（通信与信息系统专业论文）基于arm7的蓄电池容量测试仪的设计与实现.pdf

摘要 曼曼皇曼曼曼! ! ! 曼曼曼曼曼曼曼! ! 曼曼曼! ! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼曼皇曼! 曼曼曼i i 曼曼曼曼皇曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼 摘要 嵌入式系统的核心是嵌入式处理器和嵌入式操作系统。以a r m 为代表的3 2 位 r s i c 嵌入式处理器和开放源代码的嵌入式操作系统u c l i n u x ，已成为应用研究的热点。 a r m 处理器是一种高性能的微处理器，并且具有低功耗和成本优势。因此，基于 a r m + u c i n u x 设计的系统，在体积、成本、功耗、功能等方面具有综合的优势。 本课题即基于a r m + u c i n u x 平台设计并实现一套蓄电池容量测试仪，主要研究内 容分成以下几个部分： 1 设计测试仪的硬件系统。采用模块化的设计思路，以a r m 处理器$ 3 c 4 4 8 0 为 核心的最小系统为基础，搭建了一个安全性高，性能稳定的硬件系统。 2 设计测试仪的软件系统。根据设计的硬件系统，合理裁剪u c l i n u x 操作系统，并 设计，修改了相关的驱动程序，如串口驱动程序，l c d 驱动程序，打印机驱动程序，测 试仪数字控制处理模块的驱动程序等。 3 设计了多进程的测试仪的应用程序，力求性能稳定，操作简便、人机界面友好。 样机实现了蓄电池容量测试的基本功能，经过试验运行稳定可靠。通过本课题，加 深了对嵌入式系统的应用的理解，积累了嵌入式系统的应用的工程经验。论文的研究成 果可作为嵌入式系统开发应用参考设计。 关键词嵌入式系统嵌入式操作系统测试仪 a b s t r a c t a b s t r ac t t h ec o r eo fe m b e d d e ds y s t e mi n c l u d ee m b e d d e dp r o c e s s o ra n de m b e d d e do p e r a t e s y s t e m a r m ，ar e p r e s e n t i o no f3 2 一b i te m b e d d e dr i s cm i c r o p r o c e s s o r s ，a n du c l i n u x ，w h i c h i so p e ns o u r c e ，a n dh a sc o m p l e t eo p e r a t es y s t e mf u n c t i o n s ，a r eb e c o m i n gp o p u l a ri ns e v e r a l a p p l i c a t i o nf i e l d s a r mp r o c e s s o r s h a v eah i g hp e r f o r m a n c et o g e t h e rw i t hl o wp o w e r c o n s u m p t i o na n ds y s t e mc o s t a n du c l i n u xc a nr u na tl o wc o s th a r d w a r er e s o u r c e s t h e n ， t h es y s t e md e s i g n e dw i t ha r m + u c l i n u xh a sa d v a n t a g e sa ts i z e ，c o s t ，p o w e rc o n s u m p t i o na n d f u n c t i o n s t h es u b j e c ti st o d e s i g na n dr e a l i z e aa c c u m u l a t o rt e s ti n s t r u m e n tb a s e do n a r m + u c l i n u x t h em a i nc o n t e n to ft h er e s e a r c hi sa sf o l l o w i n g ： 1 d e s i g n e dh a r d w a r eo ft h ea c c u m u l a t o rt e s ti n s t r u m e n t d e s i g n e da n dr e a l i z e dak i n d o ft e s ti n s t r u m e n th a r d w a r es t r u c t u r eb a s e do na r m p r o c e s s o rs 3 c 4 4 b o x ，t or e a l i z eb a s i c f u n c t i o n so ft e s t i n gt h ea c c u m u l a t o r sc a p a c i t y , a n dt om a k ei tr e l i a b l e 2 d e s