（通信与信息系统专业论文）自组织交通疏导车载终端硬件平台.pdf

南京邮i 乜人学硕j j 研究生学位论文 摘要 摘要 智能交通系统( i t s ) 是目前交通运输领域的热门研究课题，其核心思想是综合运用现 代信息与通讯等技术来提高交通运输的效率。基于智能交通系统的概念，论文提出了一种 自组织交通疏导系统的设计思路。 论文提出的自组织交通疏导系统综合利用了c d m a 无线数据通信、g i s 数据库、g p s 定位、嵌入式系统技术、信息处理技术和计算机技术，通过数据融合获取实时路况拥塞信 息，并根据这些信息对车辆实现“自组织交通疏导”，实现真f 意义上的自动导航，从而 可以有效地分流交通峰值流量，缓解交通压力。 本论文重点研究了自组织交通疏导车载终端硬件平台的设计。在基于a r m 9 和d s p 双微处理器架构和w i n d o w sc e 嵌入式操作系统基础上，通过扩展g p s 定位模块、c d m a 1 x 通信模块、液晶屏、触摸屏、网络摄像头等外设，丌发出一种车载导航信息终端。 论文详细研究了终端各功能模块的具体电路设计，移植了嵌入式操作系统w i n d o w s c e n e t ，完成了系统外围大部分设备驱动程序的设计。实现了c d m a 通信模块自动拨号 和基于i p 的语音、短信互通平台。最后介绍了系统板级设计和调试的方法。 关键词：a r m 9 、d s p 、c d m a 、g p s 、w i n d o w s c e n e t 南京邮l 乜人学硕i j 研究生学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i t s ( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) i saf o c u so ft h ef i e l do fv e h i c l et r a n s p o r t a t i o na t p r e s e n t ，w h o s ec o r ei d e ai st oe n h a n c et h ee f f i c i e n c eo fv e h i c l et r a n s p o r t a t i o nb yi n t e g r a t i n g m o d e mi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n ds oo n b a s e do nt h e c o n c e p t i o no fi t s ，t h ep a p e rp r o p o s e sak i n do fd e s i g nc o n c e p t i o no fas e l f - o r g a n i z i n gt r a f f i c j a mc o n t r o ls y s t e m as e l f - o r g a n i z i n gt r a f f i cj a mc o n t r o ls y s t e mm a k e su s eo fc d m aw i r e l e s sd a t a c o m m u n i c a t i o n ，g i sd a t a b a s e ，g p sp o s i t i o n i n g ，t h ee m b e d d e ds y s t e mt e c h n o l o g y ，i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , a n do b t a i n st h er e a lt i m et r a f f i cj a m i n f o r m a t i o nb yd a t aa g g r e g a t i o n a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n ，t h es y s t e mr e a l i z e sv e h i c l e a u t o n a v i g a t i o ni nd e e db yi m p l e m e n t i n gs e l f - o r g a n i z i n gt r a f f i cj a mc o n t r o l ，w h i c hc a nb a l a n c e t r a f f i cl o a di np e a kh o u r sa n da l l e v i a t et h et r a f f i cp r e s s u r e t h ed i s s e r t a t i o ne m p h a t i c a l l yr e s e a r c h e st h eh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g no fv e h i c l e - c a r d e d n a v i g a t i o nt e r m i n a li nas e l f - o r g a n i z i n gt r a f f i cj a mc o n t r o ls y s