（控制科学与工程专业论文）基于arm的智能仪表设计与开发.pdf

摘要 d s p 、a r m 等高性能微处理器的应用极大支持着仪表对数字信号、各种复杂滤波控 制算法的处理，使传统仪表转向了智能化和网络化，成为仪表开发的一个重要方向；随 着工业信息网络技术进一步发展，基于嵌入式t c p i p 的控制网络体系，具备工业i t 特 征的以现场总线为主的智能化仪器仪表与自动化控制系统，无疑将是工业化转向信息化 的重要特征。 本文正是基于这个出发点，设计开发了基于高性能a r m 处理器的智能仪表，该仪 表最突出的特点是在现场级别实现了t c p i p 协议，使现场设备能与信息网络通信，将 工业控制网络与信息网络统一起来，相关人员只需通过w e b 浏览器和智能客户端即可 进行实现远程监控。 对于智能仪表的设计开发过程及现场实验，本文共分四个部分进行全面阐述：首先 对目前流行的应用十分广泛的嵌入式智能仪表技术的发展和背景进行论述；接着对智能 仪表硬件结构进行分析，主要是高性能a r m 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 的外围接口电路，包括 电源复位电路、存储器、以太网及模拟量输入输出等电路的设计与扩展；第三，对智能 仪表的软件系统设计进行讲述，软件设计包括四个方面：一是嵌入式操作系统 a r m l i n u x 的移植、文件系统制作和底层驱动程序编写，二是智能仪表本机上应用软件 移植和编写，三是远程客户端制作和网络间通信协议，四是智能仪表中用到的p i d 和 d m c 控制算法；第四，设计好的智能仪表在实验设备上的调试及监控实验；最后，对 本课题的总结及展望，并指出本文研究中的不足。 本文把嵌入式技术、网络信息技术、经典控制算法结合应用于智能仪表设计开发中， 综合了a r m 平台的高性能数据处理能力、信息网络高速数据传输能力、p i d 和d m c 控制算法的控制能力，以满足智能仪表开发的需求，经过现场设备的实验，获得了低功 耗、高速采集数据等良好效果。 关键词：智能仪表；高性能a r m 处理器；a r m l i n u x ；w e b 服务器；d m c d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t b a s e do na r m z h a ok a i ( c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f y uz u o j u n a b s t r a c t s i n c et h ea p p l i c a t i o no ft h eh i 曲p e r f o r m a n c ep r o c e s s o r ss u c ha sa r m d s p ，d i g i t a l s i g n a l sa n dk i n d so fc o m p l i c a t ec o n t r o la l g o r i t h m sa r ee a s i l ym a n a g e db yi n s t r u m e n t s ， w h i c h m a k e st r a d i t i o n a li n s t r u m e n t st u r nt ot h et r e n do fi n t e l l i g e n c ea n dn e t w o r k w i t ht h ed e e p e r d e v e l o p m e n to fi n d u s t r i a li n f o r m a t i o nn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h ec o n t r o ln e t w o r kb a s e do nt h e t c p i po fe m b e d d e ds y s t e m ，t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sa n da u t o m a t es y s t e mw i n lf e a t u r e s o fb o t hf i e l db u sa n di n d u s t r i a li t ，w i l lb et h el a n d m a r ko ft h ei n d u s t r i a l i z a t i o nt u r n i n gt o t h ei n f o r m a t i o n t h et h e s i sr i g h t l yg o tt h ep o i n t ，t h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n tw a sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d w i t ha r m i th a st h eo u t s t a n d i n gf e a t u r et h a tt h et c p i pw a sr e a l