（信号与信息处理专业论文）基于嵌入式技术的仪器控制系统.pdf

中文摘要 摘要 本文研究了一种基于a r m 9 2 0 i t “i ( a t 9 1 r m 9 2 0 0 一c i ) 处理器的嵌入式应用系 统，并根据需求完成了控制系统的软件和硬件设计。系统充分利用了这块 a r m 9 2 0 t 处理器高性能、低成本以及对环境有很强适应能力等优点，结合其他模 块内部的控制电路，提供了一个多功能的仪器控制平台。 本系统应用于成都赛英公司s i n l l 3 0 型雷达综合测试仪，符合军用仪器在使 用环境方面的要求。系统以e l l c d t ：2 i ( 场致发光液晶面板) 为人机可视化操作界 面，以矩阵键盘为操作控制输入部分；以g p i b 仪器接口协同其他仪器对本仪器的 工作参数进行校正；以围绕嵌入式处理器a i g l r m 9 2 0 0 所组成的最小系统为控制 核心，配合仪器内的频率合成、衰减、测量模块，完成对5 c m 及1 0 c m 的微波频 率的测量及产生5 c m 波段的微波信号，提供大屏幕军用液晶全中文显示界面，并 对测试的一些关键参数，如频点等进行了处理，增加了保密性。 本系统的硬件核心是a t m e l 公司出品的宽温嵌入式处理器a i g l r m 9 2 0 0 一c i ， 软件平台采用了源码开放的嵌入式操作系统u c o s 球1 1 。本文根据要求的功能，对 整个系统的设计需求进行了分析，然后介绍了整个方案的设计思路，在设计方案 中，重点描述了控制系统的设计。在控制系统的硬件工作中，首先介绍了以 a l g l r m 9 2 0 0 c i 为核心的主控系统系统硬件平台，然后介绍了各子模块内部的控 制电路设计；在控制系统的软件工作中，首先介绍了# c o s i i 嵌入式操作系统闭在 本设计中的移植，然后对各子模块的控制、部分处理程序及采用的通信协议实现 做了介绍；在控制系统的调试工作中，首先介绍了各模块的调试顺序、调试方法 和检验标准，然后介绍了在公司内部整机联调的过程和检验标准，最后简要介绍 了外场联调的一些问题及其处理方式。 关键词：嵌入式系统，a r m 9 ，实时操作系统，场致发光液晶面板，通用接口母线 a b s t r a e l a b s t r a c t i nt h i s d i s s e r t a t i o n , a l le m b e d d e da p p l i c a t i o ns y s t e mb a s e do na r m 9 2 0 t ( a t g l r m 9 2 0 0 ) i sa p p l i e di ni n s t r u m e n tc o n t o l ，w h i c hi n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e t h i ss y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nh i g hp e r f o r m a n c e 1 0 wc o s ta n dm a n yc o n t r o l l e r s i n s i d eo ft h ee m b e d d e dp r o c e s s o r , a n de n l a r g e dg p i of o rt h ep l a to ft h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r e t h i ss y s t e mi sa l r e a d ya p p l i e di nr a d a rt e s ti n s t r u m e n tw h i c hd e s i g n e db ys i n el t d i tc a nw o r ku n d e rm i l i t a r yt e m p e r a t u r e i t sc o m p o s e do fe l - l c da n dn o n - c o d i n gk e y b o a r dt ob et h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e ，g p i bi n t e r f a c et ow o r ki nc o n j u n c t i o nw i t h o t h e rt e s ti n s t r u m e n t , t h em i n i m u ms y s t e mw h i c hb a s eo na t 9 1 r m 9 2 0 0t ob et h em a s t e r c o n t r o lk e r n e l t h es y s t e mw o r kw i t ht h eo t h e ri n t e r n a lm o d e l ，l i k et h ef r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , t h ed e c a ym o d e la n df r e q u e n c ym e a