t e m e x p e n d i n gg p sp o s i t i o n i n g m o d u l e ，t h ec d m a1xc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e ，l c ds c r e e n ，t o u c hs c r e e n ，t h en e t w o r k c a m e r aa n ds oo n ，t h ep a p e rd e v e l o p sav e h i c l e c a r r i e dn a v i g a t i o nt e r m i n a lb a s e do nt h ed u a l m i c r o p r o c e s s o ra r c h i t e c t u r e o fa r m 9a n dd s pa n dm i c r o s o f tw i n d o w sc ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h ec i r c u i td e s i g no fe a c hm o d u l ei nt h ev e h i c l e c a r r i e dt e r m i n a l i nd e t a i l ，t r a n s p l a n t sw i n c eo s ，a n dc o m p l e t e st h ep a r t i a lp e r i p h e r a lc i r c u i td r i v e r s t h ep a p e r i m p l e m e n t sa na u t o d i a lo fc d m a c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dac o m m u n i c a t i o np l a t f o r mo f v o i c ea n ds h o r tm e s s a g eb a s e do ni p t h eb o a r dd e v e l o p m e n to fs y s t e ma n dd e b u g g i n g t e c h n i q u ea r ed i s c r i b e da tl a s t k e y w o r d s ： a r m 9 ，d s p ，c d m a ，g p s ，w i n d o w sc e ，n e t 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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 含为获得南京邮电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。 研究生签名： 珥皈吼趔妈 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 研究生签名：枷师签名： 研究生签名：2 匕辫师签名： 日期：峭 南京i f | i j i k j c 学硕- i ：t i j f 5 i ：生学位论文第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 随着经济的高速发展，城市化、汽车化的速度大大加快，道路建设相对较缓慢使得如 今道路堵塞、交通事故、环境污染、能源浪费等问题同益严重，人们越来越认识到交通的 重要性。然而仅仅依靠增加基础设施建设来改善交通状况的潜力是非常有限的，所以就需 要在不扩张道路规模的前提下，提高交通路网的通行能力。这就需要综合运用现代信息与 通信等高科技技术来提高交通运输的效率。智能交通系统就是顺应这种形势而产生的新型 交通系统。 1 2 智能交通系统简介【1 】【2 1 智能交通系统( i t s ) 是目前世界交通运输领域的前沿研究课题，发达国家提出并执行 了一系列研究计划，其核心是将先进的信息技术、数据通讯传输技术、电子传感技术、控 制技术及计算机技术等有效地集成运用于整个地面交通管理系统而建立的一种在大范围 内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。 当日订i t s 的服务领域有：先进的交通管理系统、先进的出行者信息系统、先进的公共 交通系统、先进的车辆控制系统、营运车辆调度管理系统、电子收费系统、应急管理系统 等。其中交通控制和线路诱导是现今城市交通的两大重要管理手段，即为先进的交通管理 系统a t m s ( a d v a n c e dt r a f ! f i cm a n a g e m e n ts y s t e m ) 和先进的出行者信息系统 a t i s ( a d v a n c e dt r a v e l l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 。 先进的交通管理系统a t m s 用于监测控制和管理公路交通，在道路、车辆和驾驶员 之间提供通信联系。依靠先进的交通监测技术和计算处理技术，获得有关交通状况的信息， 并进行处理，及时地向道路使用者发出诱导信号，从而达到有效管理交通的目的。 