i z e do nt h ef i e l dd e v i c e t h e nt h ef i e l dd e v i c e i sc o n n e c t t e di n t ot h ei n t e r n e t ，s ot h ec o n t r o ln e t w o r ki sm e r g e di n t o t h ei n t e r n e t t h er e m o t es e n s i n gc a nb eg o n eo nb yt h eo p e r a t i o ns t a f f t h ep r o c e d u r eo fd e v e l o p i n gt h ei n s t r u m e n ta n df i e l de x p e r i m e n ti ss t a t e db yt h ea u t h o r d e v i d i n gi n t of o u rp a r t s i nt h ef i r s tp l a c e ，t h eb a c k g r o u n da n dd e v e l o p m e n to fp o p u l a r t e c h n o l o g yo fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t sw i d e l yu s e d a r ed i s c u s s e d t h e ns e c o n d l y ，t h e h a r d w a r eo ft h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n ti sa n l y s i z e d ， m a i n l ya b o u tt h ep e r i p h e r a lc i r c u i to f $ 3 c 2 4 1 0 a ， i n c l u d i n gr e s e tc i r c u i t ，s t o r a g ed e v i c e ， n e t w o r kd e v i c e ， a d ，d ae r e t h i r d l y ，d e s i g no fs o f t w a r ei ss t a t e d a n dt h i sp a r ti n c l u d e sf o u rl i t t l ep a r t s ：( i ) p o r t i n go f a r m l i n u x ，p o r t i n go ft h e f i l es y s t e m ，p r o g r a m m i n go fd r i v e r s ( i i ) p o r t i n ga n d p r o g r a m m i n go fa p p l i c a t i o ns o f t w a r er u n n i n g o nt h ei n t e l l i g e n ti n s t u m e n t s ( i i i ) p r o g r a m m i n g o fr e m o t ec l i e n to np c ，c o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 ( i v ) p i da n dd m cc o n t r o la l g o r i t h m s f o r t h l y ，t h ei n s t r u m e n ti sa p p l i e do nt h ef i e l dd e v i c e si no r d e rt o t e s tt h ep e r f o r m a n c e a t l a s t ，t h ec o n c l u s i o na n dt h ep r o s p e c to f t h es u b j e c ti sg i v e n ， a n dt h es h o r t a g ei sg i v e nt o o e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，i n t e r n e ti n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ec l a s s i ca l g o r i t h m sa r e c o m b i n e da n da p p l i e dt ot h ei n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t t h e r e f o r eh i g h - s p e e dd a t ap r o c e s s i n g ， h i 曲一s p e e dd a t at r a n s m i s s i o na n dc l a s s i ca l g o r t h m sc a l lb ei n t e g r a t e dt o g