i g n e dt h es o f t w a r eo ft h ea c c u m u l a t o rt e s ti n s t r u m e n t a c c o r d i n gt ot h eh a r d w a r e ， m o d i f yt h eu c l i n u x ss o u r c ec o d ea n db u i l ti tt or e a l i z et h es o f t w a r ee n v i r o n m e n t d e s i g n e d u c l i n u xd r i v e rf o rh a r d w a r ei sa l s ov i t a lt ot h ea c c u m u l a t o rt e s ti n s t r u m e n t sf u n c t i o n s t h e d r i v e r si n c l u d e ss e r i a lp o r td r i v e r , l c dd r i v e r , p r i n t e rd r i v e r , t h ed a t ap r o c e s s i n ga n dc o n t r o l d r i v e r 3 d e s i g n e da n dr e a li z e dt h ea p p l i c a t i o no ft h ea c c u m u l a t o rt e s t i n s t r u m e n t 。t h e a p p l i c a t i o ns h o u l db es t a n d a b l ea n dh a v eaf r i e n d l yh u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e t h er e s u l t so f e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h es y s t e mi sr e l i a b l ea n ds t a b l e 。t h er e s u l to f t h i s d i s s e r t a t i o nc a nb ear e f e r e n c et ot h ed e v e l o p p m e n ta n d a p p l i c a t i o no fe m b e d d e d s y s t e m k e y w o r d s e m b e d d e ds y s t e me m b e d d e do p e r t es y s t e m t e s t i n gi n s t r u m e n t 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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了致谢。 作者签名：垄丝坠日期：盟年月卫苫 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。学校可以公布论文的全部或部分内容：可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密蛔。 ( 请在以上相应方格内打“4 ”) 作者签名：盘兰型二： 导师签名： 日期：丑年l 月j 互日 日期：边年月旦e t 第1 章引言 1 1 课题研究背景和意义 第1 章引言 1 1 1 课题研究背景 嵌入式系统近年来已广泛应用于国防、工业控制、通信和消费电子等领域，其推动 力足微电子技术，嵌入式操作系统等各个领域共同的发展。嵌入式系统是以应用为中心、 以计算机技术为基础，软硬件可裁减的，对可靠性、成本，体积和功耗有要求的专用计 算机系统。嵌入式系统一般包括以微控制器为核心的硬件系统和以嵌入式操作系统为核 心的软件系统。嵌入式系统与无操作系统的装置相比，形成显著的功能上的优势，与通 用计算机系统相比，具有体积、成本、功耗方面的优势【i 】【纠。 本课题【! 口基于a r m + u c l i n u x 嵌入式平台，设计一套蓄电池容量测试仪。 1 1 2 国内的蓄电池容量测试仪现状 目日订国内的蓄电池容量测试仪通常由单片机实现，人机界面多为2 5 6 级灰度，数据 的动态显示不友好，功能扩展不便等缺点【3 1 0 为克服上述弊端，本课题采用3 2 位r i s c 嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 和嵌入式操作系统u c l i n u x 设计并实现了蓄电池容量测试仪。 1 2 课题研究的意义 本课题依据国家标准g b t1 9 6 3 9 小型伐控密封式铅酸蓄电池的第1 部分小型 伐控密封式铅酸蓄电池技术条件1 4 l 和g b t 5 0 0 8 启动用铅酸蓄电池的第1 部分启 动用铅酸蓄电池技术条件i s l 的规定对蓄电池容量进行试验。 