先进的出行者信息系统a t i s 采取先进的信息技术、数据通讯技术、电子传感技术、 控制技术及计算机技术将采集到的各种道路交通及服务信息经交通管理中心处理后传输 到交通系统的各个用户( 驾驶员、公共交通利用者、步行者) 使得出行者实时选择出行方式 和出行路线。 南京i | f | j 电人学硕i ：研究生学位论文 第一幸绪论 1 3 论文课题的提出 随着经济的高速发展，我国城市交通也f 面临着巨大的挑战，为适应我国社会经济发 展的需求，必须加快智能交通系统发展的步伐，建立起健全畅通、安全、便捷的现代综合 运输体系。 基于智能交通系统的概念，我们提出设计一种自组织交通疏导系统。我们的设计思想 是：在监管车辆上，安装g p s 车辆定位终端，实现对该车辆的监管；同时，我们可以统计 该车辆经过的路径和路口的通过时间，并以该通过时间作为该路口和路径拥塞程度的基本 依据。在一个城市，一旦有多达数万辆的出租车、公交车和其他各种车辆安装了这种设备， 就可以作为分布在城市大街小巷的数力辆道路交通“信息采集车”，自动“感知”各条路 径和交通路口的拥塞情况，然后通过建立数学模型，对这些实时的道路交通信息进行统计 分析，得出整个市区的动态交通路况信息。将这些动态信息与一些静态的交通信息( 如单 行线、在某个时段禁止右拐等) 结合在一起，就可以获得全市的实时交通路况信息。如果 将这些信息发送给各种车辆，并在车上的电子地图上以不同的颜色标记出各个路口和路段 的拥塞程度，就可以提示司机避开拥塞路段，达到交通疏导的目的；也可以将这些信息与 车载导航算法结合在一起，达到真j 下意义上的自动导航。 当感知到某个路口的拥塞程度超过规定门限时，可以通过安装在车辆上的摄像头，抓 拍路况照片，并通过无线通信网络，将该路况信息照片发送到监管中心的后台服务器上。 任何经过授权的司机，都可以查看该照片，在特殊情况下，还可以让司机本人来选择哪条 路径。 “自组织”是指各辆车之间事先无任何关联，独立工作，但将各车采集来的信息通过 数学模型统计归并后，就可以得到全市的动念路况信息。 1 4自组织交通疏导系统 自组织交通疏导系统综合利用了c d m a 无线数据通信、g i s 数据库、g p s 定位、嵌入式 系统技术、信息处理技术和计算机技术，通过数据融合获取实时路况拥塞信息，并根据这 些信息对车辆实现“自组织交通疏导”，实现真f 意义上的自动导航。 1 4 1 系统总体框架 自组织交通疏导系统总体框架如图卜1 所示。 月京m m 、l 删“生学位诧女 镕一绪论 j ! 坚”兰j 羁 删铲 圈1 】自组织交通疏导系统总体框架 从上图中可咀看出自组织交通疏导系统主要由六部分组成：车载终端、服务器集群、 应用程序客户端、c d m a 网络、i n t e r n e t 网络和g p s 卫星。服务器集群是系统的核心， 由桌面p c 担任，具有强大的运算处理能力和超大容量的存储空间，它主要包括：g i s 地 理信息库、自组织道路交通拥塞状况决策系统库及通信服务器三个部分。车载终端以 s a m s u n g 的a r m 9 2 0 t 芯片s 3 c 2 4 1 0 x 为核心嵌入式c p u ，以d s p 为协处理器，扩展 g p s 接收机、c d m a 无线通信模块、u s b 摄像头、液晶屏、触摸屏等外设。车载终端通 过c d m a 无线网络与中心服务器进行信息的交互。应用程序客户端能在任何有网络的地 方，通过c s 或b s 方式登录中心服务器能够进行车辆监控、道路变通路况实时信息查 询及双向i p 短信、语音互通。 1 42 系统总体功能 车载终端负责采集信息，并通过c d m a 无线网络上传给服务器，服务器根据自组织 道路交通拥塞状况决策系统库进行数掘的融合处理，判断出道路的拥塞情况，并及时反馈 给车载终端从而实现实时导航的功能。自组织交通疏导系统主要具有以下功能： i ) 车载终端负责信息的采集，包括车辆经纬度、车速、点火，熄火状态、车门开关信 息、车辆周围环境图像等信息。 2 ) 根据八网车辆当前位置和点火熄火情况将周围路况信息下发到车载终端。车载 3 南京邮i 乜人学倾i j 研究生学位论义 第一章绪论 终端也可以通过命令向中心申请路况信息。 3 ) 实现双向信息互动，下发信息包括图像( j p g 格式) 、语音数据、短消息和各种命 令。上传到中心的信息包括车辆信息、图像、语音等。 4 ) 命令输入采用触摸屏输入和功能键结合的方式。图像抓拍功能可以由中心命令发 起、本地按键出发或定时触发等方式引起。 5 ) 建立道路交通拥塞状况决策系统库：设立测速区，根据车辆的速度和在某道口的 通过时间，确定该路段的拥塞程度。路况信息可以存入数据库。拥塞信息的获取 也可以丌放另外的接口，比如通过网络自动输入其它方式获得的交通路况信息。 6 ) 车载终端安装有电子地图，因而支持导航功能( 时间最优和路程最优2 种方式) ； 在客户端调度软件上，在任意时刻可以发出指令查询车辆所在的地理位置( 经度、 纬度、速度等信息) 并在电子地图上直观地显示出来。 7 ) 在任何有网络的地方，都可以以c s 或b s 方式登录中心服务器，提供车辆监管、 道路交通路况信息查询和双向语音、短信互通等功能。 8 ) 远程定位信息周期上报和周期性信息采集：可以控制远程定位终端按照指定时间 间隔自动报位；设置了车载数据六个上报时段，分别为5 秒、1 0 秒、3 0 秒、1 分 钟、2 分钟、5 分钟。