（微电子学与固体电子学专业论文）医疗数据无线收发与处理系统的设计与研究.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e s i g no ft h em e d i c a ld a t at r a n s f o r m a n d p r o c e s ss y s t e m ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l i uh a i z h o u s u p e r v i s o r ：p r o f p a ny o n g c a i h u b e iu n i v e r s i t y w u h a n ，c h i n a 湖北大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特另z j ) j h 以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 论文作者签名：勘薄州 日期：弘l1 ) 年6 月1 日 学位论文使用授权说明 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论文的印 刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以允许采用影印、缩印、数字 化或其它复制手段保存学位论文；在不以赢利为目的的前提下，学校可以公开学位 论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 作者签名：支】；毛；1 日期：扣 。6 - f 指导教师签名： f 拓彳 1 日期：t o v 苫 摘要 针对嵌入式医疗设备的国内外研究现状，本文以医疗数据的无线收发和处理 为出发点，围绕系统平台的软硬件设计展开研究。采用流行的a r m 处理器芯片 s 3 c 2 4 1 0 a 和l p c 2 11 4 ，结合基于2 4 g h z 的单片无线收发模块n r f 2 4 l 0 1 ，设计 了包括采集端和终端两部分在内的医疗数据无线收发与处理系统。本文以系统组 成为基础，分采集端和终端两部分对整个系统的硬件电路和软件设计做详细的介 绍，包括无线收发模块的电路和驱动的设计与实现以及w i n c e 下的流接口驱动 和应用程序的设计与研究。 其中终端部分重点研究数据采集、数据显示和数据处理等功能的设计与和实 现。同时终端部分系统研究了w i n c e 下的s p i 与无线收发模块的驱动设计与实 现以及w i n c e 下的驱动的固化和加载等问题。该系统平台很好的解决了设备间 无线互联，具有很强的通用性，能被广泛的运用到医疗监护、智能家居、工业控 制等领域。该系统平台在进行系统的性能优化和功能增强后拟用于医疗监测领 域。 本文所研究的课题源于x x 医疗器械有限公司的便携式体征监测仪项目和 武汉市科技攻关计划项目。 关键词：a r m ；w i n d o w sc e ；无线收发；n r f 2 4 l 0 1 ；采集端；终端； a b s t r a c t f o rt h ea n a l y s i so ft h ep r e s e n td e v e l o p m e n ta n da c t u a l i t yo fe m b e d d e dm e d i c a l d e v i c ef r o mh o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e so nt h ed e s i g no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r eo ft h i ss y s t e mp l a t f o r m ，m a k e st h ew i r e l e s st r a n s c e i v e ra n dp r o c e s s i n go f m e d i c a ld a t aa sas t a r tp o i n t t h ew i r e l e s st r a n s c e i v e ra n dp r o c e s s i n gs y s t e ma b o u t m e d i c a ld a t ai sd e s i g n e di n t ot w oi n d i v i d u a lp a r t s ，s a m p l ed e v i c ea n dt e r m i n a l a r m p r o c e s s o r $ 3 c 2 4 1 0 ac h i pa n dl p c 2 11 4 ，w h i c ha r ew i d e l yu s e d ，a r ea d o p t e db yt h i s s y s t e m ，w i t ht h ew