e t h e rt os a t i s f yt h e d e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t s t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t si m p l e m e n t e do nt h ef i e l d d e v i c e s ，t h eb e t t e rr e s u l t so fh i g h s p e e dd a t aa c q u i s i t i o na n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o na r e a c h i e v e d k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n ti n s t r u m e n t ；h i g hp e r f o r m a n c ea r mp r o c e s s o r s ；a r m l i n u x ；w e b s e v e r e r ；d m c 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：丛当u日期：易扣年月罗e l 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印 刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机 构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、 借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、 缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：赵绌 指导教师签名：弋 嘘 日期： o 年月罗1 9 日期：矽o 年月罗日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第1 章前言 1 1 基于嵌入式智能仪表发展趋势n 2 1 自上世纪中叶起，传统仪表已经作为非常重要的检测控制手段应用于工业领域，这 包括，化工、钢铁冶炼、煤炭生产以及电力行业，它的稳定性及安全性已经在长时间的 检验中得到了验证，可以长时间工作而不会出现故障，对上述行业的安全要求是极为有 利的。 然而随着信息时代的到来，仪表既需要可靠工作，又需要接受外界的指令，将数据 远传和接受远程控制，智能仪表就是在这种背景下登上了检测和控制的舞台。上世纪8 0 年代，仪表开始使用功能较强的微处理器，开始具备人机接口界面，使得传统的检测设 备有了长足的进步；上世纪9 0 年代，仪表中加入了d s p 、a r m 等高性能微处理器作为 核心，使仪表对数字信号和各种复杂滤波控制算法的处理功能得到了大幅度提高；之后， 伴随现场总线和集散控制系统的进步，组建控制回路要求仪表能够更便捷接入总线和 d c s ；这些都让传统仪表逐渐转向了智能化和网络化，成为仪表开发的一个非常重要的 方向。 智能仪器的出现，凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，极大地扩充了传统仪器 的应用范围，在家用电器、科研单位和工业企业中得到了迅速并广泛的应用 2 1 。 信息技术推动了科学技术和国民经济的高速发展，现场总线中融入了计算机数字化 通信技术。现场设备通过自动控制系统接入企业信息网络，智能仪表扮演了重要角色， 为企业信息网络提供底层数据。 随着工业信息网络技术进一步发展，以网络结构体系为主要特征的新型自动化仪 表，即具备p 地址的智能现场仪表代表了新一代控制网络发展的必然趋势。基于嵌入 式t c p i p 的控制网络体系，具备工业i t 特征的以现场总线为主的智能化仪器仪表与自 动化控制系统，无疑将是工业化转向信息化的重要特征。 1 1 。1 智能化 智能化技术是仪器仪表和测控设备的发展方向，这种趋势出现较早，现代工业生产 的复杂性、高效率、高精度、多参数促成了这一点。国内外产品普遍具有强大的智能化 功能，如具有自动切换量程、对主要元器件自检测、故障后自诊断功能，具有进行复杂 运算和自动补偿误差的能力，能够适应复杂控制，并可灵活改变功能和扩展模块等。 智能化测量控制仪表的发展尤为迅速。一方面，新的技术不断问世，带动了智能仪 第1 章前言 表产业的发展，层出不穷的新型智能仪表被应用到化工、冶金等工业领域；另一方面， 经济和社会的发展带动了对智能仪器仪表的消耗，世界上对智能仪表需求增长速度为 3 4 ，而在国内市场上，始终保持着2 0 的增长，更大更复杂的工艺流程始终保持着 对智能仪表的旺盛需求。 1 2 2 网络化 网络技术支持着测控技术、仪器设备不断满足工业生产的需求，因此网络化成为智 能仪表发展的另一个方向。计算机网络发展迅猛，其中i n t e m e t 为主要代表，有线、无 线网络技术不断进步，使网络通信变得容易，i n t e m e t 拥有的软硬件资源正在应用于更 多工业领域。如，远程数据采集与远程设备控制、智能监控资源远程实时使用、故障设 备远程诊断等。 