当信息上报周期大于2 0 秒时，定位终端每隔2 0 秒采集一帧 信息，压缩存放，一旦上报周期到，将信息一同上报；在同样信息量条件下，该 技术可以大大压缩通信流量，为用户节省运营成本。 1 5 论文主要工作 本论文的研究目标是基于自组织交通疏导系统的功能和设计思想，设计一款自组织交 通疏导车载终端平台。本文的研究内容可以分成两大主要的部分。第一部分是车载终端硬 件平台设计和实现，硬件环境是基于a r m 9 的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器和 t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 双微处理器系统以及g p s 定位模块、g p r s 通信模块、l c d 液晶显 示模块等。第二部分是嵌入式操作系统w i n d o w sc e n e t 的移植与裁剪、设备驱动程序 的编写及部分应用程序的设计。 全文章节安排如下： 第一章介绍了项目研究的背景和意义，提出项目的设计思路，并重点介绍了自组织交 通疏导系统的总体设计和系统实现的总体功能。 第二章研究了车载终端硬件的设计与实现。首先，分析了嵌入式微处理器的特点并重 南京邮i 【1 人学硕1 ：研究生学位论文 第一章绪论 点介绍了本项目采用的基于a r m 9 的$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式微处理器；其次，给出了车载终端 硬件结构总体框图；最后，详细地介绍了硬件平台各组成部分和具体实现，以及各个模块 设计中的要点。 第三章介绍了w i n d o w sc e n e t 操作系统( 系统特点、功能和系统架构) 和w i n d o w s c e n e t 系统移植步骤，然后详细的描述了系统移植过程，包括引导程序b o o t l o a d e r 设计、 o a l 开发、w i n d o w sc e n e t 操作系统的裁剪( 配置、定制等) 。 第四章介绍了w i n d o w sc e n e t 设备驱动程序的开发，重点研究了流接口驱动程序 的设计，并分析了w i n d o w sc e n e t 下串口驱动原理，实现了多串口的驱动。研究了 w i n d o w sc e n e t 下拨号上网机制，实现了c d m a 通信模块自动拨号程序。最后描述i p 语音、短信互通平台的实现，包括在d s p 平台上实现g 7 2 3 1 语音编解码算法，和c p u 与d s p 之间的h p i 接口在w i n d o w sc e 下驱动程序的丌发。 第五章介绍系统板级设计。简单介绍了高速电路设计的概念、高速p c b 设计技术， 给出了p c b 设计的一般原则( 布局和御线的规则) ，并给出终端硬件平台p c b 版图实例。 第六章介绍了系统板级调试：硬件系统和软件系统调试的基本方法和步骤。 第七章进行了总结。 南京邮电人学顺i t i ) ft u 生学位论文 第一二市下载终端硬件总休设计 第二章车载终端硬件总体设计 2 1嵌入式微处理器的选择【3 1 【4 】 随着嵌入式系统不断深入到人们生活中的各个领域，嵌入式处理器得到了前所未有的 飞速发展。目前据不完全统计，全世界嵌入式处理器品种总量已超过1 5 0 0 多种，流行体 系结构有5 0 多个系列。现在几乎每个半导体制造商都生产嵌入式处理器，越来越多的公 司有自己的处理器设计部门。嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，一般具有以下几个特点： 对实时多任务具有很强的支持能力。处理器内部具有精确的晶振电路，丰富的定 时器资源，从而有较强的实时处理能力。处理器能完成多任务并且有较短的中断 响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执行时间减少到最低限度。 具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而 为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功 能，同时也有利于诊断。 采用可扩展的处理器结构。内部集成丰富的外设，还留有很多扩展接口，以方便 对应用的扩展。 提供丰富的调试功能。嵌入式系统的开发很多在交叉调试中进行，丰富的调试接 口会更方便对嵌入式系统的丌发。 嵌入式微处理器在设计中考虑到低功耗。许多嵌入式处理器提供几种工作模式， 如正常工作模式、慢速模式、省电模式等。这样为嵌入式系统提供了灵活性，满 足了嵌入式系统对低功耗的要求。 目前比较有影响的嵌入式r i s c 处理器产品主要有i b m 公司的p o w e rp c 、m i p s 公司 的m i p s 、s u n 公司的s p a r c 和a r m 公司的a r m 系列。其中以a r m 公司的微处理器的 应用最为典型。 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对 一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 1 9 9 1 年a r m 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。