射图 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 与存储介质通过总线的方式连接，2 6 根地址线配 合片选信号，可寻址1 g b 的内存空间；数据总线用于双向，长度为3 2 根，则微处 理器一次可以存储4 个字节的数据；控制总线用于微处理器传输控制信号，包括 读写信号、等待信号等。 本系统选用s d r a m 作为嵌入式系统的内存，它是系统程序和代码运行的空 间。s 3 e 2 4 4 0 a 内部有s d r a m 控制单元，最大可支持2 5 6 m 的s d r a m 。s d r a m 控制器对s d r a m 连接配置如图，根据s d r a m 的大小、数据宽度组成大小不同 的系统内存空间。而不同大小的s d r a m ，一般一片s d r a m 有几个b a n k 组成， 选择s d r a mb a n k 的地址是不同的，如6 4 m b 的地址是a 2 5 ：2 4 ，而1 2 8 m b 的地 址是a 2 6 ：2 5 】 1 6 第三章仪器控制模块硬件的电路设计 表3 - 1s d r a m 控制器配置方式 移一6 4 鹕+ x 3 24 ：“鼍” 2 8 m b i 。7 “? j j r ( 4 m x 8 x 4 b ) x 4 i ：j ”搿碰5 两譬t 掣 x 1 6+ 2 5 6 m b ( 8 m x 8 x 4 8 ) x 2 x 3 2 4 m x l 6 x 4 b ) x 2 嫱“5 1 2 m b ( 1 6 mx 8 x 4 b ) 1 p 1 2 8 m b “ x 3 22 5 6 m b ( s m x s x 4 b a n k ) x 4，a 2 6 ：2 5 】爹 萎； 。 娼、5 1 2 m b删x 4 x 4 b ) x 2 “ ，考 趣 擎 x 1 6 ： c 1 6 m x 8x 4 b ) x 2 彗 溉毫 如再办，每州。、x 3 2 ， ，j 矗辔0 唛。 播。一，：j 乏弛z 辍。 二m ， 套o ( 8 m x l 6 x 4 b ) x 2 - 毒 一 j 一? 。；0 笼 表3 1 所示是针对一个b a n k 的s d 凡w 配置。由表3 1 可知，我们可以采取 两种方案实现1 2 8 m b 的s d r a m 设计，一种是用b a n k 6 和b a n k 7 ，每个b a n k 接两 片3 2 m 的s d r a m ，一共需要4 片3 2 m 的s d r a m ；另一种是用一个b a n k 直接接 两片6 4 m 的s d r a m 。考虑到4 片s d r a m 布线比较复杂，所以本项目采用第二 种接法，即选用的k 4 s 5 1 1 6 3 2 b ，大小了6 4 m ，数据地址总线宽度为1 6 位，两片 组成3 2 位数据宽度没如图3 2 所示。低6 4 m 的内存空间连接在$ 3 c 2 4 4 0 a 的b a n k 6 上，使用的是低1 6 位的数据线，高6 4 m 连接于b a n k 7 上，连接高1 6 位数据线， 地址线两片s d r a m 复用。为了实现4 字节的访问操作，地址线从第三位及a 2 开 始连接。 图3 - 2s d r a m 硬件原理图 3 1 1 2r o m 设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 支持n a n d f l a s h 和n o r f l a s h 两种启动方式。由于n a n d f l a s h 采用的 是数据地址复用的方式，程序不能直接运行，s 3 c 2 4 4 0 a 内部集成了一个4 k 的 s r a m ，供系统直接从n a n d f l a s h 中启动。当启动方式是n a n d f l a s h 启动时，硬件 1 7 电子科技大学硕士学位论文 复位后，处理器自动搬运n a n d f l a s h 前4 k 的代码到内部集成的4 k 的s r a m 中， 继而实现后续系统搬运和运行。 $ 3 c 2 4 4 0 a 内部集成了n a n d f l a s h 控制器，有专门的硬件接口针对n a n d f l a s h 的连接，所以互联很方便，但是还需要一些硬件引脚的配置，n a n d f l a s h 才能正 常工作。