（信号与信息处理专业论文）基于S3C2410的信号采集与传输硬件系统的研究与设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着计算机技术、网络技术和微电子技术的深入发展，特别是各种高性能 片上系统( s o c ) 的设计和嵌入式操作系统的开发，嵌入式系统日益广泛地应用于 工业控制、移动通讯、网络系统、无线系统、家用电器以及消费电子等设备中。 本课题研究嵌入式系统在数据采集与处理中的具体应用，采用结构化、模块化 的方案进行系统的软硬件设计、调试和实现，开发了一个集嵌入式控制、数据 采集与处理、友好人机交互界面于一体的a r m 电路系统。 根据系统功能需求分析，数据采集的硬件部分必须满足系统软件和应用程 序运行时的资源要求，包括处理器的速度、存储空间和运行空间等。本课题以 嵌入式微处理器s 3 c 2 4 1 0 a 为核心围绕s 3 c 2 4 1 0 做整个电路的系统扩展。为 保证整个电路系统的稳定工作，自制了运行所需要的电源；为保证操作系统和 应用程序运行的空间，系统扩展了6 4 m b y t e 的n a n d f l a s h ；充分考虑未来系统的 升级，针对海量数据的存储情况，本系统还扩展了s d 存储卡。同时系统还提供 了丰富的通讯接口：3 个u a r t 接口、2 个u s b ( 主和从) 接口、1 路c a n 总 线接口、1 路s p i 串行外围接口和l 路e t h e m e t 接口。为使采集到的实时数据得 到重现，系统引出了相应的l c d 接口。整个系统最大的特点是功能强大、低功 耗、低成本，同时考虑到自我的升级能力，留有很大的发展空间。 为了给嵌入式应用开发提供了一个便利的环境，嵌入式软件平台借助于开 源的l i n u x 操作系统，完成了系统应用软件开发平台的建立。软件平台搭建包括 启动加载程序、交叉编译工具、文件系统、网络、显示设备等驱动移植。在信 号采集开发的过程中，编写了数据采集电路的设备驱动程序和应用程序。论文 的最后研究了嵌入式图形用户界面m i n i g u i 的移植与开发，并设计图形程序， 实现数据的采集、存储和波形再现功能。 基于微处理器$ 3 c 2 4 1 0 的嵌入式数据采集系统平台体积小，结构清晰、通 用性好、可扩展性强。它可用于车载振动监测、机械设备现场监测、隧道振动 监测等方面，在工业测量与控制领域中都具有较为广阔的应用前景。 关键词：嵌入式系统，s 3 c 2 4 1 0 ，嵌入式l i n u x ，数据采集，m i n i g u i 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i n ld e e p - g o i n gd e v e l o p m e n to f c o m p u t e r , n e t w o r ka n dm i c r o e l e c t r o n i c st c c h - o l o g i e s , a sw e l l 勰t h eh i g h - p e r f o r m a n c ed e s i g no fs o ca n dd e v e l o p m e n to f 即曲e d d e do s ，e r n b e d d e ds y s t e mi si n c r e a s i n gw i d e l yu s e di ni n d u s t r i a lc o n t r o l e q u i p m e n t , m o b i l ec o m m u n i c a t i o nd e v i c e ，h o u s e h o l da p p l i a n c e a n dc o n s u m i n g e l e c t r o n i c s ，e t c i nt h i s t h e s i s , e m b e d d e ds y s t e mi sr e s e a r c h e da sa na p p l i c a t i o no fd a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g , h a r d w a r ea n ds o l , w a r ei sd e s i g n e d ，d e b u g g e da n d i m p l e m e n t e dw i ms t r u c t u r e da n dm o d u l a r i z e ds c h e m e t h ea r ms y s t e mi s i n t e r g r a t e db ye m b e d d e dc o n t r o l ，f a s td a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n ga n df r i e n d l y h u m a nm a c h i n ei n t e r a c t i v ei n t e r f a c e i na c 脚r d a n c ew i mt h ea n a l y s i so fs y s t e mf u n c t i o n & t h eh a r d w a r eo fd a t a a c q u i s i t i o nm u s tm e e tt h