a r m 公司是专 门从事基于r i s c 技术芯片设计丌发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片 生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域。加入适当的外围电路， 6 南京邮电人学硕i ：研究生学位论义 第- 二章下栽终端硬件总体设计 从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都 使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支 持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。 相比其他3 2 位的处理器，a r m 处理器具有以下3 点突出的优点： 小体积、低功耗、低成本、高性能 1 6 位3 2 位双指令集 全球众多的合作伙伴 目前非常流行的a r m 内核有a r m 7 t d m i 、s t r o n g a r m 、a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i 、 a r m 9 2 0 t 、a r m 9 4 0 t 、a r m l 0 t d m i 等。其中a r m 9 系列微处理器在高性能和低功耗 特性方面提供最佳的性能。a r m 9 系列微处理器包含a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和 a r m 9 4 0 t 三种类型，以适用于不同的应用场合。a r m 9 系列微处理器具有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高。 提供1 1 m i p s m h z 的哈佛结构。 支持3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集。 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口。 全性能的m m u 支持，w i n d o w sc e 、l i n u x 等多种主流嵌入式操作系统。 m p u 支持实时操作系统。 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数掘处理能力。 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎己经深入到各个领域： ( 1 ) 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但占据 了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制器提出了挑战。 ( 2 ) 无线通讯领域：目前己有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术，a r m 以 其高性能和低成本，在该领域的地位同益巩固。 ( 3 ) 网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片正逐步获得竞 争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，并获得广泛支持，也对d s p 的应 用领域提出了挑战。 ( 4 ) 消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶盒和游戏 机中得到广泛采用。 ( 5 ) 成像和安全产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术。 手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 7 南京邮i u 人学倾i j 研究生学位论义 笫一帚 下载终端碘件总体设计 除此以外，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得更加广 泛的应用。 s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器，采用a r m 9 2 0 t 内核，最高运行频率可达 2 0 3 m h z ，片内集成了丰富的外设，极大地简化了系统设计的复杂性。自组织交通疏导车 载终端任务繁重，需要有功能强大的处理器支持，本项目选用$ 3 c 2 4 1 0 x 为核心处理器。 2 2s a m s u n g 的$ 3 c 2 4 1 0 x 简介 2 2 1 $ 3 c 2 4 1 0 x 功能结构【5 1 $ 3 c 2 4 1 0 是三星公司的3 2 位r i s c 嵌入式处理器。它专为手持设备和一般应用而设 计，能满足嵌入式系统中的低成本低功耗高性能小体积的要求。为了尽可能减少系统的整 体成本，$ 3 c 2 4 1 0 包括了以下组件：1 6 k b 的指令和数据c a c h e 、处理虚拟存储器管理 的m m u 、支持s t n 和t f t 的l c d 控制器、n a n df l a s h 的系统引导器、s d r a m 控 制器、触摸屏接口、u s b 接口、p l l 时钟产生器等。 $ 3 c 2 4 1 0 是基于a r m 9 2 0 t 内核，采用0 1 8 微米标准c m o s 技术制造的。它的小巧 低功耗全静态设计特别适合于价格和功耗敏感的系统。它采用了一种全新的总线设计，即 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 。a r m 9 2 0 t 内核实 现了m m u 认m b a 总线和分离的指令和数据c a c h e 哈佛结构。另外，提供完整的系统 外围设备使得$ 3 c 2 4 1 0 能够尽可能地减少系统的整体成本和减少需要扩展的外设。 s 3 c 2 4 1 0 x 拥有如下功能： 独立的1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ，m m u 扩展内存控制器( s d r a m 控制器和外部片选信号产生逻辑) l c d 控制器( 支持4 k 彩色s t n 和2 5 6 k 彩色t f t ) ，一路专用l c d 的d m a 通道 4 路带有外部请求引脚的d m a ，2 路s p i 3 路u a r t ( i r d a i 0 ，1 6 字节t xf i f o ，和1 6 字节r xf i f o ) 1 路多主i i c 总线和l 路i i s 总线控制器 s d 主机接e l ( v e r s i o n1 0 ) 和m m c ( m u l t i m e d i ac a r d ) 接口( 兼容v 2 1 1 协议) 2 路u s b 主机接口和一路u s b 从接口( 兼容v 1 1 协议) 4 路p w m 定时器和一路内部定时器 看门狗定时器 1 1 7 个通用i o 口，包括2 4 个外部中断源 r 4 种电源管理模式：正常、低速、休眠、掉电 8 路1 0 位的a d c 触摸屏接e l r t c ( 带万年历功能) 带p l l 的片上时钟发生器 该处理器最高运行频率可达到2 0 3 m h z ，其功能框图如图2 1 所示： 图2 1s 3 c 2 4 1 0 x 功能框图 2 3 车载终端硬件框架 根据对自组织交通疏导系统功能需求的分析，车载终端采用如下设计方案： a r m + d s p 双c p u 架构，以s a m s u n g 的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 x 为核心处理器，外围扩 9 南京i i l l ； u 人学硕i j 研究生学位论文 第二市下载终端碘件总休设计 展6 4 0 x 4 8 06 4 k 色t f t 彩屏、触摸屏、键盘、g p s 模块、c d m a 模块等；同时，通过并 行口扩展t l 的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 0d s p 芯片，作为语音处理平台，实现语音录入、语音压缩 解压和语音回放。语音前端芯片采用m o t o r o l am c l 4 5 5 4 0 语音编解码片，为i p 语音通信 实现前端p c m 编解码。$ 3 c 2 4 1 0 x 外扩一路i i s 音频电路，实现m p 3 音乐播放功能；通 过u s b 主机接口连接u s b 摄像头，实现路况信息实时抓拍：采用t r i m b l e 公司i qg p s 模块实现车辆定位功能：采用a n y d a t a 公司d t g s 8 0 0c d m a 模块实现无线网络通信功 能。t f t 彩屏、触摸屏和键盘为人机接口器件，实现与用户的人机交互功能。车载终端 硬件框图如图2 2 所示。 图2 - 2 车载终端硬件框图 2 4 外部存储系统的扩展 2 4 1s 3 c 2 4 1 0 x 的内存分配与管理 $ 3 c 2 4 1 0 x 存储器控制器为访问外部存储空i 日j 提供需要的控制信号，支持对外部存储 空间的扩展。$ 3 c 2 4 1 0 x 地址空i 日j 为每个内存槽为1 2 8 m b y t e s ，共8 个b a n k s ，总共可 寻址i g b ，其中六个b a n k s 只能作为r o m 、s r a m 使用，剩下两个为r o m 、s r a m 、 s d r a m 使用。七个b a n k s 的起始地址为同定地址，一个可移动。每个b a n k 对应一个 g c s n 片选线，可通过使能g c s n 信号以决定那个b a n k 被访问。并且支持s d r a m 自刷 新和低功耗模式。内存映射如下图2 3 ： 南京j j j i j l 乜人学硕j j 研究生学位论文第一二章下载终端硬件总体改计 图2 3 系统复位后内存映射图 $ 3 c 2 4 1 0 x 有两种引导模式：n o rf l a s h 引导和n a n df l a s h 引导。b a n k 0 用作 引导b a n k ( b o o t i n gr o mb a n k ) ，所以在第一次r o m 访问时必须配置b a n k o 的总线宽度， 可由外部引脚o m 1 ：0 】配置引导模式和总线宽度。