实验中实时动态显示放电曲线和相关的测试数据，试验结束后，对所测数据进行分 析、整理，给出完整的测试数据。 本课题具有一定的实际应用价值和工程参考意义。 1 3 课题研究的主要内容和论文结构 1 3 1 课题研究的主要内容 本论文以s 3 c 4 4 b o x 为核心构建蓄电池容量测试仪的硬件系统，以u c l i n u x 操作系 统为核心构建蓄电池容量测试仪的软件系统：并以此为基础，实现了蓄电池容量测试仪。 l 河北人学t 学硕十学佗论文 1 3 2 论文结构 第一章，介绍了嵌入式系统的基本概念和开发本系统的背景。 第二章，介绍了蓄电池容量测试仪的总体设计方案。 第三章，详细介绍了硬件系统的设计。 第四章，介绍了嵌入式操作系统u c l i n u x 及其驱动程序的架构。 第五章，详细介绍了u c l i n u x 移植，u c l i n u x 驱动程序设计和应用程序设计。 第六章，对全文进行了工作总结。 2 第2 章系统总休方案没汁 第2 章系统总体方案设计 2 1 系统功能和性能指标 2 1 1 系统主要功能 本测试仪基于a r m 7 + u c l i n u x 嵌入式平台，设计实现蓄电池容量测试仪。该测试仪 具有以下特点： l 、可靠性，过电保护，报警。 2 、采用彩色液晶显示屏，人机界面更友好。 3 、可扩展性，基于嵌入式操作系统的软件平台可方便的添加新模块，实现新功能。 4 、试验中实时显示测试数据，放电电压和放电电流曲线；实验结束后保存实验记 录，并且可以通过打e p j l , 打印放电电压曲线、放电电流曲线和相关的测试数据。 2 1 2 系统性能指标 l 、依据的规范 g b t1 9 6 3 9 2 0 0 5 小型伐控密封式铅酸蓄电池的第1 部分小型伐控密封式铅 酸蓄电池技术条件1 4 1 。 g b t5 0 0 8 1 2 0 0 5 启动用铅酸蓄电池的第1 部分启动用铅酸蓄电池技术条件 【5 】。 2 、蓄电池放电实验对实验仪表的技术指标 测量电压、电流的仪表的精度不低于0 5 级精度。 测量时间的的仪表应按时、分、秒分度，至少应具有1 的准确度。 3 、蓄电池放电实验操作过程 整个试验期间，蓄电池均放置在温度为2 5 。c 2 。c 的水浴中，蓄电池上缘露出水面 不得超过2 5 r a m ，蓄电池之间和蓄电池与水浴壁之间的距离，均不得少于2 5 m m 。 储备容量试验：蓄电池在完全充电结束后1 h 5 h 内。当电解液温度达到2 5 。c 2 0 c 时，以2 5 a 电流放电到蓄电池端电压达( 1 0 5 o 0 5 ) v 时终止，记录放电时i 口jt l ( m i n ) 。 河北人学t 学硕十f ：何论文 2 0 h 率容量试验：蓄电池在完全充电结束后1 h 5 h 内。当电解液温度达到2 5 。c 2 。c 时，以1 2 0 电流放电到蓄电池端电压达( 1 0 5 0 0 5 ) v 时终止，记录放电时间t 2 ( m i n ) 。 2 2 总体方案设计 2 2 1 系统硬件和软件平台的选取 本课题采用a r m 7 内核的嵌入式处理器s 3 c 4 4 b o x 和u c l i n u x 嵌入式操作系统为基 础构建设计的基础平台。 a r m 系列处理器是r i s c ( 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 ，精简指令集计算机) 体系的典型代表，具有结构简洁、面积小、功耗小等优点，适合于嵌入式应用的场合。 s 3 c 4 4 b o x 是韩国三星( s a m s u n g ) 公司设计的采用a r m 7 t d m i 内核的3 2 位嵌入式处 理器。该芯片集成了众多的常用资源，减少了应用系统设计的成本【6 1 。 u c l i n u x 是针对没有m m u 微控制器的l i n u x 版本。u c l i n u x 的体积很小，但是保留 了l i n u x 的大多数的优点：稳定、良好的移植性、优秀的网络功能、对各神文件系统的 完备的支持以及丰富的a p i 【7 1 。 2 2 2 系统的框架 图2 - 1 蓄电池容量测试仪系统框架图 本课题采用如图2 1 所示的系统框架。操作系统为应用程序提供了统一的接口，这 从很大程度上明确了软件设计的流程，有利于提高开发效率。 此外，引入多任务嵌入式操作系统u c l i n u x ，提高了中央处理器的使用效率：也方 便了添加新的应用程序。 4 第2 章系统总体方案设汁 2 3 硬件方案设计 图2 - 2 蓄电池容量测试仪硬f ，| ：系统框图 图2 2 为本课题的硬件系统框图，由图所示，硬件系统主要分为8 个主要模块： ( 1 ) 放电回路模块：实现蓄电池的恒流放电。 ( 2 ) 蓄电池测试模块：本模块实现对蓄电池测试回路参数的提取，回路状念控制， 保证测试过程符合国家标准【4 】【5 1 的相关要求。 ( 3 ) 测试数据输出模块( l c d 和打印机) ：分别实现对测试数据、测试曲线的实时 动态显示和报表打印功能。 ( 4 ) 调试模块：j t a g 和串口主要用于系统调试。 ( 5 ) 存储系统：主要实现测试数据的存储，提供程序的运行环境等。 ( 6 ) 控制模块：键盘模块实现控制信息的输入：复位，开始，停止，打印等功能。 ( 7 ) c p u 处理模块：负责系统的功能调度。 ( 8 ) 电源模块：提f j t t 急, 定的电源。 河北人学t 学硕十学何沦文 2 4 软件方案设计 图2 - 3 蓄l 乜池容量测试仪软件系统框图 本系采用了应用程序一一操作系统一一驱动程序的软件设计方案，如图2 3 所示。 基于应用程序一一操作系统一一驱动程序的软件方案，可以实现更复杂的系统功 能，并提高c p u 的利用率。u c l i n u x 本身提供了大量的库函数和软件工具等软件资源， 充分利用这些资源，可以显著提高系统的开发效率。 基于u c l i n u x 的应用程序可以专注于具体功能的实现，而繁琐的硬件的操作交给相 应的驱动程序去完成。这样软件的层次结构更加清晰，设计软件系统的步骤也更加明确。 因此，从一定程度上，基于应用程序一一操作系统一驱动程序的软件方案，简化了应 用程序设计的复杂程度，也提高了系统的可维护性。 6 筇3 章摹丁a r 处理器的系统顾f l 设计 第3 章基于a r m 处理器的系统硬件设计 3 1 本课题涉及的相关概念 3 1 1 数据采集系统结构 一个完整的数据采集系统( d a t a a c q u i s i t i o n ，d a q ) 通常包括：传感器和变换器， 信号调理没备，数据采集设备、驱动程序，应用软件和数据处理设备等。 传感器和变换器负责将待测的物理量转化为d a q 系统可以采集的电信号。 信号调理设备对传感器和变换器送来的信号进行放大、滤波、隔离等措施，以提高 测量精度。 数据采集设备负责从待测量获取参数信息。 驱动程序是联系硬件和操作系统的桥梁，然后还要提供应应用程序接口a p i ，以供 用户使用。 应用程序，实现用户的特定功能。 3 1 2 信号调理 山传感器得到的电信号一般都很微弱，并且伴有噪声，为了更准确的测量，一般需 要对得到的微弱信号进行信号调理，如滤波，整型，放大等处理。对微弱信号进行放大， 以提高对被测信号的分辨率。滤波则从被测量的信号中除去不需要的频率成分。隔离是 指使用光电耦合等方法在被测系统和测试系统之间传递信号，避免直接的电气连接。采 用隔离可以有效提高被测系统和测量系统的安全；也减弱了被测系统和测量系统的互相 干扰，有利于提高测量精度。 3 1 3 采样、量化 为便于使用数字技术进行信号处理，需要对模拟信号进行采样和量化。 本课题需要采集的信号为蓄电池放电回路的电压和电流信号，信号频率较低，。对采 样频率要求较低，但对采样数据的分辨率，即量化有较高要求：测量电压、电流的仪表 的精度不低于0 5 级精度。 7 河北人学i ：7 ：硕十学何论文 3 1 4p i d 调节器 1 、基本概念【8 】 p i d 调节器的数学表达式为： u ( t ) _ p 【e ( t ) + 去p t + t d 奉警】 其中p 为比例增益；t i 为积分时间常数；t d 为微分时问常数，e ( t ) 为输入误差。 图3 1 模拟系统p i d 控制系统原理框图 图3 1 为模拟p i d 系统的原理框图。其中，比例环节成比例的反应控制系统的偏差 信号e ( t ) ；积分环节主要消除静差，提高系统稳定性；微分环节预测系统偏差信号的变 化趋势，提高系统的快速反应能力。 2 、参数调整 ( 1 ) 确定比例增益p 令t i = 0 、t d = 0 ，使p i d 为纯比例调节。由0 逐渐加大比例增益p ，直至系统出现振 荡；然后逐渐减小比例增益p ，直至系统振荡消失，记录此时比例增益p 的临界值。比 例增益p 取0 6 0 7 倍的临界值。 ( 2 ) 确定积分时间常数t i 比例增益p 确定后，设定一个较大的积分时间常数t i 的初值，然后逐渐减小t i ， 直至系统出现振荡；再逐渐加大t i ，直至系统振荡消失。记录此时的临界值t i 。系统的 积分时问常数t i 取临界值的1 5 1 8 倍。 ( 3 ) 确定微分时间常数t d 与确定p 和t i 的方法相同，取临界值时的3 0 。 ( 4 ) 系统空载、带载联调，再对p i d 参数进行微调，直至满足要求 第3 章基ta r m 处卿器的系统_ 重仆设计 3 2 硬件系统框图 图3 2 硬 ，| ：系统图 图3 2 为蓄电池硬件系统图。通过前述章节的论述，综合考虑系统功能的可靠性和 实现的难易程度，设计了测试仪的硬件系统。更为详细的电路图参见本文附录。 根据硬件要实现的功能，硬件系统可以分为8 个主要的模块：放电回路模块，蓄电 池测试模块，测试数据输出模块，调试模块，存储模块，控制模块，c p u 处理模块，电 源模块。各个模块的具体实现将在下面各节将分别举行阐述。 9 , , - i i l 人学r ：学硕- 1 学位沦文 3 3 蓄电池容量测试仪硬件系统概述 3 3 1 蓄电池测试模块 图3 - 3 蓄电池测试模块的原理框图 图3 3 为蓄电池测试模块的原理框图。中央处理器通过a d 采集放电回路的电压、 电流信号，以获得当前放电回路的状态信息。中央处理器根据这些状态信息，通过d a 和放电回路控制电路调整蓄电池放电主回路，保证放电主网路满足国家标准5 1 实验条 件的要求。 1 、蓄电池放电回路电路示意图 图3 - 4 蓄电池测试模块的原理框图 图3 4 为蓄电池放电回路电路原理框图。