er e s o m v 冶r e q u i r e m e n t so ft h es y s t e ms o r w a r ea n d a p p l i c a t i o np r o c e d u r e s , i n c l u d i n gp r o c e s s o r 卸时e d s t o r a g es p a c ea n do p e r a t i n g s p a c e ，e t c t h es u b j e c to fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r sc o r ei st h e $ 3 c 2 4 10 a ，a n dw e e x t e n dt h es y s t e mi nt h ew h o l ec i r c u i ta r o u n di t i no r d e rt oa r l s u r et h es t a b i l i t yo ft h e e n t i r ec i r c u i ts y s t e m ，t h es y s t e m s u p p l yt h ep o w e rr e q u i r e d ；i no r d e rt oe n s u r et h e o p e r a t i n gs y s t e ma n da p p l i c a t i o n sr u n n i n g o i lt h es p a c e , t h es y s t e me x t e n d st h e 6 4 m b y t en a n d f l a s h ；g i v i n gf u l lc o n s i d e r a t i o nt ot h en e x ts y s t e mu p g r a d e ，t h es y s t e m c a nb ee x p a n d e db ys dm e m o r yc a r di nv i e wo ft h es i t u a t i o no fm a s sd a t as t o r a g e a t t h es a m et i m e , t h es y s t e ma l s op r o v i d e saw e a l t ho fc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e ：t h r e e u a r t i n t e r f a c e s , t w ou s b ( m a s t e ra n ds l a v e ) i n t e r f a c e , o n ec a nb u si n t e r f a c e , o n e s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ( s p i ) a n do n ee t h e r n o ti n t e r f a c e t h es y s t e ml e a d st h e c o r r e s p o n d i n gl c di n t e r f a c et oe n a b l ec o l l e c t e dd a t ar e p r o d u c e t h eg r e a t e s tf e a t u r e o ft h ew h o l es y s t e mi sap o w e r f u l ，l o w - p o w e r , l o w - c o s t t a k i n gi n t oa c c o u n tt h e a b i l i t yt os e l f - u p g r a d e , i tl e f tm u c hr o o mf o rd e v e l o p m e n t i no r d e rt o p r o v i d eac o n v e n i e n te n v i r o n m e n t f o re m b e d d e da p p l i c a t i o n d e v e l o p m e n t e m b e d d e ds o f t w a r ep l a t f o r m su s et h eo p e n s o u r c el i n u xo p e r a t i n g 武汉理工大学硕士学位论文 s y s t e mf o rt h ee s t a b l i s h m e n to fs o f t w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r m h l c l u d i n gt h e b o o t l o a d e r , c r o s s c o m p i l e rt o o l s ，f i l es y s t e m s ，n e t w o r k sa n dd i s p l a yd e v i c e sd r i v e r s t r a n s p l a n t a t i o n i nt h ec o u r s eo ft h ed e v e l o p m e n to fs i g n a la c q u i