o m 1 ：0 】配置方式如表2 - 1 所示： 表2 1b a n k 0 引导模式及总线宽度设置 o m li o p e r a t i n gm o d e1 )o m 0f o p e r a t i n gm o d e0 ) b o o t i n gr o md a t aw i d t h 00 n a n df l a s hm o d e 011 6 _ b i l 103 2 b 订 11t e s tm o d e $ 3 c 2 4 1 0 x 具有专门的n a n df l a s h 接口，启动代码能从外部n a n df l a s h 内存执行。为 了支持n a n df l a s h 作为引导区，$ 3 c 2 4 1 0 配备了一块4 k 大小的内部s r a m 缓存，称作 “s t e p p i n g s t o n e ”。 n a n df l a s h 控制器具有自启动模式，当启动的时候，n a n df l a s h 的自订4 k 引导代码将 会装载到s t e p p i n g s t o n e 早面，装载到s t e p p i n g s t o n e 中的引导代码将会被先执行。引导代码 接着会把n a n df l a s h 中的内容全部拷贝到s d r a m 罩面，拷贝完成后主程序将会在 南京邮 乜人学硕i ：研究生学位论文第二幸干载终端碘件总体设计 s d r a m 里面执行。 图2 - 4n a n df l a s h 操作方法 n a n df l a s h 控制器具有以下接口信号： 信号线说明 d 7 ：0 】 数掘命令地址输入输出接口( 与数据总线复用) c l e 命令锁存允许( 输出) a l e 地址锁存允许( 输出) n f c en a n df l a s h 片选( 输出) n f r en a n df l a s h 读允许( 输出) n f w en a n df l a s h 写允许( 输出) n w a i tn a n df l a s h 准备好忙( 输入) n a n df l a s h 通过d 7 ：0 】复用来传输数据、命令、地址信号。在配置n a n df l a s h 模式时， 要通过以下步骤实现： 1 写n f c o n f 寄存器设置n a n df l a s h 模式； 2 写n a n df l a s h 命令进n f c m d 寄存器： 3 写n a n df l a s h 地址进n f a d d r 寄存器： 4 通过检查n f s t a t 寄存器的状态进行读写数据，在读操作前或编程操作后必须检 查r n b 信号的状态。 2 4 2s d r a m 扩展电路 s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o m a c c e s sm e m o r y ) 是指同步动态随机存储器， 同步指的是时钟频率与c p u 自l 端总线的时钟频率相同，并且内部的命令的发送和数据的 南京邮r u 人学硕l ：研究生学位论义 第一二幸下载终端硬件总体改计 传送都以它为基准，因此不存在延迟或等待时i b j 。动念是指存储阵列需要不断的刷新来保 证数据不丢失。随机是指数据不是线性依次存储，而是自由指定地址进行数据的读写。 s d r a m 基于双存储体结构，内含两个交错的存储阵列，当c p u 从一个存储体或阵 列访问数据时，另一个就己为读写数据做好了准备，通过这两个存储阵列的紧密切换，读 耿效率就能得到成倍的提高。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电， 为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。因此，要在系统中使用s d r a m ，就要求微处理 器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 c 2 4 1 0 x 在片内具有独 立的s d r a m 刷新控制逻辑，可方便的与s d r a m 接口。 s d r a m 具有单位空间存储容量大、速度快和价格便宜的优点，己厂泛应用在各种嵌 人式系统中。目前s d r a m 的最高访问速度可达到5 n s 。与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保护数据的特性，但存取速度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性， 因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空问、数据及堆栈区。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，操作系统及用户堆栈、运行数据也都放 在s d r a m 中。【6 】 目前，常用的s d r a m 有8 位1 6 位宽度的，主要的生产厂家有h y n i x 、s a m s u n g 、 w i n b o n d 等。