s u r i n gm o d e l ，t og e n e r a t et h e5 c m m i c r o w a v es i g n a l ，m e a s u r et h ef r e q u e n c i e so f5 e ma n d1 0 c mm i c r o w a v e ，a n dp r o v i d e m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ei nc h i n e s e a l s o ，s o m ep a r a m e t e r sw h i c hn e e dt ok c 印s e c r e ti s p r o c e s s e d t h i sm a s t e rc o n t r o lk e r n e li sb a s eo nt h ee m b e d d e dp r o c e s s o ra t 9 1 r m 9 2 0 0 一c i , a t m e l , w h i c hs u p p o r tt oo p e r a t ei nm i l i t a r yt e m p e r a t u r e t h es o f t w a r ep l a t f o r mi sa n o p e ns o u r c er t o s ，t c o s i i i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h ed e m a n do ft h ec o n t r o ls y s t e mi s a n a l y z e da c c o r d i n gt ot h ec u s t o m i z e df u n c t i o n t h es c h e m ep l a n n i n gi s d e s c r i b e d d e t a i l e d i nt h ed i s s e r t a t i o n , t h em a s t e rc o n t r o lm o d u l ea n dt h ei n t e r f a c ec i r c u i to f s u b m o d u l ei sd e s c r i b e d 鹤t h eh a r d w a r ep a r t t h et r a n s p l a n to f 比c o s i ia n d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb e t w e e nt h ec o n t r o lm o d u l ea n ds u b - m o d u l ei sd e s c r i b e da st h e s o f t w a r ep o r t i nt h ee n d ，t h ed u b u g i n gp r o c e s sa n dt o u c h s t o n ei si n t r o d u c e di nd e t a i l k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , a t 9 1 r m 9 2 0 0 ，t c o s ，e l - l c d , g p i b 1 i 独创性声明 本人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。据我所知，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过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 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。 签名：主盆9 碰。日期：矽7 年月西日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：翩签名：王过 日期：加刀年月莎日日期：加口年月矽日 第一章绪论 i i仪器技术的发展 第一章绪论 随着半导体技术、网络技术、通讯技术和软件技术的飞速发展，仪器仪表系 统的设计思想和方法发生了革命性的变化。新型的仪器仪表系统融合了计算机、 通信和控制技术，具有智能化测控功能和开放的通信接口，能对测量结果进行自验 证，实现在特定环境条件下量程的自动选择，自动校准等功能。这些技术将会改变 传统的工业测试方法、快速精密测量及故障诊断1 1 2 】。 随着测试技术的发展，仪器的自动化程度越来越高，实现的功能越来越复杂。 将嵌入式实时操作系统引入仪器的设计和应用领域，目的就是为了更加有效地来 管理和协调仪器的各种复杂功能，从而进一步提高仪器的自动化程度。随着应用 的不断深入，仪器系统升级这个问题摆在了人们面前，如果能在不改变原有硬件 系统条件下，通过一些方法实现系统功能升级，那么不仅能缩短开发周期，也能 节省生产成本。嵌入式系统正是因为具有这些特点因而在最近几年得到了飞速的 发展，因此有必要设计一种建立在嵌入式硬件平台上的仪器，可以在设计开发过 程中、制造过程中甚至是在交付使用之后进行重构，这样很容易地在同样的平台 上实现不同的测试功能i l ”。 