s i t i o n ，t h ed e v i c e d r i v e r sa n da p p l i c a t i o n so fd a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i ta l ep r e p a r e d t h el a s tp a r to ft h i sp a p e ri n t r o d u c e st h et r a n s p l a n ta n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e d g r a p h i c a lu s e fi n t e r f a c em i n i g u i , a n dd e s i g n sag r a p h i c sp r o g r a m t oa c h i e v et h ed a t a c o l l e c t i o 耵【 s t o r a g ea n dr e a l - t i m ew a v e f o r md i s p l a y d a t aa c q u i s i t i o n p l a t f o r mo f $ 3 c 2 4 1 0e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ri s d e a r , c d n l n l o ng o o da n ds c a l a b i l i t y a n dt h eu s eo fe m b e d d e dd a t aa c q u i s i t i o ne q u i p m e n ti s v e r yc o n v e n i e n ti nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n gt e s t s f o re x a m p l e , i tc a r lb eu s e di nt h e f i e l do fv e h i c l ev i b r a t i o nm o n i t o r i n g , m a c h i n e r ya n de q u i p m e n ta tt h es o g n e m o n i t o r i n g , v i b r a t i o nm o n i t o r i n gt u n n e l s ，i to w i 塔am o r eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t s i nt h ea 渤o f i n d u s t r i a lm e a s u r e m e n ta n dc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：e m b e d d e ds y s t c m s , $ 3 c 2 410 ，e m b e d d e dl i n u x , d a t aa c q u i s i t i o n , m i n i g u i 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的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过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 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了谢意。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：且导师签名：叠星平延日期： 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 嵌入式系统介绍 第1 章绪论 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，软 硬件可裁剪，适应于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求 的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系 统以及一些特定的应用程序组成，用于实现对其它设备的控制、监视或管理功 能。 嵌入式系统【l 】是应用软件与系统硬件的一体化，是软硬件紧密耦合在一起的 计算机系统，特别适合于实时的多任务体系。嵌入性、专用性与计算机系统是 其三个基本要素。事实上，嵌入式技术无处不在。日常生活中使用嵌入式技术 的电子产品，小到m p 3 、p d a 、手机、智能玩具等微型数字化产品，大到机顶 盒、网络家电、智能家电、车载电子设备等。在工业和服务行业中，嵌入式技 术已经广泛应用于过程控制、自动化仪表、数控机床、医疗仪器、机器人等各 个领域，逐渐改变着传统的工业生产和服务方式。 嵌入式系统与通用计算机系统在硬件和软件上的主要区别如表1 1 和表1 2 所示。