本终端选用h y n i x 公司s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ：4 b a n k sx4 mx1 6 b i t s 容量、3 3 v 工作电压、l v l v r l 电平接口、时钟频率为1 3 3 m h z ，用两片并联构成3 2 m 的 3 2 位s d r a m 存储系统。电路原理图如图2 5 所示： 卷引壁琶 i d d r 22 3 1 1 1 1 ) r 3 2 4 1a 1 ) d r 42 5 l & d d r 5 2 6 l nj ) r 2 u i n i 】k 7 j i i i 、dl ) r h3 i l 、d d r t j3 2 l 、d d r j3 3 i f 】n r i i3 4 l i ) l 】r i12 2 i 、i ) f p i l3 5 l 、d d r i4m l n 1 ) k2 j2 。s r 茹a sjlq离l筹ngc。 “s c w a ；= 量三盘兰 - 。_ 一 2l d a t l h 4l d 1 1 7 5l d l ir 7l d t a l 9 r 1 d ar a 2 i oi i ) 、r ：l l i i b j a 2 ： 1 3l d tk 2 3 4 2l d 丁 ：j l n 、1 a i 4 5d t a 2 t , 4 7d 、【a2 7 “l d 、t 、? h l 1 ) 、l 、二_ 5 ii lj i 5 )i i ) a ：i ：囊圭萋 昏耋懑渊习唇兰懑激 巨懑溅塾洲巨懑懑 图2 5s d r a m 电路原理图 1 3 南京邮i 乜入学顾i ：研究生学位论文第一二市下载终端硬件总体设计 器件u 2 构成3 2 位数据总线中的高1 6 位，器件u 1 构成低1 6 位。n s c s 为片选信号： n w e 为写允许信号，低电平有效：l d q m 、u d q m 为数掘输入输出屏蔽信号，选通高低 位字节：b a 0 、b a l 为b a n k 地址选择信号；s c k e 、s c l k 分别为时钟信号使能信号和时 钟信号。 2 4 3f l a s h 扩展电路【7 】 f l a s h 是一种非易失存储器，掉电后数据能够不丢失，在系统中主要用来存储程序 ( 操作系统和应用程序) 和用户数据。嵌入式系统中使用的f l a s h 主要分为n o r 和n a n d 两种类型。车载终端中选用n a n df l a s h 存储引导程序、操作系统内核和用户数据，但 预留了n o rf l a s h 接口电路，可根据实际情况进行调整。 n o r 闪存的特点是芯片内执行( x i p ) ，这样应用程序可以直接在f l a s h 闪存内运行， 不必再把代码读到系统r a m 中。它比较适合于程序代码比较小的系统。而n a n d 则是 高数据存储密度的理想解决方案。 f l a s h 闪存是非易失存储器，可以对称为块的存储器单元块进行擦写和再编程。任 何f l a s h 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行 写入操作之前必须先执行擦除。n a n d 器件执行擦除操作是十分简单的，而n o r 则要求 在进行擦除前先要将目标块内所有的位都写为0 。由于擦除n o r 器件时是以6 4 - - 1 2 8 k b 的块进行的，执行一个写入擦除操作的时间为5 s ，与此相反，擦除n a n d 器件是以8 3 2 k b 的块进行的，执行相同的操作最多只需要4 m s 。执行擦除时块尺寸的不同进一步 拉大了n o r 和n a d n 之间的性能差距，统计表明，对于给定的一套写入操作( 尤其是更 新小文件时) ，更多的擦除操作必须在基于n o r 的单元中进行。这样，当选择存储解决方 案时，设计师必须权衡以下的各项因素。 n o r 的读速度比n a n d 稍快一些。 n a n d 的写入速度比n o r 快很多。 大多数写入操作需要先进行擦除操作。 n a n d 的4 m s 擦除速度远比n o r 的5 s 快。 1 n a n df l a s h 扩展电路 本系统采用了s a m s u n g 的n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 u o a ，容量为6 4 m x 8 b i t 。该器件分 为4 0 9 6 个b l o c k ，每块b l o c k 含3 2 个页，每页由5 1 2 字节的数据和1 6 字节的备用空间 组成( 备用空间可以用束存储e c c ( 纠错码) 、坏块信息和文件系统相关的数据) 。该器件结 1 4 南京邮t e j c 学硕 j 研究生学位论义 第二辛下载终端硬件总休设计 构说明如图2 - 6 所示： ： ， ； 1 2 8 kp a g e s - - - 4 ，0 9 6b l o c k s 一，5 1 2b y t e s 一一“1 6b 煅 1b l o c k ：3 2p a g e s ，( 1 6 k + 5 1 2 ) b y t e 、8 啸 l o7 1p a g e = 5 2 8 b y t e s 1b l o c k = 5 2 8 bx3 2p a g e s = f 1 6 k + 5 1 2 ) b y t e s 1d e v i c e = 5 2 8 bx3 2 p a g e sx4 , 0 9 6b l o c k s ：5 2 8m b i t s 图2 -