与此同时，出现了网关、路由器、中继器等各种网络互联设备，它们性能优越、成 本低廉。加之网络接口集成芯片技术的进步，使不同类型的测控网络、企业网络间的互 联更加方便。在部分场合有线网络无法涉足，不断发展并实际应用的无线网络和无线通 信技术成功弥补了这些地方，使网络真真切切地涉入到现代测量与控制的全过程。仪器 的网络化发展趋势越来越明显，并提出了“网络就是仪器”的概念。 网络技术不仅只是将现代生活带入了网络信息时代，它与工业技术结合，使工业智 能仪器有了巨大的发展空间，能够接入网络的新型智能仪器开始出现。随着基于t c p i p 协议的专用芯片的发展，智能仪器与i n t e m e t 网络连接越来越便捷【l 】。 目前企业内部信息网主流是i n t r a n e t ，即基于w e b 的信息互联网。i n t r a n e t 基于t c p i p 协议，具有开放性的互联标准，可以方便地与i n t e m e t 连接。借助其相关技术，i n t e m e t 与智能仪器产的结合越来越紧密。这样互联网的节点不仅有服务器、工作站，还有智能 测控仪器仪表。工厂测控系统将采用类似互联网络的体系结构和通信模型 5 】。 例如，目前最为常用的现场总线测控系统，将现场的智能仪器和智能装置作为节点， 遵循互联网的体系结构和通信模型，通过网络将工作站连同现场的智能仪器仪表和生产 装置联成有机的测控系统。联网后的测控网络无疑会使测控系统的应用领域及范围明显 扩大，功能显著增强【4 】。 1 2基于嵌入式高性能处理器智能仪表国内外发展现状 国际上智能测量仪表更是品种繁多，例如，美国h o n e y w e l l 公司生产的u m c 8 0 0 混合控制系统达1 6 个模拟控制回路，4 个8 输出设定点程序，1 个1 6 输出设定点程序， 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 完美解决小型、中型单位回路和逻辑控制的方案。 美国f i s h e r 公司生产4 1 9 4 系列压力控制器，可以感知两种不同压力值并比对两者 与设定值之间的压差，具有防自动复位措施、内部自动手动切换器，可以进行远程设定 点调试。 美国罗斯蒙特6 4 4 h 型智能温度变送器，可接收2 、3 、4 线的热电阻、热电偶及电 阻和毫伏输入。每台变送器在工厂均进行环境温度特性化，以减少在整个工作温度范围 内的测量误差，采用h a r t 协议进行数据远传，先进的诊断功能可减少到现场维护的次 数。 日本横河公司的y s l 0 0 0 系列单回路控制器，具备卓越的控制性能及高可靠性，采 用全点阵l c d 多窗口显示，先进的可编程性能，双c p u 与硬手动控制，能够对控制输 出备份，具备丰富的通信接口：以太 网( m o d b u st c p ) 、m o d b u s 等。 香港虹润精密仪器有限公司生产的a 1 人工智能模糊自整定调节仪采用了多项国际 先进技术，达到国际先进水平。仪表输入采用数字校正及自校准技术，测量精确稳定， 消除了温漂和时漂引起的测量误差；输出采用模块化硬件结构设计，可通过更换不同的 功能模块实现多种控制方式，先进的智能调节算法，控制精度稳定，无超调，具备高精 度的自整定( a t ) 功能。 澳洲p o r c h e s o n ( 宝捷信) 公司生产的e k 2 1 5 温控系统采用嵌入式系统设计， 可设定j 、k 、e 、b 、p t l 0 0 五种热电偶型号，具有断线报警保护功能，采用p w m 脉 宽调节输出。 功率单元为模块式结构，带短路保护功能，有发热圈除湿功能，除湿时间可以自由 设定，可延长发热圈使用寿命。算法采用双p i d 温度控制算法，确保温度控制准确， 内置c a nb u s 、r s 2 3 2 通讯接口，m o d b u s r t u 标准通讯协议，可连接电脑进行控制， 可配多种通用键盘或触摸屏。 台湾研扬科技生产的经济型嵌入式控制器a e c 6 4 2 0 ，采用i n t e la t o mn 2 7 0 处理器， 支持d i m m d d r i i4 0 0 5 3 3 系统内存( 最大2 g b ) 。a e c 6 4 2 0 可以在较低的工作电压下 运作以降低功耗，配备了灵活的i o 接口和丰富的存储功能：配有2 个c o m 口，4 个 u s b2 0 接口，1 个并口；1 个s a t a i d e 接口，1 个内置c f 插槽用于满足存储扩展需 求。 此外，还配置了两个千兆以太网i u 一4 5 接口以提供更好的网络连接和通讯。其他功 能还包括支持主流的操作系统，如w i n d o w sx pp r o ，w i n d o w sx pe m b e d d e d 和f e d o r a ， 第1 章前言 具有良好的兼容性，适用于工厂自动化，楼宇自动化及其他类似领域。 厦门安东电子生产的l u r 1 0 0 l 液晶流量计算无纸记录仪为三通道无补偿输入的流 量计算无纸记录仪。仪表输入为全切换万能输入，可输入热电阻、热电偶、标准电压、 标准电流等信号，可提供反馈电压输出。