可以看出，嵌入式系统的灵活之处在于“软硬件可裁剪一，其主要特点是： 表1 1 嵌入式系统与通用计算机系统硬件平台的比较 设备名称嵌入式系统通用计算机系统 嵌入式处理器 c p u ( i n t e l 的p e n t i u m 、a m d 的 c p u ( a r m ，m i p s 等)a t h l o n 等) 内存s d r a m 芯片s d r a m 、d d r 内存条 存储设备f l a s h 芯片硬盘 输入设备按键、触摸屏鼠标、键盘、麦克风 输出设备 l c d显示器 声音设备音频芯片声卡 接口m a x 2 3 2 ，u s b 等芯片主板集成 其他设备网卡s d 卡等主板集成或外接卡 武汉理工大学硕士学位论文 表1 2 嵌入式系统与通用计算机系统软件及开发平台的比较 软件名称嵌入式系统通用计算机系统 主板的b i o s 引导，无 引导代码b o o t l o a d e r 引导，针对不同电路进行移植 须改动 1 m n c e 、v x w b r k s 、e m b e d d e dl i n u x 、w i n d o w s 、l i n u x 等 操作系统 u c o s 等( 需要移植)( 不需要移植) 针对硬件设备进行开发或移植，一般不能操作系统附带或网 驱动程序 直接下载使用络下载安装 操作系统或第三方 协议栈裁剪或移植 供应商提供 开发环境借助服务器进行交叉编译在本机就可开发调试 仿真器i c e ( i n - c i r c u i te m u l a t o r )不需要 ( 1 ) 嵌入式系统功耗低、体积小、集成度高并且专用性强。嵌入式系统与p c 最大的不同就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，能够把 p c 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于 小型化，移动能力大大增强。 ( 2 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘等载体中。 ( 3 ) 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，系统精简；操作系统一 般和应用软件集成在一起，量体裁衣、去除冗余。 ( 4 ) 嵌入式系统是与具体应用紧密结合在一起的，对软件代码的质量和可靠 性要求很高，产品应具有较长的生命周期。 ( 5 ) 嵌入式系统本身不具备自举开发能力，需要专门的开发工具和开发环 境。 1 2 嵌入式硬件系统 嵌入式系统在硬件上是以嵌入式处理器为核心，由存储器、i 0 设备、通信 模块以及电源等必要接口组成。在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适于系统 功能接口的s o t ( s y s t e mo nc h i p ) 和s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 芯片， 以最少的外围部件构成一个应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。 嵌入式硬件系统【2 】的核心是嵌入式处理器，它可分为4 类：嵌入式微处理器 ( m i c r o p r o c e s s o r ) 、嵌入式微控制器m c u ( m i c r o c o n t r o l l c ru n i t ) 、嵌入式d s p ( d i g i t a l 2 武汉理工大学硕士学位论文 s i g n a lp r o c e s s o r ) 、嵌入式片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 ( 1 ) 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器就是与通用计算机的微处理器相对应的c p u 。在应用中， 嵌入式系统将微处理器装配在专门设计的电路板上，并在电路板上设计了与嵌 入式系统相关的功能模块，以满足嵌入式系统体积小和功耗低的要求。目前的 嵌入式微处理器主要包括：a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、p o w e r p c 、m o t o r o l a 、6 8 0 0 0 、 a r m 、m i p s 等系列。 ( 2 ) 嵌入式微控制器 嵌入式微控制器将c p u 、存储器和其他外设封装在同一片集成电路里，又 称单片机，是将整个计算机系统集成到一块芯片中，常见的有8 0 5 1 、8 9 5 2 等。 与嵌入式微处理器相比，微控制器最大特点就是单片化，体积大大减小，从而 使功耗和成本降低，可靠性高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。 ( 3 ) 嵌入式d s p 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理运算，提高了编译效 率和执行速度。处理器对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高。指令执行速度也较快。在数字滤波、f f t 、谱分析等方面， d s p 算法正在大量进入嵌入式领域。现在d s p 处理器已被广泛用于振动信号检 测和分析、语音信号处理、图像处理等领域。 ( 4 ) 嵌入式片上系统 随着v i s i 设计的普及和半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现更 为复杂的系统，即s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。