它们分别是： o m 1 ：o 】- 0 0 ：n a n d f l a s h 启动使能； n c o n ：n a n d f l a s h 存储器选择 0 ：普通模式( 2 5 6 字5 1 2 字节页大小，3 4 地址周期) 1 ：高级模式( 1 k 字2 k 字节页大小，4 5 地址周期) g p g l 3 ：n a n d f l a s h 存储器页容量的选择 0 ：页= 2 5 6 字( n c o n = 0 ) 或页= i k 字( n c o n = i ) 1 ：页= 5 1 2 字节( n c o n = 0 ) 或页= 2 k 字节( n c o n = i ) g p g l 4 ：n a n d f l a s h 存储器地址周期选择 o ：3 个地址周期( n c o n = 0 ) 或4 个地址周期( n c o n = i ) 1 ：4 个地址周期( n c o n = 0 ) 或5 个地址周期( n c o n = i ) g p g l 5 ：n a n d f l a s h 总线宽度选择 o ：8 位总线宽度 1 ：1 6 位总线宽度 项目要求是1 2 8 m b 的n a n d f l a s h ，选用的芯片型号为k 9 f 1 g 0 8 ，该片子有1 0 2 4 块，每块有6 4 页，每页有2 k b 的数据空间和6 4 b 检验码空哥6 】。根据k 9 f 1 g 0 8 的硬件特点，我们将s 3 e 2 4 4 0 an a n d f l a s h 控制配置引脚配置如下：n c o n = i ， g p g l 3 = 1 ，g p g l 4 = 0 ，g p g l 5 = 0 。 项目的硬件连接如图3 3 所示： 1 8 第三章仪器控制模块硬件的电路设计 图3 - 3n a n d f l a s h 原理图 3 1 2 控制模块接口电路设计 在方案设计中已经明确了控制模块的接口，包括人机界面接口键盘和液晶屏、 程控接口以太网网卡、时序主板控制接口、调试接口等。本节对上述详细描述上 述接口的硬件设计。 3 1 2 1 键盘输入接口 矩阵式键盘在本研究室的其他项目中已经有成熟的设计方案，所以本项目中 的键盘就套用了以前的键盘设计，利用a t 8 9 c 5 1 单片机完成键盘的扫描以及生成 对应的键盘键码。 控制模块的任务就是接收单片机扫描到的键盘编码，并通过驱动的设计完成 单片机编码和功能键码的映射。键盘输入接口的任务就是完成与单片机之间数据 的通信。 嵌入式处理器与单片机的通信方式有两种：串口方式和并口方式，两者各有 优点，串口方式只需要两根数据线，不受按键码的数量限制，且数据传输的距离 远，并口方式所需的数据线多，按键数量大的情况下浪费系统资源，且需要中断。 由于考虑到现有手上的嵌入式w i n c e 操作系统的键盘驱动是按照并口的方式做的 驱动，驱动的设计和修改比较简单，而且本项目的键盘数量不是很大，综合考虑 选择并口的方式。 并口方式工作时序如图3 - 4 所示，嵌入式处理器和单片机之间通过中断的方式 进行通信，当有按键按下，单片机通过矩阵式扫描方式得到按键编码，然后产生 一个中断，并将按键编码数据发送到数据线上，嵌入式处理器接收到中断信号后 1 9 电子科技大学硕士学位论文 调用系统键盘驱动，然后读取数据线上的数据。 k e y _ i n t 图3 4 键盘接口工作时序 并口方式的硬件原理图具体设计如图3 5 所示，有六根g p i o 口分别为g p g l 3 、 g p g l 4 、g p g 8 、g p d 5 、g p g 2 、g p e l 2 ，作为数据线用于键盘编码的数据传输， 一共可以识别2 6 个键盘编码。e i n t l 为键盘传输按键编码的中断线，用于键盘的 中断响应。键盘板的电源由控制板提供，分别是3 3 v 、5 v 两个电源。 ：、 ： v d d 9 3 v ? ：， 一 1 。 蕊叩叫 ：上 图3 - 5 键盘接口设计 3 1 2 2 显示输出接口 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 内部集成了l c d 控制器【7 】，该控制器内部结构如 图3 - 6 所示。 第三章仪器控制模块硬件的电路设计 图3 - 6 $ 3 c 2 4 4 0 a 液晶屏控制器 其中，t i m e g e n 模块和v i d e om u x 模块产生l c d 屏所需的引脚信号，这 些引脚具体定义为： _ v f 洲e s y n c s t v ：帧信号，该信号有效表示新的一帧开始。 - v l i n e h s y n c c p v ：行信号，有效表示新的一行的开始。 _ v c l k l c dh c l k ：时钟信号，用于给屏传送数据v d 2 3 ：0 时钟，一个时钟 显示屏上的一个像素点。 - v m v d e n t p 打开帧缓冲到l c d 屏的输出通道，信号有效，帧缓冲内的数 据将输出到l c d 屏上显示。 v d 2 3 ：0 】：数据通道。 在图3 - 6 中有l c d d m a 模块，表示l c d 控制器中有专门的d m a 控制器， 用于将帧缓冲内的数据传输到l c d 屏。 