能够直接连接微型打印机，打印用户指定时间 的实时、历史数据及曲线；通过r s 2 3 2 接口与笔记本电脑、掌上电脑( p d a ) 连接后， 操作人员可查看仪表历史数据；也可获取历史数据后，使用数据管理软件对其进行趋势 分析、备份、打印存档。通过r s 4 8 5 通讯方式，可与m c g s 、组态王等专业组态软件 连接，完成实时监控功能。 1 3 本课题研究的目的及安排 目前在国内出现的许多智能网络设备中有变频器、p l c 等，它们有的功能简单不适 合组成测控系统，有的价格昂贵，。组成简单测控系统大材小用，因此本课题基于a r m 微处理器设计了智能仪表，既节省成本同时又拥有较强组成测控系统的能力。 1 3 1研究目的及意义 嵌入式系统与网络技术以及数据库技术的结合可以极大地增强嵌入式设备的智能 化与灵活性。将数据库系统移植到嵌入式设备中，可以方便、有效的管理嵌入式设备上 的数据。将w e b 服务器移植到嵌入式设备中，基于l i n u x 强大的网络功能，可以实现嵌 入式设备的网络化，而构建这样的嵌入式仪表，可以直接通过t c p i p 网络协议接入 i n t e r a c t 实现远程测控；最终用户仅仅需要将仪表接入网络，通过操作系统上最常用的 网络浏览器和远程客户端就可以方便的管理和查询数据，大大方便了使用者。 1 3 2 课题安排 本课题将在硬件设计、软件编程、监控实验等多个方面对嵌入式智能仪表进行阐述， 详细说明基于a r m 的嵌入式智能仪表是如何实现的。 本文总共分为五章来论述这些问题，每章内容如下： 第1 章主要论述智能仪器仪表发展方向及趋势，通过具体例子说明国内外智能仪器 仪表发展现状及具体功能，最后给出课题设计的目的、意义及章节安排。 第2 章主要论述基于a r m 智能仪表硬件设计实现，针对具体处理器一高性能a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，分析其接口设计电路，并指出设计过程需注意关键问题。 第3 章主要论述基于a r m 智能仪表软件设计实现，采用开源的a r m l i n u x 嵌入式 操作系统，设计接口电路驱动程序，智能仪表数据采集、监控应用程序等，结合各种编 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 程技术详细阐述设计思想。 第4 章主要论述基于a r m 智能仪表采集数据监控实验，验证智能仪表采集功能、 控制算法功能，并详细分析实验结果。 第5 章为全文的结论与展望。 本文重点在于硬件设计与软件设计，其中难点是高频电路设计与驱动程序编写，应 用程序中克服不同平台之间的数据存储结构不同也是难点之一，在后续章节中本文将详 细介绍这些内容。 第2 章基于a r m 智能仪表硬件设计及实现 第2 章基于a r m 智能仪表硬件设计及实现 智能仪表硬件结构图如图2 - 1 核心板采用3 3 v 供电，其他模块由5 v 直流供电，j t a g 下载调试接口，1 2 m 晶振作为外部时钟，控制延时低，功耗低，适合工业控制要求。 图2 - 1 硬件系统结构图 f i 9 2 - 1a r c h i t e c t u r eo f t h eh a r d w a r e 基于a r m 智能仪表主控微处理器使用a r m 9 架构的$ 3 c 2 4 1 0 a ，外围有存储器、 串行口、网络接口、u s b 、a d 与d a 接口；组成完整仪表系统。高速的a r m 处理器 与其他硬件接口电路协同工作，能够完成数据采集、监视控制等各种实时处理任务，本 章将把系统设计具体化，给出a r m 智能仪表硬件设计实现。 2 1主控微处理器选型 2 1 1 系统需求分析 本课题要设计完善的智能仪表系统，最主要的核心部件是嵌入式微处理器，一般具 备以下四个特点： 1 ) 对多任务操作系统有很强的支持能力，具备高精度时钟及实时中断响应时间， 从而使内部操作系统和实时应用程序的执行时间最短。 2 ) 有很强的存储区管理和保护功能，由于嵌入式操作系统系统的内核软件结构已 经模块化，为了避免在软件进程之间出现非法的互相访问进程空间，需要具备完善的存 储区管理和保护功能。 3 ) 有可扩展的架构，可以生产多种高性能的嵌入式微处理器满足实际工业应用。 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 ) 嵌入式微处理器必须低功耗，特别是靠电池供电的便携式的无线移动监控和通 信嵌入式系统，最好只有m w 级。 智能仪表本身要求能够采集数据和输出控制信号，与外部交互必不可少，要求微处 理器具有如下接口： 处理器内部具备高速a d ，d a 模块；或者具有高速主频及丰富的i o 引脚，保 证能够外接高速、高精度a d ，d a 模块；为保证实时性，要求处理器处理数 据及运行操作系统速度高、多级外部中断和精确定时中断。 能够连接网络芯片，轻易介入i n t e r n e t ，处理多任务。 丰富的接口资源，绝大多数智能仪表支持数据通信接口，如u a r t 、u s b ；另 外，在设计仪表过程中，某些功能器件与处理器通过s p i 总线连接。 按照对核心微处理器及完整的智能仪表所需接口这两项要求，本课题选择市场占有 率较高和在仪器仪表领域应用较多的a r m 系列处理器。 