各种通用处理器内核和其他外围设备 都将成为s o c 设计公司的标准库中的器件，用标准的v h d l 等硬件描述语言描 述。s o c 可以分为通用和专用两类，通用系列包括的m o t o r o l a 的m c o r e 、某些 a r m 系列器件、e c h e l o n 和n e u r o n 等，专用系列包括p h i l i p s 的s m a r t x a 等。 1 3 数据采集与处理相关技术 数据采集【3 1 是指对温度、压力、流量、位移等模拟量进行采样、转换成数字 量后由计算机进行存储、处理、显示或打印的过程，相应的系统称为数据采集 与处理系统。数据采集与处理系统的主要任务就是采集传感器输出的模拟信号 并转换成计算机能识别的数字信号，由计算机进行相应的加工，并将处理结果 3 武汉理工大学硕士学位论文 进行显示或打印，以便实现对某些物理量的测量和监视，其中一部分数据还将 被生产过程中的计算机控制系统用来控制某些物理量。 数据采集与处理系统的性能指标主要是精度和速度；在保证精度的前提下， 应有一定的采样速率，以满足实时采集、实时处理和实时控制的要求。数据采 集与处理系统可以实现如下几个方面的功能： 数据采集：按照一定的采样频率对模拟信号进行采样，也可以直接对数 字信号和开关量进行采样。 模拟信号处理：模拟信号便于传送，但易受干扰。由各种传感器获得的 低电平信号或者由仪器、变送器输出的小电流信号经过采样和a d 转 换后，由计算机进行数据的正确性判断、标度变换及线性化等处理工作。 数字信号处理：数字信号输入计算机后，通常需要进行码制转换、滤波、 谱分析等处理。 二次数据计算：主要包括平均值、累计值、变化率、差值及最值的计算。 屏幕显示：显示信号波形、趋势图、模拟图、相关性等曲线。 数据存储：按一定的时间间隔，定期将某些重要数据存储在外部存储器 上。 打印输出：定期将各种数据以表格或图形的形式打印出来。 人机接口：操作人员通过键盘或鼠标与系统对话，完成对系统的运行方 式。 1 4 课题研究背景与主要工作 目前，传统的8 位单片机由于其处理速度、系统资源有限，已经不能适应 日益复杂的应用需求：1 6 3 2 位的嵌入式微处理器逐渐取代了8 位的m c u 成为 工业控制设备的核心。数据采集与处理在传统的过程控制系统以及嵌入式多媒 体设备如音频、视频信号处理中占据着十分重要的地位，是实现各类现场模拟 信号、准数字信号数字化的必要环节。在工业应用中，数据采集系统主要采用 的是基于x 8 6 和m c u 架构的硬件方案。x 8 6 是复杂指令集结构( c o m p l e x i n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 的c p u ，基于x 8 6 通用处理器的工业控制计算机系统 在功耗和成本上都较难控制，特别是在高端的数据采集领域受到了很大的限制。 基于单片机的数据采集系统的主要缺点是处理速度慢、系统资源有限、实时性 4 武汉理工大学硕士学位论文 能较差。 当前，利用a r m 微处理器进行数据采集的应用，特别是对能够处理各类模 拟信号和准数字信号的高速数据采集与处理系统的研究还比较少。随着l i n u x 在服务器领域和桌面系统获得的成功，l i n u x 以其良好的移植性能、优秀的网络 功能、对各种文件系统完备的支持、标准丰富的a p i 以及开源、自由和稳定的 特点在嵌入式系统中获得了越来越广泛的应用。根据特定的应用需求，基于a r m 芯片进行i o 设备的扩展与外围电路的设计，针对具体的硬件电路对已有的 l i n u x 内核代码进行修改和移植：基于嵌入式l i n u x 操作系统开发设备驱动程序 和用户应用程序，最终得到符合实际应用需求的精简的嵌入式产品，可以真正 发挥嵌入式系统软硬件可裁剪、可扩展的良好特性。基于a r m 的嵌入式数据采 集与处理系统具有成本低、功耗低、实时性能好及智能程度高等优点，在工业 测量与控制领域具有较为广阔的应用前景，而且在实际工程测试中方便携带。 本课题研究基于s 3 c 2 4 1 0 x 微处理器的硬件平台和基于嵌入式l i n u x 操作系 统的软件平台的搭建。开发了一个集嵌入式控制、数据采集、实时存储与及友 好人机交互界面显示于一体的测试平台，能对各类现场信号进行采集、处理与 显示。主要研究内容包括： 第l 章介绍了嵌入式系统的基本概念，嵌入式硬件平台的分类。讨论了数 据采集与处理相关技术以及本课题的研究背景和主要内容。 第2 章研究了嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 的体系结构，并设计出基于$ 3 c 2 4 1 0 的人机界面硬件电路平台。 第3 章详细的说明了硬件电路板制作规则与过程以及电路板的调试。 第4 章实现了a r m - l i n u x 软件平台的搭建。其中包括交叉环境的建立、 b o o t l o a d e r 的修改与编译、内核的剪裁以及部分驱动程序的移植。 第5 章编写了信号的采集、存储及在l c d 上数据再现程序。 第6 章对全文进行了工作总结，并对系统的下一步工作作出展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章采集系统的硬件设计 嵌入式系统开发与硬件平台紧密相连，没有硬件支持的嵌入式平台是不完 整的。