i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l en r f 2 4 l 0 1t o g e t h e r n r f 2 4 l 0 1i s a w i r e l e s st r a n s c e i v e rw i t l ls i n g l ec h i p ，w h i c hw o t k so nt h ef r e q u c eo f2 4 g h z b a s eo n t h ec o m p o n e n t so ft h es y s t e m t h ee n t i r ed e s i g no fc i r c u i ta n ds o f t w a r ea r e p a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ec i r c u i ta n dd r i v eo f t h ew i r e l e s st r a n s c e i v e r m o d u l e a l s o ，t h es t u d y a n di m p l e m e n to ft h es t r e a mi n t e r f a c ed r i v e ra n d a p p l i c a t i o n ，w h i c hr a no nt h ew i n d o wc eo p e r a t i n gs y s t e m ，a r em e n t i o n e di n t h i s p a p e ra tt h es a m et i m e t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h ed a t ac o l l e c t i o n ，d a t a d i s p l a ya n dd a t ap r o c e s s i n gf u n c t i o n sw a si n t r o d u c e do nt h ep a r to ft e r m i n a li nt h i s p a p e r a tt h em e a nt i m ei ta l s om a k e a s t u d yo nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fs p i a n dw i r e l e s st r a n s c e i v e rm o d u l ed r i v e rw h i c ha r er u n n i n gu n d e rw i n d o w sc e o p e r a t i n gs y s t e m t h i ss y s t e m ，w h i c ha l l o w su s e r st oc o n n e c tt w od e v i c e sw i t h o u tl i n e , c a nb eu s e d f o rr e f e r e n c ei ns o m eo t h e rf i e l d a f t e ras e r i e so fe n h a n c e df u n c t i o n a l i t ya n d p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ，i ti su s e df o rm e d i c a lm o n i t o r i n g t h eo b j e c ti n t h i sa r t i c l ei sc o m ef r o mt h ep r o j e c to fp o r t a b l es i g n sm o n i t o r d e v i c ei nx xm e d i c a ld e v i c ec o ，l t da n dt h ew u h a ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：a r m ；w i n d o w sc e ；w i r e l e s st r a n s c e i v e r ；n r f 2 4 l 0 1 ；s a m p l ed e v i c e ； t e r m i n a l n 目录 第一章绪论1 1 1 引言l 1 2a r m 简介l 1 2 1 a r m 处理器”l 1 3 嵌入式系统2 1 3 1 嵌入式系统的定义2 1 3 2 嵌入式系统的特点2 1 3 3 嵌入式系统的发展趋势3 1 4 无线通信”4 1 5 课题的研究背景及本文的主要工作4 第二章系统的架构和组成5 2 1 系统的架构“5 2 2 整个系统工作流程5 2 - 3 系统各组成部分的构成6 2 3 1 终端6 2 3 2 采集端”6 