在国外的仪器领域，由于嵌入式技术的发展领先，而且仪器厂商实力雄厚， 在仪器的设计上投入了巨大的人力物力和财力，使得他们可以选用很多性能十分 优秀的关键部件，特别是数字和模拟之间的控制和转换部件，在仪器标准的制订 上也处于垄断地位。这些因素都使得国外的一些大型仪器公司，如：安捷伦、泰 克、等，在通用的仪器设计和控制领域处于领先的地位。这些仪器公司都是生产 通用仪器，虽然设计技术领先，设计思想超前，但是对于国内军事和航空航天等 需要的专用仪器而言，他们的仪器在温度和抗震方面还不能达到实际现场使用的 要求，而且由于国际环境和利益的影响，也不会专门为了某方面的应用来设计专 用的仪器【1 2 1 。 在国内的仪器领域，成都的前锋电子仪器厂和中国电子科技集团公司第四十 一研究所是国内比较知名的仪器设计生产厂商，但是由于体制和种种原因，技术 电子科技大学硕士学位论文 技术更新速度较慢，对嵌入式技术在仪器上的应用研究还处于落后的地位，设计 的思维还停留在纯模拟电路的领域，对一些新兴的学科的关注程度不足，这都导 致了我国专用仪器，特别是军工和航空航天领域仪器的发展落后。 1 2 课题的设计要点 该课题的提出是基于工程实际需要，面向的控制对象是一台多功能的雷达测 试仪器。考虑到本课题的功能电路及其部件较多，为了便于研制期间的调试与公 司最终成品的产业化，所以控制系统的最后采用了模块化设计思想，即将各个子 模块的底层控制放在了模块内部，然后各个子模块的控制部分再各种总线接口和 通信协议与主控系统进行通信，将整个仪器的所有信息汇总到主控系统进行处理， 通过实时操作系统提供的强大的控制和任务间通信功能，由主控系统对整个仪器 的工作方式和工作参数等进行控制和处理。在设计方案和实际选择器件中，主要 考虑如下几个设计要点： 夺对主控系统的能力要求比较高，需要能提供各种通信接口；能储存和处理 大量的数据；能对子模块进行实时的控制；能不改变原有模块结构下，通 过添加硬件模块以达到增加功能的目的； 夺人机接口要方便使用，易于掌握。对参数的调节参照了当前主要仪器商的 调节方式，根据当前硬件条件能提供多种方式，如直接数字输入，连续按 键响应，按位数调节等。 对各子模块和主控系统的通信必须可靠，需要有差错检查和超时判决，如 果发现严重的通信错误，就必须借助屏幕显示通知使用者。 夺该课题在子模块的控制上使用了多种数字控制器件( 如：单片机、c p l d 等) ， 而仪器的各子模块主要由模拟和微波器件构成( 如：d d s 芯片、p l l 芯片、 l c 滤波器、腔体滤波器、低噪声放大器、隔离器等) 。数字部分的频率成 分十分复杂，处理不好会给模块内的模拟部分( 特别是d d s 频率合成模块) 带来杂散，影响指标，因此对各部分信号和电源的隔离十分关键。 夺利用c p l d 对d d s 高速送数必须保证数据的可靠性；对锁相环的锁定指示 也必须作出正确相应，以保证锁定完成。 夺整个系统工作稳定，能长时间工作在4 0 5 0 下。 2 第一章绪论 1 3 课题的设计任务 整个仪器的设计工作是十分繁琐而复杂的，不可能由某一个人全部完成，设 计过程凝聚了团队的经验和技术积累。笔者在整个仪器设计中的工作任务有： 夺参与讨论整体方案设计，提出仪器控制系统的设计思路。 夺独立完成了a r m 9 最小系统的平台搭建工作，包括电路原理图、6 层p c b 制板、布线、调试。 夺独立完成了u c o s - i i 在a r m 9 平台上的移植和整个控制系统的应用程序 的设计和调试，包括主控程序、接口协议程序、a r m 9 的引导程序。 夺在项目的后期参与整机联调，在整机联调完毕后，参与仪器需求方的仪器 质量指标测试，并根据需求方要求，进一步改进操作环境。 整个仪器的从方案论证到产品验收，用了近一年的时间。在设计中饱含了艰辛， 也充满了愉快，为客户解决了难题，也为我国的军用航空航天技术的发展贡献了 自己的力量。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章仪器的设计方案 2 1 仪器的主要功能 雷达综合测试仪是具有宽带、高性能的大屏幕军用液晶中文显示的综合测试 仪器，主要的功能是完成5 c m 及1 0 c m 的微波频率的测量及产生5 c m 波段的微 波信号。其频率计的特点是：采用了自适应的频率测试方法，用户不需要设置任 何参数即可以精确的测量频率信号，其测频准确度高；测频动态范围大的特点。 其频率源的特点是：具有4 0 0 m 带宽内的点频输出，频点可任意设置，设置频率精 度为o 1 m h z ；具有4 0 0 m 带宽内的脉冲调制输出，其载波频率可以任意设置，设 置精度为0 1 m h z ；具有4 0 0 m 带宽内的扫频输出，以b 0 点为中心点对称扫频， 扫频带宽及扫频时间可以设置，扫频带宽从1 0 m h z 到4 0 0 m h z ，步进为1 0 m i - i z ， 扫频时间从1 0 m s 到l o o m s ，步进1 0 m s ；输出功率从7 d b m 到- - 9 3 d b m ，粗调步 进为0 5 d b m ，微调步进为0 1 d b m 。 