良好的硬件平台也为嵌入式系统应用软件的开发提供许多便利。 本系统选用$ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器作为核心，设计了集实时数据采集、存储、 再现于一体的的硬件电路。硬件电路主要由电源，主控制电路、数据存储模块、 输入输出模块和通讯模块等组成。电源为整个系统正常运行提供了保障；主控 制电路由$ 3 c 2 4 1 0 微处理器及其外围电路组成，是数据采集系统的核心部分， 完成整个系统的控制；模拟信号通过a d 芯片转换得到实时数据。处理器在数 据采集过程中会将数据存入f l a s h ，最后通过l c d 来进行实时再现。另外，系统 还提供了丰富的通讯接口与外界进行数据通信。 2 1 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 体系结构及功能简介 s 3 c 2 4 10 【4 】是韩国三星( s 锄s 岫g ) 公司设计的3 2 位r i s c 嵌入式处理器。该 处理器为手持设备和一般性应用提供了一个高性价比、低功耗、高性能的解决 方案。该芯片基于a r m 9 2 0 t 内核，采用五级流水线和哈佛结构，提供 1 i m i p s m h z 的性能。a r m 9 2 0 t 具有全性能的内存管理单元m m u ( m e m o r y m a n a g e m e n tu n i 0 、独立的1 6 k b 指令和数据c a c h e 以及高速a m b a 总线接 口。图2 1 是$ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图。由图可知为了减少应用系统设计的成本， $ 3 c 2 4 1 0 集成了众多的常用资源，例如：l c d 控制器、n a n df l a s h 控制器、 s d r a m 控制器、系统片选逻辑以及一些常用的通讯接口等资源。以下是 $ 3 c 2 4 1 0 所集成的片上功能： 1 8 v 2 0 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电。 具备1 6 k b 的i - c a t h e 和1 6 k b 的d c a c h c m m u 。 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) 。 l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f l r ) 提供1 通道专用 d m a 。 4 通道d m a 并有外部请求引脚。 6 武汉理工大学硕士学位论文 l c dl c d i 心l j j 总线拧制器 f 控制器d 淞 v 专 r - 一剜优器解码器 a 衄 蚓中断糊 控制器i ” 总线 协蝴p 蚓嗍理 n a n df l a s x l l 颐 i控嗣器i 、厂v 际而b i u踮设氰高i； a p h 总线 f总线控制器ilj 【判优器，解码器p广vl s p i o , i 图2 1 $ 3 c 2 4 1 0 的内部结构图 3 通道u a r t 和两通道s p i 。 l 通道多主i i c b u s l 通道i i s b u s 控制器。 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 l 兼容版。 2 端口u s b 主柳l 端口u s b 设备( 1 1 版) 。 4 通道p w m 定时器和l 通道内部定时器。 看门狗定时器。 1 1 7 个通用f o 口和2 4 通道外部中断源。 功耗控制模式：具有普通、慢速、空闲和掉电模式。 8 通道1 0 b i t a d c 和触摸屏接口。 具有日历功能的l 玎c 。 2 2 硬件系统设计 2 2 1 硬件系统的设计原则 硬件系统设计嘲必须遵循一下原则： ( 1 ) 稳定性和可靠性：工业现场环境比较恶劣，模拟量参数处理的性能直接 影响系统的技术指标，必须从一开始就充分考虑应用现场的各种环境状况，采 取抗干扰措施，选择适当的元器件类型和参数，防止串扰和误差积累。设计要 7 武汉理工大学硕士学位论文 充分考虑硬件电路的简化，使用集成度较高的元器件，提高系统抗干扰性能， 提高稳定性和可靠性。 ( 2 ) 速度与精度：根据允许误差限值，按一定规则分配各个部件模块锁允许 的误差，系统设计过程中根据分配的允许误差选择位数较高的转换芯片，提高 转换精度，选定电路结构。 ( 3 ) 功耗以及数据存储：$ 3 c 2 4 1 0 自身具有低功耗的特点，并具有低速的时 钟操作模式和软件功耗优化能力，非常适合于能耗敏感的场合。$ 3 c 2 4 1 0 内部除 了c a c h e 和特殊用途的s r a m 之外并无大容量的存储器，所以，为保证数据的 存储空间和安全保证，系统扩展了一片n a n d f l a s h 和s d 卡保证了大容量数据存 储的需要。 硬件系统设计应尽量采用开放式硬件架构，把握硬件技术的主流和未来发 展，在设计中要充分考虑系统未来的升级。充分利用现有的成熟的技术，尽可 能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 2 2 2 硬件系统设计的整体架构 根据系统功能需求分析，数据采集的硬件部分首先必须满足系统软件和应 用程序运行时的资源要求，包括处理器的速度、存储空间和运行空间等。