2 1 2 嵌入式微处理器a r m n 踟口6 力 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 公司设计了全球领先的1 6 3 2 6 4 位r i s c 微处理器 a r m 处理器。该处理器有两大特点：第一，其体积小，功耗低，性价比高；第二， 为1 6 3 2 位双指令集。经过多年发展，a r m 成为r i s c 嵌入式领域诸如移动通信、数字 消费的事实标准。 依据内核的不同，a r m 处理器有许多系列，每个系列均具有特殊的性能，可满足 不同领域的需求。在这里将重点介绍目前市场上流行的a r m 9 核。a r m 9 系列问世于 1 9 9 7 年，其处理器都有t h u m b 压缩指令集和基于e m b e d d e di c ej t a g 的软件调试方式， 在高性能和低功耗方面表现极佳，而且a r m 9 系列兼容a r m 7 系列，但其能比a r m 7 进行更灵活的设计。 另外，该系列处理器支持五级流水线，可以使指令执行的更快，再加上指令c a c h e 和数据c a c h e ，具备了更高的指令和数据处理能力。全性能的m m u 支持w i n d o w s c e 、 l i n u x 等多种主流操作系统。a r m 处理器为什么可以占据r i s c 微处理器7 5 的市场份 额，从这些高性能的特点不难看出。a r m 9 处理器主要用于仪器仪表、无线设备等多个 领域。 a r m 公司是一家知识产权供应商，它不制造且不向用户终端出售芯片，而是通过 转让设计方案，由合作伙伴生产出各具特色的芯片。这是其与一般的半导体公司最大的 不同。目前，总共a r m 公司与1 0 0 多家公司签订了技术使用许可协议，其中包括 第2 章基于a r m 智能仪表硬件设计及实现 s a m s u n g 公司。截至2 0 0 4 年，这些合作伙伴已经生产出1 2 亿片a r m 处理器。 $ 3 c 2 4 1 0 a 就是这种方式产生的基于a r m 9 系列的处理器，由s a m s u n g 公司生产， 具有以上a r m 9 系列的各项特点。它因为具有高性能，低功耗，在消费电子和智能仪表 中得到广泛应用。 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器分为a r m 9 2 0 t 核和片上资源两大部分，其中a r m 核包括 a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分。其中，m m u 可用于虚拟内存管 理。 片上资源包括： 内置外部存储控制器( s d r a m 和n a n d f l a s h 控制) ，带有存储芯片选择功能， 最大可达4 g 字节3 2 位线性地址空间，完全采用冯诺依曼结构设计。 带有l c d 控制器，支持触摸功能的液晶显示屏，可极大的加强液晶显示功能。 带有1 6 位定时器p w m 发生器，工作循环，频率和极性都可编程，能产生死区； 支持i i c 总线，支持异步串口通讯u a r t 和同步串口通讯s i o ；2 4 个外部中断， 非常适合实时操作系统。 从上述特点可以看出：$ 3 c 2 4 1 0 a 接口资源丰富和控制功能灵活，结构设计完全参 照冯诺依曼结构设计，主频较高的处理器功能上可以比得上早期的p c 机，所以在运行 实时代码和处理数据方面的能力是理想的。另外丰富的接口足够满足我们所设想的智能 仪表的需求。 最后一点，s a m s u n g 为推广其芯片，为开发者提供系统设计模板和板级支持包， 这将大大降低开发者在硬件：软件等方面花费的时间，减少不必要的失误。 现在工艺过程逐渐复杂，需要检测的参数逐渐增多，需要保存的数据逐渐增大，还 要求具备远程操作功能。单纯使用单片机设计开发显的有些力不从心，实际工况要求智 能仪器功能更强，单片机无法执行多任务，只能顺序执行函数，实现复杂的新功能有可 能重新开始，大大降低了芯片使用的使用效率。 支持多种流行的操作系统，处理多任务是嵌入式a r m 芯片最大的特点，很容易实 现复杂的系统要求。这样的处理性能对智能仪表的发展起着巨大的推动作用。可以预见， 在今后，支持嵌入式实时操作系统的a r m 芯片将被引入更多的智能仪表中。 2 2电源及复位电路 要设计一款好的集成电路，电源必须要设计好，可以说，电源设计的好坏将直接影 响集成电路的性能，$ 3 c 2 4 1 0 a 是一款低功耗的嵌入式微处理器，它的电源需要使用1 8 v 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 供电，它的外围器件如网络接口芯片等也是低功耗，需要用3 3 v 供电。在本课题中， 供电电源使用壁上电源经过变压器处理后转换为5 v 直流电，经过一个二极管和一个开 关后进入稳压芯片。 由于整个电路中有三种电源，稳压芯片使用了两种，l m l 0 8 5 3 3 和a s l l l 7 - 1 8 分 别将5 v 直流电变化为3 3 v 和1 8 v 稳定电压供给各种外围器件和核心微处理器使用。 复位电路在集成电路中的作用也不可忽视，在本课题中使用低电平监视器 i m p 8 1 1 ，来产生人工复位信号。i m p 8 1 1 可以用于3 3 v 和5 v 供电集成电路或者微处理 器的的人工复位信号，同时可以实现对电源电压的监控。