仪器可用交、直流两种电源供电；采用了大规模集成电路、高性能微处理器 及嵌入式实时操作系统，使得该产品具有稳定性高，小巧轻便，人性化的人机界 面，并可在4 0 5 0 。c 的环境下工作。 图2 1 仪器的前面板示意视图 4 第二章仪器的设计方案 2 2仪器控制系统的功能 仪器控制系统是为仪器的使用服务的，所以仪器控制系统的功能也必须根据 整个仪器的功能来制订。需要实现的基本功能如下： 夺由于需要调节的参数比较多，而且参数之间的关系复杂，所以需要一个简 单明嘹的人机接口，显示部分如果还用普通的数码管会使人产生眼花缭乱 的感觉，所以需要使用液晶中文界面。 夺在频率源的频点变化时，能够控制频率源中的频率合成模块产生一定频率 范围内的脉冲，这就需要处理器能够将显示的输入转变为频率合成模块可 以认知的控制信号。 夺在需要扫频时，能够及时切换到扫频模式下，并且在每个扫频周期产生定 位信号。 能够调节衰减模块对信号产生一定量的衰减，微调时的衰减量很小，需要 通过查找衰减校正表来找到最适合要求的衰减控制值。 由于微调衰减量的实现方法有可能受器件影响较大，每台仪器的衰减校正 表并不相同，需要实际测试，所以需要提供接口对衰减表进行修改。 能够控制调制开关的状态，从而控制信号是否调制。 夺能够接收频率计的测频数据，并通过分析数据，得出当前输入信号的频率 范围是否有效。如果输入信号频率范围在所测范围内，则需要将测频数据 转换为常用的频率表示值。 2 3 仪器的控制框图 仪器主要由主控模块、频率源模块、频率计模块、键盘模块、显示模块、g p i b 接口模块、恒温晶振、开关电源等模块电路组成，各个模块均采用了宽温范围的 器件，大量使用大规模集成电路，并使用高频率稳定度、稳定速度快的恒温晶振， 从而保证了系统整机的高低温特性稳定。在测频模块、键盘模块、显示模块、频 率合成模块及其内部的大动态衰减模块、调试开关模块内部均有m c u 或者c p l d 对模块内的模拟器件的工作方式进行控制，对模块内的数据进行初步的处理，例 如：频率测量和串，并转换、信号的同步等。然后，主控模块通过一定的通信接口 5 电子科技大学硕士学位论文 对各模块内部的控制系统进行操作，从而指挥整个仪器各模块的工作，达到整台 仪器各模块协同工作的目的。仪器的主要结构框图如下所示： 图2 - 2 仪器的主要部分结构框图 各模块功能和结构如下： 主控模块：由基于a r m 9 的最小系统组成，通过与其他子模块以多种通信 键盘模块： 显示模块： 方式建立连接和数据交换通道，实现对子模块的控制，响应子 模块的消息，处理子模块的数据，决定整个仪器的工作状态和 工作模式，负责对整个仪器内部的错误进行定位，控制g p i b 接口与外部g p i b 设备协同工作。 由m c u 为主要控制模块，对矩阵键盘进行动态扫描获得按键 响应，采用非阻塞方式进行按键的判断，以r s 2 3 2 接口和改进 的x m o d e m 协议与主控模块建立通信接口，从而向主控模块提 供连续响应按键的能力。 以a l t c r a 公司的工业级c p l d 做为场致发光液晶面板的持续刷 新驱动，以双口s r a m 作为显示缓冲区，并将该双口s r a m 映 射到主控模块中a r m 9 的地址中，以地址数据线的方式与主控 模块交换数据，接收显示缓冲区的刷新数据。 夺g p i b 接口模块：以国家半导体公司( n s ，n a t i o n a ls c m i c o n d u c t o r ) f f jg p i b 接口器件t n t 4 8 8 2 为主要元件，将t n t 4 8 8 2 的内部寄存器地 址映射到主控系统的地址数据总线上，将t n t 4 8 8 2 的中断发起 6 第二章仪器的设计方案 线接到主控系统的外部中断上。这样主控系统就可以通过访问 存储器的方式，通过地址数据总线来对t n t 4 8 8 2 内部寄存器进 行访问，以达到控制和数据传输的目的。 夺频率合成模块：以p l l + d d s 的方式产生5 c m 波段的微波信号，以l a t t i c e s 公司的c p l d 协同8 位m c u 作为计算模块，并通过c p l d 对 d d s 进行控制，通过m c u 以r s 2 3 2 接口，配合改进的x m o d e m 协议与主控模块建立通信接口，接收主控模块对d d s 频率调节 和工作模式的控制。 大动态衰减模块：以多个数控衰减器控制对频率源的输出信号进行大范围 的衰减，用m c u 作为数控衰减器的控制，通过g p i o 口软件模 拟s p i 接口对数字电位器进行控制，并以并口与频率合成模块 建立通信接口，向主控模块提供粗调和微调2 种衰减调节方式。 夺测频模块：以l a t t i c e s 公司的c p l d 协同8 位m c u 作为频率计的数据处 理和通信模块，通过r s 2 3 2 接口，配合改进的x m o d e m 协议 与主控模块建立通信接口，定时向主控模块发送所测的频率。 2 4 本章小结 整个仪器的微波部分主要有2 大功能，其一是频率产生，另一个就是频率测 量。频率产生部分的提供的功能较多，所需的数字控制和处理部分也就比较繁琐， 包括合成模块中的d d s 和v c o ，衰减模块中的数控衰减器，调制模块中的调制开 关等，都需要由主控模块进行控制和处理。相对而言，频率测量部分的功能比较 单一，只需要将c p l d 中计算所得的频率值作少量的计算和控制就可以达到目的。 