第三章系统硬件设计7 3 1 终端硬件平台7 3 1 1s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器7 3 1 2l c d 和触摸屏“9 3 1 3s p i 接口“1 2 3 1 4 电源供电1 4 3 1 5 串口调试接口15 3 1 6u s b 接口15 3 2 采集端硬件平台1 6 3 2 1a r m 7 处理器l p c 2 114 16 3 2 2 硬件接口17 3 3 无线收发模块1 9 1 1 1 3 3 1 无线模块n r f 2 4 l 0 1 的特点1 9 3 3 2n r f 2 4 l 0 1 工作模式1 9 3 3 3n r f 2 4 l 0 1 结构和接口电路2 1 第四章w i n c e 操作系统的设计与研究2 2 4 1 w i n d o w sc e 概述2 2 4 1 1 w i n d o w s c e 操作系统2 2 4 1 2 w i n d o w s c e5 0 介绍2 3 4 2w i n d o w sc e 开发工具2 3 4 2 1p l a t f o r mb u i l d e r 简介”2 3 4 2 2e m b e d d e dv i s u a lc + 2 4 4 3w i n d o w sc e 下的驱动2 4 4 3 1 本地设备驱动程序“2 4 4 3 2 流接口驱动2 5 第五章设备驱动程序的设计和实现2 7 5 1n r f 2 4 l 0 1 驱动的设计与实现2 7 5 1 1n r f 2 4 l 01 中的s p i 接口2 7 5 1 2 i 瓜f 2 4 l o l 接口驱动函数2 9 5 1 3 n r f 2 4 l 0 1 的配置”3 0 5 1 4 n r f 2 4 l o l 的发送过程”3 2 5 1 5 n r f 2 4 l 0 1 的接收过程”3 3 5 2 采集端驱动设计与实现3 4 5 2 1 a d 采样3 4 5 2 2 l p c 2 11 4 的s p i 外设驱动”3 4 5 2 3 串口接口驱动”3 5 5 2 4 采集端工作流程”3 5 5 3 终端的驱动设计与研究3 6 5 3 1l c d 和触摸屏驱动的设计与研究3 6 5 3 2s p i 驱动3 8 第六章数据显示与处理的设计与研究4 3 i v 6 1 显示界面和控件的设计4 4 6 1 1 显示界面设计。4 4 6 1 2 曲线显示控件”4 5 6 1 3 功能菜单4 6 6 2 多线程和线程同步”4 6 6 2 1 数据接收线程4 9 6 2 2 数据显示线程4 9 6 3 数据处理4 9 6 3 1 数据处理步骤一4 9 6 3 2 相关算法的设计与研究5 0 第七章总结与展望5 0 7 1 全文总结5 0 7 2 展望51 v 第一章绪论 第一章绪论 一 1 1 引言 近年来，随着嵌入式和电子技术的不断创新，嵌入式移动智能信息终端得到 了快速发展。其体积小、稳定性好、高度自动化及实时性强等优点，使得嵌入式 移动智能信息终端在很多领域得到了广泛的应用，如工业过程控制、远程监控、 智能仪器仪表、医疗监护等。 像信息技术的许多行业一样，无线通讯行业也在迅速地发展。无线数据通信 的应用领域越来越广：遥控遥测、无线抄表、生物信号采集、机器人控制等。无 线通信技术，其移动性、自由性、不受时间与地点限制等特性，正影响着人们生 活的方方面面。其中射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 技术在短距离数据传输中的运用尤 为广泛。 本文所研究的课题源于x x 医疗器械有限公司的便携式体征监测仪项目和 武汉市科技攻关计划项目：基于h 2 6 4 的嵌入式无线视频术研究( 项目编号： 2 0 0 9 1 0 3 2 1 0 9 8 ) 。在以上两者的基础上并结合当前的相关技术展开本课题的研究。 1 2a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 作为微处理器行业的知名企业，设计了大 量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件。它是全球领先的1 6 、 3 2 位嵌入式r i s c 微处理器解决方案供应商，向全球各大电子公司提供高性能、 低成本和高效率的r i s c 处理器、外设和系统芯片技术授权。 1 2 1 a r m 处理器 a r m 微处理器发展到今天已经形成了一个完整的体系。其体系结构目l j f 发 展并定义了7 种不同的版本，从版本v l 发展到v 7 。相应的a r m 处理器系列也 从a r m l 发展到今天的c o r t e x 系列。a r m 系列微处理器主要包括a r m 7 、a r m 9 、 a r m l 0 、a r m l l 和s e c u r c o r e 、c o r t e x 等系列。除了具有a r m 体系结构的共同 特点以外，每一个系列的a r m 微处理都有各自的特点和运用领域。 