其次， 还必须提供丰富的通讯接口，包括程序下载的接口、界面与底层设备以及与上 层以太网的通讯接口等。另外，硬件部分还要包括电源部分以提供系统运行所 需要的电源供应。由此本系统的硬件总体设计【6 】的框图如图2 2 所示。 8 武汉理工大学硕士学位论文 该系统可以分为以下8 个部分：处理器部分、电源部分、存储系统、u a t r 接口、u s b 接口、l c d 接口、网卡驱动芯片、j t a g 调试接口部分。下面介绍 各部分完成的主要功能，具体的硬件电路设计将在下面介绍。 ( 1 ) 处理器部分：$ 3 c 2 4 1 0 是整个硬件系统的核心，除了完成所有的逻辑运 算和控制功能外，还提供各种通讯接口及其它的功能模块，例如l c d 、u s b 等。 ( 2 ) 电源部分：系统需要的电源有5 v 、3 3 v 、1 s v 三种，整个电源部分的 功能就是提供系统稳定运行所需要的电源供应。采用l 5 6 、l m l l l 7 电压转换 芯片可以提供稳定、低噪音的电源。 ( 3 ) 存储系统：$ 3 c 2 4 1 0 内部除了c a c h e 和特殊用途的s r a m 之外并无大容 量的存储器。所以，外部扩展存储系统是必须的。它提供了操作系统和应用程 序运行的空间。外部存储系统要有具有掉电保护功能的静态存储器，用来存放 操作系统和应用程序以及其它数据。本系统外扩了一片“m 的n a n d f l a s h 。另外， 充分考虑未来系统的升级，针对对海量的数据存储情况，本系统导出了s d 卡引 脚。 ( 4 ) 通讯接口：系统提供了丰富的通讯接口，包括三个u a r t 、两个u s b ( 主 和从) 接口、一路c a n 总线接口、一路s p i 串行外围接口和一路e t h c r n o t 接口。 1 ) u a r t 接口可以用于连接底层设备。也可以用来连接p c 机，通过网络文 件系统挂载内核，用于应用程序的下载与调试。 2 ) u s b 口用于控制系统外的u s b 设备或与外界设计进行数据传输；c a n 总线接口用于与人机界面的通讯，用来控制l c d 数据传输；s p i 同样可以用来 做数据传输，它支持三种方式传输：轮询、中断、d m a 方式。 3 ) e t h e m o t 接口与i n t e r n e t 连接，以形成资源共享。同时也可以在应用程序 开发的初级阶段，以网卡驱动为基础，构成一个n f s 网络文件系统，这样在程 序调试阶段不用每次都把文件系统和应用程序固化到f l a s h 中，只是在最终调试 好了的程序通过j t a g 烧写到f l a s h 中，以提高f l a s h 的利用率。 ( 5 ) l c d 部分：是作为一个人机界面不可或缺的部分，显示系统运行状态和 人机交互的接口。 ( 6 ) f l a g 调试接口：作为系统调试的接口，可以通过j t a g 口下载程序或进 行在线调试。 2 3 系统各部分的硬件设计 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 电源系统 电源系统的质量关系到整个系统的稳定性，一个稳定可靠的电源是电子系 统可靠工作的基础。系统选用的直流供电电压是1 2 v 。在整个系统中，我们所需 要的电源有5 v 、3 3 v 、1 8 v 三种。其中，$ 3 c 2 4 1 0 处理器内核电压需要1 8 v 。 u s b 接口、i o 接口、c a n 总线接口、s p i 串行外围接口需要5 v 。其它部分如 l c d 、u a r t 、s d 卡、c s 8 9 0 0 a 、j t a g 接口的电压为3 3 v 。由于逻辑电路部分 功耗很小，$ 3 c 2 4 1 0 的功耗不超过4 0 0 r o w ，系统主要的功率消耗为l c d 部分。 l m 2 5 7 6 是降压型开关稳压集成电路。电路具有非常小的电压调整率和电流 调整率，具有3 a 的负载驱动能力，可以实现从1 5 v - - 3 0 v 的宽范围调节。直流 + 1 2 v 电压经开关稳压集成电路l m 2 5 7 6 将电压转换成5 v 。如下图2 - 3 所示。 二 亨l 队 图2 - 3 + 1 2 v 转+ 5 v 电路图 从s 3 c 2 4 1 0 的手册可知，其1 8 v 内核消耗电流的极限是7 0 m a ，其他部分 无需1 8 v 电压。系统在3 3 v 上消耗的电流与外部条件有关，而我们待测试的 l c d 电流不会超过2 0 0 m a 。这里选用的是l m i l l 7 电压转换芯片。l m i i l 7 的 主要特点如下i 提供1 8 v 、2 5 v 、2 8 5 v 、3 3 v 、5 v 和可调电压的型号。 电流限制和热保护功能。 输出电流可达8 0 0 m a 。 下面图2 - 4 和图2 5 分别是由+ 5 v 转+ 3 3 v 和+ 3 3 v 转1 8 v 的电路图。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 v d ! p | 5 vl m i1 1 7 - 3 3 一一 i 一 天c 眦4 l 于一井岳 # c l 厂 1 0 i u f i 图2 4 + 5 v 转+ 3 3 v 电路图 2 3 2 处理器 图2 5 + 3 3 v 转+ 1 8 v 电路图 处理器部分【_ 7 】的设计中主要关注的有四类信号：电源信号、控制信号、地址 数据总线和通用f o 口信号。s 3 c 2 4 1 0 总共有2 7 2 个引脚。