整个仪器的数字部分包括了：a r m 9 最小系统、e l - l c d 的控制驱动部分、键盘模 块、g p i b 模块、频率源控制电路、频率计控制计算电路。在后面的章节将重点对 这些部分进行描述。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章控制系统硬件的设计与实现 任何控制系统的实现都需要合理的硬件结构支持，本章将对整个仪器控制部 分硬件的设计和实现做详细的逐一介绍，包括需求的分析，芯片的选择和设计时 思路，原理图介绍等。 整个硬件系统由一个主控模块和若干子模块组成，子模块分为数字模块和模 拟模块两种。数字模块包括：显示模块、键盘模块、g p i b 接口模块；模拟模块包 括：频率计模块、频率源模块，在模拟模块内部的控制也是由模块内部的数字部 分或者数模混合i c 来实现的。 3 1主控芯片的选择及简介 主控模块是整个控制系统的核心，通过各种通信接口操作各子模块来实现整个 系统的功能，其内部也是由控制芯片和其他外围芯片，如：各种存储器、时钟源、 j t a g 接口、复位电路等电路和器件共同构成的。a r m 9 芯片和它的外围芯片组成 了a r m 9 最小系统，a r m 9 最小系统配合其他外部接口才构成了主控模块。整个 主控模块的功能框图如下所示【1 4 】： 图3 - 1 主控模块功能框图 8 第三章控制系统硬件的设计与实现 在整个嵌入式系统中，主控芯片的性能对整个系统的性能和功能的实现起着 举足轻重的作用。主控芯片的选择必须综合考虑整个系统各方面的因素，才能实 现预定的功能，充分发挥系统内其他模块的性能能，取得长时问稳定的工作效果， 给后续的升级留下空间。在电子行业高速发展的今天，控制处理器的种类繁多， 特点各异，在选择这类芯片的时候必须清楚的知道自身系统的需求，包括：性能、 接口、环境适应能力、稳定性和以后升级的空间等。 根据之前章节对整个系统的结构和各模块功能的描述，我们对主控模块的功 能得出了如下的最低要求： 夺能够提供大容量存储器的访问能力，有较强的数据吞吐能力。显示缓冲区 和g p i b 接口芯片的内部寄存器都是映射到主控器件的内部地址，以存储 器的访问方式进行访问。为了在处理器外部无需添加额外的地址译码器， 这就要求处理器对存储区域进行分段管理，并且提供相应的片选信号。就 处理器本身而言，由于操作系统的要求，一个m b y t e 等级的静态和动态存 储器也是必不可少的，所以这就要求器件至少提供2 0 位以上的地址线。 在数据吞吐量方面，3 2 位的数据总线宽度能比1 6 位的数据宽度提供多一 倍的数据吞吐量，大的数据吞吐能力可以避免存储器成为影响整个数据处 理速度的瓶颈，虽然可以选择带有数据c a c h e 的器件，但是c a c h e 的容量 毕竟很有限，存在命中率的问题，在实时系统中不便于估计实时性能。 夺能够提供多个u a r t ( 通用异步收发器) 。在微波组件之间的数据传输中， r s 2 3 2 电平标准的通用串口被广泛使用，在本系统中也不例外的选择了这 种通信接口。r s 2 3 2 协议本身是不提供多机通信机制的，虽然在软件上可 以借鉴1 2 c 总线的地址方式，但是没有相应的总线仲裁和超时错误相应等 机制，软件实现多机通信的稳定性就是一个隐患。在整机调试时，这种隐 患会造成随机错误，很难对错误进行定位，这就会延长整机的调试时间， 还会使批量生产时的测试时间增加，所以软件实现多机通信的方式暂不考 虑。因此，有3 个部件需要用这种方式进行通信，所以处理器最好能具有 多个u a r t 。 夺具有一定的数据计算能力。在计算d d s 的频率控制字和选择v c o 的输出 频率时需要多次使用到3 2 位的乘除法，这就要求器件具有乘法器，或者 乘累加单元，最好是硬件3 2x3 2 位的乘法器。虽然除法可以通过改进算 9 一 电子科技大学硕士学位论文 法由乘法实现，而3 2 位乘法也可以由软件通过算法由更低位的乘法实现， 但是器件至少要有硬件乘法器，而不是通过移位和加法实现最基本的8x8 的乘法，否则计算的速度是系统无法接受的。器件的通用寄存器位数和个 数也是影响计算速度的一个重要因素，如果寄存器位数低于运算时的源操 作数，那么只是取操作数一项就不是一个指令周期可以完成的，而更多的 通用寄存器个数可以给算法的设计留有更多的资源。指令的访问速度一般 都低于器件的最高运行速度，从而成为指令执行的瓶颈，如果器件具有硬 件指令c a c h e 的能力，就可以将关键代码存入指令c a c h e 中，从而大大提 高指令的访问速度。 夺能支持大型的操作系统。处于以后软件升级的考虑，可能随着功能和需求 的增加，小型的u c o s i i 操作系统会不能满足要求，这就需要升级成大型 的操作系统，例如l i n u x 。这类大型操作系统可以提供更完善的存储器管 理机制，但是很多都需要m m u ( 内存管理控制器) 的支持，所以最好能选 择带有m m u 的器件。 夺生产厂家实力雄厚，不会出现供货等方面的问题。这是出于产品后续生产 方面的考虑，器件必须经过市场的检验，确保稳定性，资料必须齐全。芯 片必须是工业级器件，能符合国内军工仪器的温度标准，能在温度逐渐降 低到4 0 的环境下正常稳定工作，也能在这个温度下直接开机正常工作。 