蓄电池放电回路由大功率c o m s 管 m t m 3 0 n 5 0 ，分流器f l 2 和蓄电池构成。 m t m 3 0 n 5 0 的规格为3 0 a 5 0 0 v ，即承受的最大电流为3 0 a ，最大电压为5 0 0 v 。 f l 2 的规格为5 0 a 7 5 m v ，即当通过f l 2 的电流为5 0 a 时，输出信号幅度为7 5 m v 。 电压和电流输出信号分别取自蓄电池和分流器f l 2 。 1 0 第3 章基丁a r f 处理器的系统硬f ，i ：设计 2 、蓄电池放电网路电流参数的提取 图3 - 5 电流参数采集电路图 图3 5 为电流参数采集电路图。电流输入信号由蓄电池放电四路的分流器f l 一2 提 供。为了减少干扰，提高精度，输入的电流信号经滤波后，首先被送入o p 0 7 运算放大 器进行信号放大，幅值放大倍数为1 0 倍。然后山模数转换器a d s 7 8 2 2 对输入的电流信 号进行采样。最后，采样信号被送入中央处理器s 3 c 4 4 b o x 进行处理。 国家标准要求测试仪表的精度为o 5 级精度( 0 5 ) ，即要求电流测量回路对电流 的分辨率至少为2 5 xo 0 0 5 0 1 2 5 a 。 a d s 7 8 2 2 为1 2 位a d ，其参考电压2 5 v 。分流器的输出信号范围为0 到7 5 m v ， 电流信号的经放大电路后被放大1 0 倍。可以推导出电流参数测量回路的分辨率为： 一錾x 娶0 0 4 a 7 5 x 1 0 3 1 02 “ 因此，本方案满足国家标准对测试仪表精度的要求。 3 、蓄电池放电回路电压参数的提取 电压参数采集电路的电压信号由放电回路的蓄电池经电阻分压得到。为了避免蓄电 池电压的波动对测试电路造成伤害，本电路采取了过压保护措施和极性反转保护措施。 本课题是对1 2 v 的蓄电池进行容量测试，设计的最高输入电压为1 4 v 。 下图，图3 - 6 ，为电压参数采集电路图。 河北人学t 学硕十t f q - 论文 jjr 图3 - 6 电压参数采集i 乜路图 图3 - 6 为电压参数采集电路图。电压参数采集电路的电压信号，由r 2 ，r 4 电阻对 蓄电池组进行分压得到。电阻分压网络的输出和输入信号比为1 ：7 。则a d 端输入的 电压信号幅值为 v d e 叫2 盍1 7 v a d s 7 8 2 2 为1 2 位模数转换器，其参考电压为2 5 v 。则电压测量回路的分辨率为： 2 5 7 4 3 m v 2 1 2 4 j m v 因此，电压参数采集电路满足国家标准对于测量仪器0 5 级精度的要求。 d 5 ，v i nd 2 ，r 1 1 ，r 7 组成过压保护电路。v i nd 2 ，r 1l ，r 7 为稳压电路，b 和 c 点l 目j 的电压为2 5 v 。a 和c 点问的电压可调整为2 5 v 。d 5 的导通电压为o 7 v 。当输 入电压信号v i n 过大时，d 5 导通，则d 、e 间的电压不高于3 2 v 。从而保护了a d s 7 8 2 2 。 l 毪，r 4 和d 1 3 构成极性反转保护电路。当输入的电压信号极性接反时，d 1 3 导通。 d 5 的导通电压为o 7 v ，则d 、e 间的电压不低于0 7 v ，有效的保护了a d s 7 8 2 2 。 1 2 第3 章基丁a r 、i 处理器的系统埂什设计 ! i i 一 一 i i i 寰曼曼曼! ! 曼曼曼! 鼍 3 、蓄电池恒流放电控制模块 图3 7 蓄电池恒流放电控制电路图 图3 7 为蓄电池恒流放电控制电路图。中央处理器s 3 c 4 4 b o x 根据采集的电流、电 压信号值进行判断，通过蓄电池恒流放电控制电路，实时调节放电回路的使之保持恒流 放电。s 3 c 4 4 b o x 的数字控制信号通过t 5 6 1 5 转换为模拟信号，经过o p 0 7 等构成的电 压跟随器，进入p i d 控制电路。p i d 控制电路直接驱动蓄电池放电回路的m t m 3 0 n 5 0 栅极，使放电主回路保持恒流放电。 开始测试时，继电器u 6 的k 、c o m 端闭合，b 、c o m 端打开，使能运放u 7 ，蓄 电池放电主回路开始放电。 u 7 的控制信号由两部分组成：一是t l c 5 6 1 5 的给定信号，这路信号较大，可以快 速控制放电叫路的状态；二是放电回路的负反馈信号，这路信号能更快的调整放电回路 电流的波动。这两路信号互为补充，保证了放电回路以恒流放电。 ， 当终止试验后，继电器u 6 的k 、c o m 端打开，b 、c o m 端闭合，禁止运放u 7 ， 蓄电池放电主回路停止放电。 河北人学一i j 学硕f j 学位论文 3 3 2 调试模块 调试模块主要包括j t a g 接口，串口( 反馈调试信息) 。 l 、j t a g 接口 j t a g ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议( i e e e 1 1 4 9 1 兼容) ，主要用于芯片内部测试和系统调试1 9 1 。 s 3 c 4 4 b o x 内置j t a g 接口，方便了系统测试，硬件连接如下图3 8 所示。 + 3 3 v j t a gr 1 = l o k j t a gr 2 + 3 3 v ，i d i t m b 1 0 k j t a gr 3 仁= l o k j t a gr 4 l o k 型 t d 0 r e s e r j 声1 c i 图3 8j t a g 接口电路 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 2 0 + 3 3 v 2 、串口 s 3 c 4 4 b o x 内置了2 路u a r t 接口电路，外部电路只需添加r s 2 3 2 电平驱动电路即 本课题仅使用了1 路u a r t 接口电路。如图3 - 9 所示，并采用m a x 2 3 2 实现t t l 和r s 2 3 2 电平i 、日j 的转换。 + 5 vu 1 图3 - 9 串口电路 1 4 强3 5 7 9 b 蛉 侈 第3 章基】a r 、f 处理； ： 的系统惯f ，f 没l f 曼曼! ! 曼曼! 曼曼! 曼曼曼曼曼! 曼! 曼舅曼曼皇曼! 曼曼曼曼皇曼ii ! 曼曼曼曼! ! 曼曼曼苎! 曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼曼! 曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼皇量皇曼曼曼曼曼1 3 t 3 3 存储器模块 1 、存储器的分类和特性 f l a s h ( 闪速存储器) 是一种体积小、容量大、成本低、可靠性高的非易失性存储体。 n o rf l a s h 和n a n df l a s h 是两种常用的存储器并各具特特色1 10 1 ，见表3 1 。 表3 1n o rf l a s h 和n a n df l a s h 性能比较 n o rf l a s hn a n df l a s h 操作方式块操作，块容量6 4 - - - 一1 2 8 k b ，块操作，块容量8 3 2 k b 读取速度较快较馒 写入擦除时间较长，且操作过程复杂时间较短，操作过程简单 成本和容量单佗存储密度和性价比都较低单位存储密度高，性价比高 芯片内执行读取操作简单，适宜芯片内执行读取操作复杂，不宜：吝片内执行 接口复杂皮带有s r a m 接口，接口简单使h j 复杂的i o 口操作 耐j 4 j 性 擦写次数是十万次左如 擦写次数是一百万次左右 相对于非易失性存储，随机存储器的数据掉电即丢失，但却具有更高的访问速率。 常用的随机存储器有s r a m ，d r a m ，s d r a m 等。d r a m ，s r a m ，s d r a m 的存储 单元结构的差异导致了性能上的差异，见表3 2 。 表3 2 随机存储器性能对比 存储器存储单元结构刷新访问速度成本 一个存储单元人约需要人个晶体管，利用双稳态触 s r a m 不需要高高 发器来保存信息 一个存储单元人约需要一个晶体管和一个电容( 不 d r a m需要低 低 含行读出放人器等) ，利h j 电容的电荷米保存信息 同步d r a m ，与系统总线同步：i ：作，避免了在系统 较d r a m s d r a m 总线对舅步d r a m 进行操作时同步所需的额外等需要 低 快 待时间，加快了数据的传输速度 河北人学i ：学硕十学何论文 2 、存储器电路设计 0 x 1 0 0 0 ，0 0 0 0 0 x o e 0 0 。0 0 0 0 0 x o c 0 0 ，0 0 0 0 0 x o a 0 0 0 0 0 0 o x 0 8 0 0 ，0 0 0 0 o x 0 6 0 0 ，0 0 0 0 o x 0 4 0 0 ，0 0 0 0 0 x 0 2 0 0 ，0 0 0 0 o x 0 0 0 0 。0 0 0 0 - 卜 s p r o m d r a m ，s d r a m b a n k 8 s p r o m d r a m s d r a m b a n k 7 s p r o m b a n k 6 s p r o m b a n k 5 s p r o m b a n k 4 s p r o m b a n k 3 s p r o m b a n k 2 s p r o m b a n k i 注：s p r o m 指r o m , b i s p , a m 类型的存储器 图3 一1 0s 3 c 4 4 b o x 存储空间映射幽 图3 1 0 为s 3 c 4 4 b o x 存储空间映射图。s 3 c 4 4 b o x 存储器控制器为外接的存储器 提高了必要地控制信号，并具有以下特点： 一大小端选择( 通过外部引脚选定) 。 一存储空问共分8 个b a n k ，每个b a n k 3 2 m b ，总寻址空间为2 5 6 m b 。 一每个b a n k 具有可编程的总线宽度( 8 1 6 3 2 b i t ) 。 一共8 个b a n k 的存储空间 6 个b a n k 可外接r o m ，s r a m 等。 2 个b a n k 可外接r o m ，s r a m ，f p e d o s d r a m 等。 一每个b a n k 存储空间均编程可设定访问周期。 一支持异步或同步d r a m 。 更多特点可参i 列s 3 c 4 4 b o x 的数据手册【6 】。 