v d i p r c 模块将l c d d m a 传送来的数据信号经过转换后，变成l c d 屏可以 使用的数据信号，经v d 2 3 ：0 数据线传送到l c d 屏上。 不同的液晶屏引脚定义不同，本仪器的液晶屏三星公司的l t v 3 5 0 q v - f 0 4 的 液晶屏引脚信号定义如图3 7 所示。由于本液晶屏自带了触摸屏的功能，虽然此功 能没在项目的功能需求中，但是在本设计中预留了此功能，即添加了触摸屏的两 组信号线：t s x m t s y m 、t s x p t s y p 。 2 1 电子科技大学硕士学位论文 图3 - 7 液晶屏接口原理图 3 1 2 3 程控接口设计 $ 3 c 2 4 4 0 a 没有内部网卡，需要另加网卡芯片实现网络功能，现就对网卡的设计 进行详述。嵌入式网卡芯片种类有很多，本项目选择了比较常用的1 0 m 自适应网 卡c s 8 9 0 0 a 作为网络通信的网卡芯片，该芯片是一款低功耗、性能优良的1 6 位 以太网控制器，其突出特点是其物理层接口、数据传输速度和工作模式可根据需 要做动态调整，通过内部寄存器设置来适应不同的应用环境。 网卡设备c s 8 9 0 0 的电路设计如图3 8 所示，嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 通过 n o e 、n e w 、n w e l 控制信号线实现对c s 8 9 0 0 a 的读写操作。用b a n k 3 的片选信 号n g c s 3 作为对c s 8 9 0 0 a 的片选信号。c s 8 9 0 0 a 默认的工作模式为i o 模式，因 此需要关闭内存模式，只需将控制内存模式读写的两读写信号置高即可。在i o 模 式下，根据被访问地址的特征，最低位全部为偶数，所以将0 地址直接置零，而 且三根地址线就可以完成全部寄存器的操作，所有用了a 【3 ：1 】地址，由于地址偏移 量是从0 x 3 0 0 开始的，所以将地址a 9 a 8 直接置高，其余地址线全部接零。数据 的接收通过中断的方式，中断引脚为e i n t 9 。为了将外部线路和c s 8 9 0 0 a 隔开， 本项目选用了带隔离变压器的r j 4 5 插座( h 1 姆1 1 1 0 5 a ) ，可以热插拔，即提高网 络通信的速度和可靠性，又比用单独的网络变压器节省制作p c b 板的面积。 第三章仪器控制模块硬件的电路设计 图3 8 网卡设备c s 8 9 0 0 原理图 3 1 2 4 时序主板总线接口 脉冲数据发生器嵌入式控制模块的主要功能是实现对下位机时序主板的控 制，本项目采用m e m o r y 读写的控制方式，将时序主板映射成$ 3 c 2 4 4 0 a 内存的一 个b a n k ，本项目中将f p g a 的地址空间映射到处理器的b a n k 2 上。$ 3 c 2 4 4 0 a 通 过控制信号n g c s 2 实现对时序主板的片选，时序主板对地址进行译码，完成数据 的接收。$ 3 c 2 4 4 0 a 数据操作宽度有8 1 6 3 2 b r 三种操作方式，其不同的数据宽度 操作方式有差别，如表3 2 所示，为了满足时序主板的读写时序要求，在读取一个 地址数据时n w e 、n g c s 2 控制信号只能出现一次跳变，要满足这个要求，b a n k 2 的读写方式必须在3 2 位的模式下。 电子科技大学硕士学位论文 表3 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 不同数据宽度操作时序 位宽数据总线硬件输出时序 3 2 d a t a 3 1 ：0 】向0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 - - - 0 x 2 0 0 0 0 0 0 3 写入0 0 8 0 7 0 6 0 5 ( 3 2 b i t ) s t e p l ：向0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 - - 一o x 2 0 0 0 0 0 1 写入0 x 0 6 0 5 ( 1 6 b i t ) 1 6 d a t a 1 5 ：0 】 s t e p 2 ：向0 x 2 0 0 0 0 0 0 2 - 0 x 2 0 0 0 0 0 3 写入0 x 0 8 0 7 ( 1 6 b i t ) s t e p1 ：向0 x 2 0 0 0 0 0 0 0 写入0 x 0 5 ( 8 b i t ) s t e p2 ：向0 x 2 0 0 0 0 0 0 1 写入0 x 0 6 ( 8 b i t ) 8 d a t a 7 ：0 s t e p3 ：