1 ) a r m 7 a r m 7 系列包括a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、带有高速缓存处理器宏单元 的a r m 7 2 0 t 和扩充了j a z e l l e 的a r m 7 e j s 。其中a r m 7 2 0 t 高速缓存处理宏 湖北大学硕士学位论文 单元还提供8 k b 缓存、读缓冲和具有内存管理功能的高性能处理器，支持l i n u x 、 s y m b i a no s 和w i n d o w sc e 等操作系统。 a r m 7 系列广泛应用于多媒体和嵌入式设备，包括i n t e m e t 设备、网络和调 制解调器设备，以及移动电话、p d a 等无线设备。无线信息设备领域的前景广 阔，因此a r m 7 系列也瞄准了下一代智能化多媒体无线设备领域的应用。 2 ) a r m 9 通常说的a r m 9 包括a r m 9 系列和a r m 9 e 系列。其中a r m 9 系列包括： a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 和带有高速缓存处理器宏单元的a r m 9 4 0 t 。a r m 9 e 系列为综合处理器，包括a r m 9 2 6 e j s ，a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 8 e s ，使用单一 的处理器内核，提供了微控制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，因此适用于 同时使用d s p 和微控制器的场合。 目前a r m 9 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子、通信、网络、医疗、 汽车、安防等各类产品市场，这些产品正在逐步渗入到人们生活的各个方面【l 】。 1 3 嵌入式系统 1 3 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 一个嵌入式系统就是一个硬件和软件的结合体，它包括硬件和软件两部分。 硬件包括嵌入式处理器控制器数字信号处理器等。软件部分包括嵌入式操作系 统和应用程序，应用的领域不同，应用程序千差万别【3 1 。 1 3 2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统可以称为后p c 时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机、 数字产品相比，利用嵌入式技术的产品有其自身的特剧。 1 针对性强 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向特定的运用的，不可独立发展的。 针对用户的运用需求，嵌入式系统的软硬件均可以裁减和添加，面向的用户是不 一样的，处处体现了其针对性强的特点。 2 系统精简 2 第一章绪论 嵌入式系统的操作系统内核量非常的精简，能更快捷、更可靠的执行任务 程序，降低对存储空间的要求，使系统的复杂程度降低。同时，嵌入式系统也要 求其外围器件精简可靠，以最大的性价比满足用户的需求。 3 高可靠性 嵌入式系统要求能克服各种复杂恶劣环境的高可靠性。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， 而不是存贮于磁盘等载体中。 4 强实时性 实时性是嵌入式系统的一个基本要求。嵌入式系统的实时性分为硬实时和 软实时，硬实时规定了任务完成的截至时间，不能有丝毫的延时，软实时要求则 低于硬实时，条件宽一些。 1 3 3 嵌入式系统的发展趋势 信息和数字技术的飞速进步使得嵌入式产品获得了巨大的发展机遇，为嵌入 式市场展现了美好的前景。嵌入式系统的发展出现如下发展趋势： 1 、计算能力越来越高 嵌入式系统的计算能力一直在不断提高。随着多媒体等技术的发展电子消费 市场的成熟，有更多的复杂算法需要嵌入式系统去计算和处理，对计算能力的要 求也越来越高。 2 、集成度增强 s o c 技术的发展适应了稳定性、可靠性等许多指标的要求。越来越多的嵌入 式产品开发商和系统集成商选择s o c 作为产品的核心，由选择单一的器件变成 选择更集中的系统模块。 3 、网络功能越来越强 网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的加大而r 益提高，网 络互联成为必然趋势，这就要嵌入式系统具备网络功能，支持t c p i p 、c a n 、 b l u e t o o t h 等通信接口。 4 、适应能力增强 嵌入式系统要灵活多变，具备很强的适应性。要求能尽可能缩短开发周期， 在很短的时问里完成系统的设计，适应新出现的功能需求。 3 湖北大学硕士学位论文 5 、交互性增强 嵌入式系统需要提供友好的多媒体人机界面，实现人机交互。