1 6 第： 章 基丁 r m 处理器的系统硬什设汁 q 唾匝哦 至$ 3c 4 4 8 0x t o g ! l l ：线 a 陬i a 1 1 1 2 a h 3 a 1 3 1 4 a 【 r 5 a 3 1 6 a r 累7 ar l 8 a r 欺9 a r 欺l o a 隙i l r 泉1 2 a r 聚1 3 a f 欺1 4 a 【欺1 5 a d l 1 6 a u 1 7 ad l t l 8 ad f t l 9 人 r 2 0 1o l3 l5 4 7 2 7 4 6 a 0 a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 7 a 8 a 9 a 1 0 a 1 l a 1 2 a 1 3 a 1 4 a 1 5 a 1 6 a 1 7 a 1 8 a 1 9 n cw n cv d i n cc n c o v s sw v s sr e s e + 3 3 v 到 2 6n g c s o 2 8n o e l ln w e i2 勺厕j 夏= 至s 3 c 4 4 b o x 数据线 n 哎s o n 0 e j 蛭 s s l 3 9 v 卜1 6 u i 图3 1 ls 3 c 4 4 8 0 x 与n o rf l a s h 连接电路图 图3 1l 为s 3 c 4 4 b o x 与n o rf l a s h 连接电路图。 s 3 c 4 4 b o x 复位后，p c 指针指向0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址，因此在o x 0 0 0 0 0 0 0 0 地址处应 当是非失性存储器来存储系统代码。所以，我们选择2 m b 大小的n o rf l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) 应映射到b a n k l ，用于固化系统代码。 存储器存储格式采用小端格式，因此，e n d i a n 引脚通过一个下拉电f ；且接地。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 与s 3 c 4 4 b o x 采用1 6 数据总线进行传输数据。则s 3 c 4 4 b o x 的o m l 、 o m 2 引脚得逻辑电平应分别为“0 “和“1 ”； s s t 3 9 v f l 6 0 1 的地址线引脚a 0 1 9 】应 当对应s 3 c 4 4 b o x 的地址线a d r 1 2 0 】。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 的片选信号c s # ，输出使能信号o e # ，写信号w e f 分别对应 s 3 c 4 4 b o x 的n g c s 0 ，n c e ，n w e 。( 群：表示低电平有效) 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 唧咧吧吧啷晒邸啷啷啷础驯聊娜础础 巧一m一幻一及扎一加一阳一鸺一8765432一一鳃一一一9 锄尘e 至s 3 0 纠b o x 地址线 q q 鬯! 兰q a d d f 22 l n s r a s1 8 n s ( a s1 7 i 1 s ( 弼1 9 1 1 w e1 6 d 0 卜1 01 5 旦q 堑! 兰2 n s ( l k3 8 n s ( k e3 7 4 0 3 6 u 2 l a o a l a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 a l o a 1 l b a 0 b a l r a s c a s c s w e d 0 d l d 2 d 3 矾 d 5 d 6 d 7 d 8 d 9 d l o d l l d 1 2 d 1 3 d 1 4 d 1 5 v d d v d d v d d v d d q v d d q v d d q v d d q l d q m v s s u d q mv s s c l kv s s c k e v s s q v s s q n c v s s q n c v s s q h y 5 7 v 6 4 1 6 l 一 4 - - i 5 + 3 3 v 图3 - 1 2 s 3 c 4 4 b o x 与s d r a m 连接电路图 | 丛盼f 正阿) 至s 3 c 4 4 b o x 数 届线 s 3 c 4 4 b o x 的内置s d r a m 控制器接i ：1 ：支持自刷新模式，支持同步和异步d r a m 。 它提供了行列选通信号n r a s # ，n c a s 3 # ，写使能n w e # ，数据输入输出控制信号l d q m ， u d q m ，时钟信号n s c l k 和时钟使能信号n s c k e ，b a n k 地址信号b a 0 ，b a l 。这些信 号很好的支持了h y 5 7 v 6 4 1 6 ，方便了扩展外部存储器。( f ：表示低电平有效) 图3 - 1 2 为s 3 c 4 4 b o x 与s d r a m 连接电路图。