在以上的最低要求中，没有将电源的功耗包含在内，也没有将散热等方面的 因素写进去，这是因为应用场合是仪器控制。一般而言，仪器都是用市电来做电 源的，对电源的供电能力要求甚至低于家用电器，而这台雷达测试仪的总功耗大 致有3 0 4 0 w ，所以功耗方面不用顾虑太多。在散热方面，由于现行的主流控制 器的主频都不是很高，功耗也最多2 3 w ，而且主控模块的空间较大，仪器内部 各模块间也有散热方面的处理，所以散热也就不是考虑的重点了。 在考虑了以上各方面因素的情况下，就基本上排除了一些结构简单，用于低 端控制的8 位或者1 6 位单片机，而对于存储管理和接日控制方面的要求也就将 d s p 类型的器件排除了，而用高档f p g a 结合处理器的i pc o r e 的方式成本太高， 而且开发调试的时间太长。综上所述，基本将选择范围圈定在了a r m 系列处理器 上，又由于高级存储管理的要求和主频的考虑，a r m 9 比a r m 7 合适，所以主控 器件就定位在了市面上常见的a r m 9 处理器上。 1 0 第三章控制系统硬件的设计与实现 在将范围确定在a r m 9 上之后，本节将对现在几款主流a r m 9 做一简单对比 介绍，这其中包括：三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 、夏普公司的l h 7 a 4 0 4 系列、飞利浦公 司l p c 3 1 8 0 系列、a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 系列。其主要性能参数如下表所 示： 表3 - 1 主流a r m 9 处理器参数比较 s 3 ( 卫4 1 0 i 且7 a 4 0 4l p c 3 1 8 0 a t 9 1 r m 9 2 0 0 厂商三星公司 夏普公司飞利浦公司a r m e l 公司 a r m 内核a r m 9 2 0 ta r m 9 2 2 t a r m 9 2 6 e ，sa r m 9 2 0 t 主频2 6 6 m h z2 0 0 m h z2 0 8 m h z2 0 0 m h z 数据c a c h e 1 6 k b v t c8 k b v t e3 2 k b v t e 1 6 k b y t e 指令c a c h e 1 6 k b m e 8 k b 、，t e 3 2 k b y t e1 6 k b y t e 外部总线时1 0 0 m h z1 0 0 m h zl o o m h z8 0 m h z 钟 u a r t 个数3 个3 个7 个4 个 d m a 有有有有 p l l 有有有有 应用特点消费电子多媒体浮点处理工业应用 操作温度肌似商业级) 0 - 7 0 ( 商业级、0 7 0 c 商业级1 尢 - 4 0 8 5 ( i 业级1- 4 0 8 5 ( i 业级1 无 - 4 0 8 5 ( i 业级1 在上表中可以看出，几款主流的a r m 9 处理器是各有特色，总的说来性能都 十分优秀，在速度和功能上都应该能够适应本设计的要求，也都提供丰富的接口， 所以主要的选择就是操作温度和稳定性上面。 在四块芯片中，菲利普公司的l p c 3 1 8 0 没有工业级产品，不能在低温下工作， 这就不能符合设计所要求的运行环境。夏普公司l h 7 a 4 0 4 的工业级的版本在时钟 的解决方案上有问题，现在夏普公司已经停止销售这块芯片的工业级版本，所以 基于产品稳定性的考虑也不能选用。三星公司的s 3 c 2 4 1 0 虽然有工业级芯片，但 是其工业级芯片在我们的低温试验中并不能达到预定的性能。在我们的低温试验 中，当温度从+ 8 5 陡降到一4 0 的时候开机，芯片不能正常启动，但是如果是从 常温开机持续工作，然后温度慢慢降到一4 0 时，芯片还可以正常运行。分析其 原因可能是由于运行时，芯片本身有一定温度，环境温度虽然降到了低温，芯片 电子科技大学硕士学位论文 内部并不是在4 0 ，但是如果是在低温下启动，芯片的温度就和环境温度一致， 以至于不能顺利启动。 最后就只剩下a t m e l 公司的a i s l r m 9 2 0 0 芯片了，这块芯片本身就是为工 业控制所设计的，没有商业级温度的型号，它在低温下的稳定运行能力是其一大 特色。经过多方比较后，最后选择了这块处理器作为控制核心处理器。 a 眄1 r m 9 2 0 0 是完全围绕a r m 9 2 叮a r mt h u m b 处理器构建的系统。它有丰 富的系统与应用外设及标准的接口，从而为低功耗、低成本、高性能的计算机宽 范围应用提供一个单片解决方案。a r m 9 2 0 t 是基于a r m 9 t d m ir i s c 的整数c p u ， 拥有分离的1 6 k b 数据和1 6 k b 指令缓存，提供高级微处理器总线架构( a m b a ) 总线 接口，可执行3 2 位a r m 及1 6 位t h u m b 指令集。a r m 9 t d m i 处理器是哈佛结构的， 其与冯诺依曼的主要区别是分别提供了数据总线和指令总线，而不是采用的三总 线结构，这样就可以在执行前一条指令的取数操作时，同时进行后一条指令的取 指操作，而不用担心总线冲突。a r m 9 t d m i 的流水线为五级深度，分别为：取指、 译码、执行、存储、写入。