典型的复位电路如图2 2 所示： i j 4 0 4 图2 - 2 复位电路 f i 9 2 - 2r e s e tc i r c u i t 其中i c en t r s t 与i c en s r s t 是来自于仿真器的信号，使用集成2 个与门的 7 4 h c 2 1 与其他信号共同起作用，产生的两个复位信号n t r s t 和r e s e t 分别用于微处 理器c p uj t a g 的复位和$ 3 c 2 4 1 0 a 的板级系统整体复位，其中r e s e t 信号还要经过 非门处理后作为网络芯片复位信号。需要说明的是，仿真器信号i c en s r s t 信号使板 级系统整体复位，i c en t r s t 可以使j t a g 复位。 2 3 存储器接口电路臼 s 3 c 2 4 1 0 a 的存储器控制器提供访问外部存储器所需要的控制信号，完成存储空间 9 第2 章基于a r m 智能仪表硬件设计及实现 映射，具有以下特性： 存储空间共有8 组( b a n k s ) ，使用n c g s 7 ：0 片选信号选择组；其中6 组( b a n k 0 b a n k 5 ) 用于s r a m ，r o m 类型存储器，剩下的2 组( b a n k 6 b a n k 7 ) 可用于s d r a m ，s r a m ， r o m 三种类型存储器；每组大小1 2 8 m ( 8 组共1 g ) ，其中b a n k 0 只能是1 6 3 2 位宽，其 余b a n k s 都是可编程访问大小( 可以是8 1 6 3 2 位宽) ；前7 组b a n k 固定起始地址，最后 l 组b a n k 的起始地址可调整；所有存储器组( b a n k s ) 的周期都是可编程的。可以通过外 部插入w a i t 来延长总线访问周期，支持s d r a m 的自刷新和掉电模式。所有存储器控制 器均可以设置d , 大端存储方式， 1n a n d f l a s h 存储器 由于n a n d f l a s h 比n o r f l a s h 存储空间更大，价格更便宜；s d r a m 价格也相 对便宜，而且存储数据稳定，出错率较小，因此，首选n a n d f l a s h 和s d r a m 搭配 来作为$ 3 c 2 4 10 a 外部存储空间。 $ 3 c 2 4 1 0 a 可选择启动模式，一种是n a n d f l a s h 启动，另一种是从n o r _ f l a s h 启动。$ 3 c 2 4 10 a 带有一个n a n d f l a s h 控制器，可以轻松实现从n a n d f l a s h 启动， 当处理器在这种模式下上电或复位时，需要设置o m 端口电平( o m 1 ：0 _ o o ) 。在这种 模式下我们可以将b o o t l o a d e r 引导程序与操作系统镜像存放在外部的n a n d f l a s h 中 启动，内置的n a n d f l a s h 控制器将引导程序自动加载到内部s r a m 并运行，通过硬 件错误代码校验( e c c ) ，检验n a n d f l a s h 中数据的有效性。接着s r a m 中的引导程 序将系统镜像加载到外部s d r a m 中运行，操作系统启动之后，这部分s r a m 就可以 用作其他用途【1 2 】。 在此我们选用s a m s u n g 公司6 4 mn a n d f l a s h k 9 f 1 2 0 8 。它的存储能力是 6 4 m ，能够以1 8 v 和3 3 v 供电。 n a n d f l a s h 有三种地址：块地址( b l o c ka d d r e s s ) ，页地址( p a g ea d d r e s s ) ，列地址 ( c o l u m na d d r e s s ) 。一个页( p a g e ) 大小5 2 8 b ，3 2 个页是一个块( b l o c k ) 。k 9 f 1 2 0 8 有 4 0 9 6 个块，既可以对块操作也可以对页操作。例如，擦除是以块为单位，编程读取以 页为单位进行。k 9 f 1 2 0 8 能够在2 0 0 u s 内完成写入，2 m s 内完成擦除，具有优秀的存储 功能。 另外，k 9 f 1 2 0 8 的引脚简单，地址、命令以及数据输入输出端口是共享的，都是 i o 7 ：o ，这些引脚分别与$ 3 c 2 4 1 0 a 的数据总线d a t a 7 ：0 连接，以完成输入输出地址、 命令和数据，其余控制使能端口分别与$ 3 c 2 4 1 0 a 对应i o 口相连。