嵌入式设备能 与用户亲密接触，能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式【4 1 。 1 4 无线通信 当前使用的无线通信技术主要包括下面几种： 1 、红外数据通讯：红外线瓜，是一种无线通讯方式，可以进行无线数据的 传输。红外通讯一般采用红外波段内的近红外线，波长在o 7 5 微米至2 5 微米之 间。红外线通讯的特征：红外传输是一种点对点的传输方式，无线，不能离的太 远，要对准方向，且中间不能有障碍物也就是不能穿墙而过，几乎无法控制信息 传输的进度。 2 、射频( r a d i of r e q u e n c y , r f ) 技术：使用几个特定频率中的一个频率传输数， 主要是指i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n i f i cm e d i c a l ) 频段，对这些频段的使用不需要经过通 讯委员会的许可便可直接使用，这些频率的工作范围包括 4 3 3 9 2 m h z 4 3 4 3 2 m h z ，9 0 2 m h z 9 2 8 m h z ，2 4 g h z 2 4 8 5 3 g h z 。在中等衰弱的建筑 物中，r f 信号一般可以穿透一到三堵墙，它可以用于室外、开放或者封闭的室 内。 3 、蓝牙技术：蓝牙技术是一种低功率短距离的无线链接技术标准的代称， 其实质是要建立通用的无线空中接口及其控制软件的公开标准，使通讯和计算机 进一步结合，使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况 下，能在近距离范围内具有互用、互操作的性制2 0 1 。 1 5 课题的研究背景及本文的主要工作 目前绝大部分医疗监护设备体积较大，设备问的连接仍然采用有线的方式， 数据通过设备间的电缆连接线传输。体积庞大和使用复杂的电缆实现设备问的连 接和通信给设备的移动带来诸多不便。同时设备的使用对场地要求高，大大缩减 了设备的适用范围。例如在人体生理信号的测量中，通常需要许多生理信号传感 器，传感器测量出的信号等医疗数据通过有线的方式送到监护仪上，被测对象的 活动受到限制，不符合设备人性化的设计要求。 将嵌入式技术和无线技术结合起来运用到医疗监护设备上很好的解决了上 述的问题。将嵌入式终端和无线通信技术应用于医疗监护设备在国外已经取得了 4 第一章绪论 较大的发展。在国内，目前这些技术的应用主要集中于小型的移动通信设备，而 把嵌入式技术和无线技术结合应用于医疗设备的工作尚处于起步阶段。 在上述背景下，针对目前国内医疗设备发展中的上述缺陷，结合现有的嵌 入式技术和无线收发技术，本文的主要工作是设计一种基于嵌入式平台的集数据 无线收发和数据处理为一体的系统。 嵌入式硬件以其体积小、功耗低等特点被广泛运用，嵌入式操作系统则兼具 实时性好，人机交互界面丰富等特点。嵌入式终端能提供给用户很好交互界面， 同时实现数据的处理和驱动无线模块实现数据的无线收发。这不仅解决了医疗设 备中设备连接和数据传输不便的问题，同时能实现数据的预处理，给医学和临床 提供理论 5 湖北大学硕士学位论文 第二章系统的架构和组成 2 1 系统的架构 该系统由采集端和终端两个部分组成。采集断和终端分成两个独立的部分。 采集端由a r m 7 和相关外设构成，包括数据采集模块和无线通信模块。终端由 a r m 9 和相关外设构成，包括显示模块、无线通信模块和数据处理模块。系统的 组成框图如下图2 1 所示： 图2 - 1 系统组成框图 2 2 整个系统工作流程 整个系统工作流程大致可以分为以下几个部分： 1 ) 采集端数据采集：采集端通过外围接1 ：3 采集数据。 2 ) 采集端数据发送：采集的数据经过预处理后通过无线发送。 3 ) 终端数据接收：终端读取无线模块接收到的数据。 4 ) 终端数据显示： 终端用曲线实时显示接收到的数据。 5 ) 终端数据处理：点击触摸屏获取一段数据，做数据处理。 6 ) 终端波形显示： 显示经数据处理后的波形。 系统工作流程框图如下图2 2 所示： 采集模块h 无线模块 r 、 硎。燃，槲。处燃， 采集端终端 2 3 系统各组成部分的构成 图2 - 2 系统工作流程框图 6 第二章系统的架构和组成 2 3 1 终端 终端采用$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器，使用w i n c e 操作系统，包括显示模块、无线 通信模块和数据处理模块 1 ) 显示模块：显示模块实现实时数据的波形显示、处理后数据波形显示，采 用专业开发工具编写控件。 2 ) 无线模块：无线模块实现数据的无线传输和通信。采用工作与2 4 g h z 频 段的n r f 2 4 l 0 1 射频芯片，实现单片无线收发。 3 ) 数据处理模块：数据处理模块实现f f t 、功率谱和互相关函数的算法，给 医疗和临床提供直观的理论参考依据。 2 3 2 采集端 采集端采用l p c 2 1 1 4 ，包括采集模块和无线通信模块。 