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 包括一个高速片上s r a m 工作区及一个低等待时间的外部总线接 口( e b i ) ，以完成应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连 接。e b i 有同步d 鼬蛳( s d r a m ) 、b u r s tf i a s h 及静态存储器的控制器，并设计 了专用电路以方便与s m a r t m e d i a 、c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 连接。高级中断 控制器( a i c ) 通过多向量，中断源优先级划分及缩短中断处理传输时间来提高 a r m 9 2 0 t 处理器的中断处理性能。外设数据控制器( p d c ) 向所有的串行外设提供 d m a 通道，使其与片内或片外存储器传输数据时不用经过处理器。这就减少了传 输连续数据流时处理器的开销。包含双指针的p d c 控制器极大的简化了处理器的 缓冲器链接。并行f o ( p i o ) 控制器与作为通用数据的f o 复用外设输入输出口 线，以最大程度上适应器件的配置。每条口线上包含有一个输入变化中断、开漏 能力及可编程上拉电阻。电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能 禁用处理器及各种外设来使系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟产生器来 提供包括慢时钟( 3 2k i - i z ) 在内的选定时钟信号，以随时优化功耗与性能。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 还集成了许多标准接口，包括u s b2 0 全速主机和设备端口及与多数 外设和在网络层广泛使用的1 0 1 0 0b a s e - t 以太网媒体访问控制器( m a c ) 在a t 9 1 r m 9 2 0 0 的功能结构框图中( 见图3 - - 2 ) ，对整个芯片内部各模块和功 能间的连接做了简明的表示，后文涉及到具体的部件时，将对其结构做详细描述。 一1 2 - 第三章控制系统硬件的设计与实现 图3 2a t 9 1 m r 9 2 0 0 内部结构功能框图 一1 3 电子科技大学硕士学位论文 3 2 主控系统存储器结构的搭建 a t g l r m 9 2 0 0 的存储控制器( m c ) 管理a s b 总线并最多达4 个主机的访问控 制。它通过一个总线判决器和一个地址译码器将4 g 字节的地址空间分区来访问内 置的s r a m 与r o m ，内置外设及通过外部总线接口( e b i ) 的外部存储器。它还可 通过一个异常中止状态与一个失调检波器来帮助应用程序调试。存储控制器允许 从内置r o m 或连接在e b i 片选o 上的外部非易失性存储器上引导。重映射在命令 在内置s r a m 上切换a r m 向量( 0 x 0 o x 2 0 ) 地址。 地址译码器将可以访问的地址空间分为3 个部分，首先是芯片内部的s r a m 和r o m ，共2 5 6 m 字节的地址空间；然后是芯片外部的存储空间，包括s d r a m ， f l a s h ，和外部器件映射到处理器上的地址空间，共有8 x 2 5 6 m 字节的地址空间， 分为8 个块；最后是芯片内部各片内外设的寄存器映射地址，共2 5 6 m 字节的地址 空间【1 5 】。整个处理器的存储空间分配如图3 - 3 所示，从图上可以看出每段空间的 起始地址。 i n t e f f t 目t im e m o r i e a c h i p s e l e c t o c h i ps e l e c t1 c h i ps e l o a t2 c h i ps e l e c t3 c h i ps e l e c t4 c h i ps e t e c t5 c h i ps e l e c t6 c h i ps e l e c t7 u n d e f i n e d ( a b o r t ) p e r i p h e r a l s 图3 - 3 存储器地址空间分配 1 4 e 8 i e x t e r n a l b u s i n t e d m a t 第三章控制系统硬件的设计与实现 3 2 1 存储器外部地址空间的分配 在整个最小系统的设计中，存储器的设计在很大程度上决定了整个系统的性 能，其重要性可以与主控芯片的性能相提并论，在设计时必须慎重考虑。在本系 统中，根据系统的需求，对于存储器的要求和选择如下： 夺用大容量的f l a s h 类型存储器，存放已调试好的用户应用程序、嵌入式 操作系统或其他在系统掉电后需要保存的用户数据等。 夺用大容量、读写速度快的s d r a m 类型存储器，作为系统运行时的主要区 域，系统及用户数据、堆栈均位于s d r a m 存储器中。 夺e e p r o m 类型存储器可存储少量需要长期保存的用户数据。 在存储器的需求和种类确定以后，就可以对处理器的外部存储器地址做一个 划分，即对图3 3 中的e b i 控制器上的8 个存储器块进行分配【1 6 】。