存储器是工作在 1 0 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 n a n d f l a s h 启动状态，故o m 0 ：i = 0 0 ，使用3 3 v 电压供电，典型n a n d f l a s h 与 s 3 c 2 4 1 0 a 连接接口设计如图2 3 所示： v d d 3 3 r 3 0 0 1 0 f r b 3 0 1 1 0 k 1 9 一 7 f c l e n f w e n f r e n f c e 1 6 1 7 1 8 8 9 6 1 3 3 6 i 0 7 5 的6 i 0 4 加3 的2 i 0 1 i ，o o s e v s sv c c v s sv c c 鼬f 1 2 0 8 4 4 4 2 4 3 4 1 3 2 2 9 3 0 3 1 1 2 3 7 c 3 0 1 1 0 4 l d a t a 7 l d a t a 6 l d a t a 5 l d a t a 4 l d a t a 3 l d a t a 2 l d a t a l l d a t a 0 v d d 3 3 2 3 0 2 1 0 4 = 一 图2 - 3n a n d f l a s h 接口电路原理图 f 适2 - 3s c h e m a t i co fn a n d f l a s h i n t e r f a c e 2s d ra m 存储器 s d r a m 选用半字器件h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a t h 两片，即6 4 m 获得足够大内存。 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 a t h 存储空间密度高，存储率带宽高，非常适合用作主要内存，在时 钟上升沿时完成数据读写。 以其中一片连接为例，半字器件要求高低字节必须分开存储，因此处理器地址线与 存储器地址线要错开两位，s 3 c 2 4 1 0 a 地址总线a d d r 1 4 ：2 对准存储器地址线a 1 2 ：0 ， 行地址与列地址共用地址总线，地址总线a d d r 2 5 ：2 4 与存储器b a i ：o 连接用来选择 存储器组，处理器n s c s o 与存储器n c s 连接作为片选信号，存储器其余使能端口与 $ 3 c 2 4 1 0 a 相应i o 端口相连。s d r a m 典型的连接方式如图2 - 4 所示。 $ 3 c 2 4 1 0 a 片内集成独立的s d r a m 刷新控制逻辑电路，非常容易使用。对s d r a m 存储器来说，可使用$ 3 c 2 4 1 0 a 的b a n k 6 和b a n k 7 存储器空间，恰恰针对的是s d r a m 。 如图2 - 4 所示我们所使用的是s d r a m ，对应的是b a n k 6 ，因此在使用时仅需要设置的 寄存器主要与几个关键的寄存器有关，例如设置b a n k 大小的b a n k s i z e 寄存器。 一 肿舳 |三|：|耽旺 第2 章基于a r m 智能仪表硬件设计及实现 l a 2 l a 3 l a 4 l a 5 l a 6 l a 7 l a 8 l a 9 l a l o l a l a l 2 l a l 4 l a 2 42 0 2 1l a 2 5 n s r a s 1 8 1 7 1 9 1 6 1 5 3 9 3 8 3 7 n s c a s n s c s o l n w e l n 、 ，b e 2 l n w b e 3 n s c l k l n s c k e 4 m + 1 6 b i t 宰4 u 2 0 2h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b a o b a l n 】r a sv d d n c a sv d d n c sv d d n w e v d d q l d q mv o d q u d q m v d d q c l k v d d q c l 汪 d 9 口a 们 篙l 寻l 葛1 2 l 。l 导l 窝 5 3 5 l l d a t a 3 1 l d a t a 3 0 l d a t a 2 9 l d a t a 2 8 l d a t a 2 7 l d a t a 2 6 l d a t a 2 5 l d a t a 2 4 l d a t a 2 3 l d a t a 2 2 l d a t a 2 1 l d a t a 2 0 l d a t a l 9 l d a t a l 8 l d a 丁a 1 7 l d a t a l 6 1 1 4 2 7 4 9 3 9 4 3 v d d 3 3 1 0 4 11 0 41 1 0 4 l 1 0 4 图2 _ 4s d r a m 接口电路 f i 9 2 - 4s d r a mi n t e r f a c ec i r c u i t 2 4r s 2 3 2 串行口接口电路 串行通用异步收发器是p c 和嵌入式处理器上最常用的资源，s a m s u n g 公司生产 的$ 3 c 2 4 1 0 a 带有三个u a r t ，经过适当的处理可以扩展为r s 2 3 2 接口。这些u a r t 接口支持d m a 和中断两种模式；串行数据发送和接收可以是5 位，6 位，7 位或者8 位；波特率可编程，最高为1 1 5 2 k b p s ：每个u a r t 都具有内部1 6 字节的发送f i f o 和 1 6 字节的接收f i f o 。当发送数据时，数据先写到发送f i f o ，然后复制到移位发送寄存 器，再从输出端口一次性被移位输出；接收数据时，也同样从接收端口移位输入到移位 寄存器，然后复制到接收f i f o 中【3 0 1 。 因为u a r t 控制器集