h y 5 7 v 6 4 1 6 映射到s 3 c 4 4 b o x 的 b a n k 7 的从0 x 0 c 0 0 0 0 0 0 开始的大小为8 m b 地址空问。h y 5 7 v 6 4 1 6 与s 3 c 4 4 b o x 采用 1 6 数据总线进行传输数据，所以h y 5 7 v 6 4 1 6 的地址线引脚a f o l1 】应当对应s 3 c 4 4 b o x 的地址线a d r 1 1 2 1 。 1 8 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一 第3 章摹丁a r m 处理器的系统埂什设计 3 3 4 控制输入接口 + 33 v 图3 1 3s 3 c 4 4 b o x 与控制按键的迮接电路图 图3 1 3 为按键电路连接图。按键向用户提供一个简易的控制台，用以控制测量过 程的开启，结束和打印报表等操作行为。按键占用的中断资源为：e x i n t 4 ， e x i n t 5 ， e x l n t 6 。 按键以中断的方式向操作系统发出请求，操作系统收到中断请求后，操作系统调用 帕应功能模块进行处理。为了防止按键抖动引发重复中断，软件采取了去抖动处理。 3 3 5 测试数据输出模块 3 3 5 1l c d 显示屏硬件设计 1 、s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器数据接口见表3 3 表3 3s 3 c 4 4 b o x 内置的l c d 控制器数据接口说明 接口说明 v f r a m el c d 控制器和l c d 驱动器之问的帧同步信号，标志一个新帧的开始。 l c d 控制器和l c d 驱动器之间的行同步信号，标忠着l c d 驱动器开始传送一行的 v l i n e 内容剑l c d 显示屏进行显示。 l c d 控制器和l c d 驱动器之间的像素时钟移何同步信号。l c d 控制器在v c l k 的 v c l k 上升沿发送各个像素的显示数据，在v c k l 的下降沿采集l c d 控制器发送来的数据 l c d 驱动器的交变信号。l c d 驱动器使) t tv m 信号改变行列电压的极性以控制像素 v m 的亮灭。v m 信号可设置为每帧改变一次或通过v l i n e 信号设定该变得次数 v d 7 ：0 】 l c d 像素的数据输。! i1 删t l a 口 1 9 河，l ：人学i ：学硕十学何论文 2 、l c d 显示屏接口 本课题采用天马公司的3 2 0 * 2 4 0 的c s t n 型的彩色液晶屏，数据接口如表3 4 所示。 表3 4 天马l c d 数据接e l 说明【1 引脚号助记符电平说明 1mh l 悬空 2y dh l帧开始信号。对虑处理器l c d 控制器的v f r a m e 信号 3l ph l 行锁存信号，对应处理器l c d 控制器的v l l n e 信号 4x c kh l 移位时钟信号，对应处理器l c d 控制器的v c l k 信号 5 d i s p o f fh 几高i 乜平开启l c d ，低电平关闭l c d 6v d d+ 5 v l c d 逻辑电平电源输入 7v s sov 地 8 v e e 2 0 v l c d 电压输l 出 9 一1 6d 7 一d 0h l 数据输入端口，对廊处理器l c d 控制器的v d 【7 ：0 】信号 a1 3 2 v l e d 背光i 乜源接口 k o v l e d 背光电源接口 注；h ：高电平：l ：低电平 3 、s 3 c 4 4 b o x 与天马l c d 接口设计 s 3 c 4 4 b o x 的l c d 控制器能够支持3 2 0 x 2 4 0 点阵，8 - b i t 单扫描，2 5 6 级彩色s t n 型的l c d 显示屏【6 1 。 在信号接口上，由表3 3 和表3 4 可知，s 3 c 4 4 b o x 的l c d 控制器与天马l c d 显 示屏驱动器相匹配。需要注意的是，天马l c d 数据接口电平为+ 5 v 的t t l 接口， s 3 c 4 4 b o x 的i o 口电平为+ 3 3 v ，需要进行电平转换。为此，本课题采用7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 以实现二者之间的电平转换。 s 3 c 4 4 b o x 与天马l c d 数据线接口示意图如图3 1 4 所示： 2 0 第3 章基丁a r m 处理器的系统硬f i ，f ：设计 c 1 0 1 4 3 3 v 孽l u f 器重 4 2 3 l v ( v ( v v lb l lb 2 lb 3 lb 4 i i 巧 lb 6 l 肿 li 强 2 b l 2 8 2 2 8 3 2 8 4 2 8 5 2 1 3 6 2 8 7 2 髓 + 5 v 7 l _ 2 3 5 6 8 9 y d i _ i x ( k + 5 5 v 1 6 l7 1 9 2 0 2 2 2 3 d b i5 蛰 翌 塑 4 5 g n d + 2 3 v 1 ) 7 啪 i ) 5 d 3 d 2 +