其中f l a s h 类 型的存储器由于要参与芯片的启动，必须接在n c s 0 上，当处理器地址重映射的 时候，n c s 0 片选线对应的前1 m 字节的地址空间将被映射到0 x 0 0 0 00 0 0 0 4 ) x 0 0 0 f f f f f 上，具体细节将在芯片的引导部分做详细介绍；s d r a m 由于需要专用的 s d r a m 控制器，所以将s d r a m 的地址分区就固定在了n c s l 片选线对应的地址 分区上，最大可以接2 5 6 m 字节的单片或者多片s d r a m ；在与显示驱动电路进行 接口时，显示缓冲区也是映射到了芯片的地址总线上，这个地址区没有特殊要求， 将n c s 2 分配给了显示缓冲区；最后是g p i b 的接口芯片t n t 4 8 8 2 ，它的内部寄存 器空间也是映射到了芯片的外部地址上，对这个地址区也没有特殊的要求，所以 按照顺序将n c s 3 分配给了这个部分。e e p r o m 类型的存储器并不占用数据地址 总线，而是通过i i c 接口( 一种2 线接口，与s m b u s ，t w i 等2 线接口) 进行访 问。详细的分区和起始地址参见表3 1 。 表3 1 处理器的外部地址空间分配 接口功能占用片选号首地址末地址 f l a s hn c s o0 x 1 0 0 00 0 0 00 x l f f ff f f f s d r a mn c s lm 【2 0 0 0 0 0 0 0晓f 王；f f f 王下 显示缓冲区n c s 20 x 3 0 ( ) 00 0 0 00 x 3 f f ff f f f g p i bn c s 30 x 4 0 0 0 0 0 0 00 x 4 h 下f f f f 1 5 电子科技大学硕士学位论文 3 2 2s d r a m 与主控芯片的连接 s d r a m ( 同步动态随机访问存储器) 具有价格低廉、密度高、数据读写速度 快的优点，从而成为数据缓存的首选存储介制裁。与普通的r a m 相比，s d r a m 的 行地址线和列地址线是分时复用的，即地址线要分两次送出，先送行地址线，再 送列地址线。这样可进一步减少地址线的数量、提高器件的性能，但寻址过程会 由此变得复杂。在现在的主流处理器中很多都含有s d r a m 控制器，a t 9 1 r m 9 2 0 0 也不例外，可以通过配置处理器里的寄存器实现对s d r a m 的透明操作。现在s d r a m 一般都以b a n k ( 存储体或存储块) 为组织，来将s d r a m 分为很多独立的小块， 然后由b a n k 地址线b a 控制b a n k 之间的选择；s d r a m 的行、列地址线贯穿所有 的b a n k ；每个b a n k 的数据位宽同整个存储器的相同。这样，b a n k 内的字线和位 线的长度就可被限制合适的范围内，从而加快存储器单元的存取速度，另外，b a 也可以使被选中的b a n k 处于正常工作模式，而使没有被选中的b a n k 工作在低功 耗模式下，这样还可以降低s d r a m 的功耗【1 8 l 。 在本系统中选用的s d r a m 是m i c r o n 公司的m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 ，分为4 个 b a n k ，每个b a n k 里有2 m 个地址单位，每个地址单位含有1 6 位的存储单元， 一块芯片的容量是1 2 8 mb i t 。为了充分利用a r m 93 2 位数据线的宽度，我们用2 块s d r a m 组成了3 2 位宽的存储区，使得每个读写周期可以存取4 个字节的数据。 这样，整个系统运行时就有2 5 6 mb i t 的高速存储空间可以使用。两片s d r a m 组 成的存储区与处理器的连接示意图如下： 图3 4 两片s d r a m 与a t 9 1 r m 9 2 0 0 的连接图 1 6 第三章控制系统硬件的设计与实现 在连接时，将处理器数据总线的高低1 6 位分别接到了相应s d r a m 的数据1 6 位数据口上；在与s d r a m 接口时，地址线a 0 ，n w r l ，a 1 ，n w r 3 被当成了数据屏 蔽使能线n b s 0 ：3 ，所以实际上的行列地址是通过a 2 ：1 3 1 送出的，共1 2 根地址 线，其中行地址线1 2 根，列地址线9 根，正好可以对一个b a n k 的2 m 地址空间 进行全译码；其他的行列地址锁定信号r a s ，c a s 和片选以及写使能都是处理器直 接控制的，直接互连就是了；数据屏蔽使能线是处理器用来选择操作读写3 2 位数 据线上四个字节的，灵活使用就可以很方便的与8 ，1 6 位存储器进行接口；引脚 a 1 6 ，a 1 7 在处理器的s d r a m 接口电路中被当作了b a n k 的选择线。 由于处理器的e b i ( ) - 部总线接口) 控制器的时钟频率是8 0 m h z ，所以s d r a m 的访问速度不能达到1 3 3 m h z ，最高只能达到8 0 m h z ，这也是a t 9 1 r m 9 2 0 0 的不 足之处。 3 2 3f l a s h 与主控芯片的连接