电源和接地引脚有 7 0 多根，再除去2 7 根地址总线和3 2 根数据总线、通用i o 口1 1 7 个，以及 其它的专用模块如l c d 、u a r t 、u s b 、s p i 等的接口，剩下的是需要仔细研 究的控制信号线。 在硬件系统的设计中，应当特别注意芯片引脚的类型。s 3 c 2 4 1 0 的引脚主 要分为三类，即：输入( d 、输出( o ) 、输入输出( i o ) 。对于不用的输入类型的引 脚要接地，否则会导致系统无法正常运行 输出类型的引脚主要用于$ 3 c 2 4 1 0 对外设的控制或通信，由$ 3 c 2 4 1 0 主动 发出，这些引脚的连接不会对处理器自身的运行有太大的影响。 输入输出类型的引脚主要是$ 3 c 2 4 1 0 与外设的双向数据传输通道。 而某些输入类型的引脚，其电平信号的设置是$ 3 c 2 4 1 0 本身正常工作的前 提，在系统设计时必须小心处理。 2 3 3 存储系统 武汉理工大学硕士学位论文 f l a s h 存储器是一种可在系统o n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不丢失的 存储器。它具有功耗低、容量大、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程等 特点，并且可由内部嵌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。常用的f l a s h 的数据宽度为8 位或1 6 位，编程电压为3 3 v 。 本系统使用的n a n d f l a s h 是由三星公司推出的k 9 f 1 2 0 8 u o b 芯片。 k 9 f 1 2 0 8 u o bn a n df 1 a s h 片内寻址采用2 6 位地址形式。从第0 位开始分四次通 过i 0 0 一i 0 7 进行，其顺序是：列地址、低位行地址、高位行地址。具体含义 如下：0 7 位( 2 5 6 ) ：字节在上半部、下半部及o o b 内的偏移地址；8 位( 2 ) ：值 为0 代表对一页内前2 5 6 个字节进行寻址值。为1 代表对一页内后2 5 6 个字节 进行寻址；9 一1 3 位( 3 2 ) ：对页进行寻址；1 4 2 5 位( 4 0 9 6 ) ：对块进行寻址。 由于n a n d f l a s h 对数据的读写操作都是以页为单位的，擦除则是以块为单位 的，因此一次擦除的最小空间为0 x 4 0 0 0 ( 2 1 4 ) 字节。对芯片的读写以及擦除命令 的写入都是通过置高c l e 引脚同时向f o o f 0 7 写入命令代码字节来完成的， 地址的写入则是通过置高a l e 引脚同时写入地址字节来完成。为了实现数据传 输的匹配，需要使用锁存器将数据线的低8 位和控制信号锁存一段时间，c p u 的n c s 3 作为锁存器的使能信号。i o 肛i 0 7 经过锁存器连接c p u 的d b 7 ：0 ， r e 、砸、c e 、c l e 、a l e 分别接c p u 的i o 口相应的引脚。n 朋旧f l a s h 芯 片k 9 f 1 2 0 8 u o m 与$ 3 c 2 4 1 0 的接线图如图2 6 所示。 图2 - 6n a n d f l a s h 电路连接图 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 4 通讯模块设计 ( 1 ) u 州r 几乎所有的微控制器、p c 都提供串行接口【8 】，都使用的是r s 2 3 2 c 标准。 r s 2 3 2 c 标准采用9 芯或2 5 芯接口，以9 芯接口最为常见。要完成最基本的串 行通信功能，实际上只需要r x d 、i x d 和g n d 即可。但r s 2 3 2 c 标准所定时 的高低电平信号和该嵌入式系统接口的i ：v 盯l 电路所定义的高低电平不通， i ：v 1 广r l 的逻辑“l 对应2 v 3 3 v 逻辑“0 对应o v ，加4 v ，而r s 2 3 2 c 标准采 用负逻辑方式，逻辑1 对应5 弘1 5 v ，逻辑“0 对应+ 5 v + 1 5 v 。为了使电 压保持一致，必须加电平转换芯片。 为了与计算机通用串行口兼容，还需要使用电平转换芯片，把3 3 v 的c m o s 电平转换成与普通串行口兼容的信号，然后用于与外设进行通信。本系统采用 m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 的电平转换芯片实现串口的通信。m a x 3 2 3 2 芯片可以 支持两个串口的电平变换，分别为c o m 0 和c o m l 。图2 7 是电路连接图。 三兰 c o m d t x d oll r x d o1 2 t i i n 会t i o u t r o u t ! 譬 圳l ! 墨基苎蚀 1 3r s r x d o = f 图2 7c o m 0 、c o m i 电路连接图 ( 2 ) u s b $ 3 c 2 4 1 0 集成了u s b 控制器，支持两路u s bh o s t 和一路u s bd e v i c e 。与 u s b r c v l 1 兼容，支持低速和全速u s b 设备。u s b 接口接线图如图2 - 8 所示。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 阱2 2 厂言一 笮! 2 3 一l 邑