1 ) 采集模块：采集模块实现数据的采集。主要采用a r m 7 的高精度a d ，高 速采样传感器、探头等特征值，并对数据做预处理。 2 ) 无线模块：无线模块实现数据的无线传输和通信。采用工作与2 4 g h z 频 段的n r f 2 4 l 0 1 射频芯片，实现单片无线收发。 7 湖北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 本章详细介绍医疗数据无线收发与数据处理系统的硬件平台的设计与研究， 按照整个系统的组成分终端和采集端两部分介绍。 3 1 终端硬件平台 终端的硬件平台采用a r m 9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a ，外围电路主要包括l c d 液 晶显示器、触摸屏、主从u s b 、s d 卡、s p i 、串口等。终端的硬件结构框图如 图3 1 所示。 图3 1 终端的硬件结构框图 3 1 1 $ 3 c 2 4 1 0 a 微处理器 $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司推出的基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位嵌入式 r i s c 微处理器，主频可达2 0 3 m h z ，主要面向手持式设备、移动设备及高性价 比、低功耗的应用。$ 3 c 2 4 1 0 有$ 3 c 2 4 1 0 x 和$ 3 c 2 4 1 0 a 两个型号，a 型是x 的 改进型，具有更好的性能和更低的功耗。 a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i ，存储管理单元( m m u ) 和高速缓存( h a r v a r d ) 三部分组成。其中m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和 1 6 k b 数据高速c a c h e 组成，每个c a c h e 都由8 字长的行组成。a r m 9 2 0 t 有两 个协处理器：c p l 4 和c p l 5 。其中c p l 4 用于调试控制，而c p l 5 则用于存储 系统控制以及测试控制。$ 3 c 2 4 1 0 a 的内部结构框图如图3 2 所示。 8 第三章系统硬件设计 图3 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 a 的内部结构框图 $ 3 c 2 4 1 0 a 采用新型总线体系结构a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l c rb u s a r c h i t e c t u r e ) ，包括系统总线a h b ( a d v a n c e dh i 曲p e r f o r m a n c eb u s ) 和外设总线 a p b ( a d v a n c e dp e r i p h e r a lb u s ) 。系统总线与外设通过桥( b r i d g e ) 与四通道的 d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) 控制器相连，其总线结构图如图3 3 所示。 l l c d l c d lc o n t d m a 图3 - 3 总线结构图 9 湖北大学硕士学位论文 此外$ 3 c 2 4 1 0 a 提供了一组强大的、功能完整的外设接口，大大减少了整个 系统的成本，省去了系统配置和开发过程中的额外费用。$ 3 c 2 4 1 0 a 的片上功能 如下【1 】： 一 内核1 8 2 o v ，存储器3 3 v ，外部i o3 3 v ； 一具有1 6 k b 指令c a c h e 1 6 k b 数据c a c h e 和m m u 单元； 一外部存储器控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器：最大可支持4 k 色s t n ( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ) 和2 5 6 k 色 t f t ( t h i nf i l mt r a n s i s t o r ) 型带触摸屏( t o u c hs c r e e np a n e l ，t s p ) 的液晶显 示屏，提供1 通道的l c d 专用d m a ； 一 1 1 7 个通用i o 端口( g p i o ) ； 一2 4 通道外部中断源； 一8 通道1 0 位a d c 和触摸屏接口：$ 3 c 2 4 1 0 x 内部集成了8 通道的1 0 位 c m o s 模数转换器，最大转换速率为5 0 0k s p s ，支持片上采样保持功能； 一4 通道p w m 计时器和l 通道内部计时器； 4 通道d m a 请求，并具有外部请求引脚； 一3 通道u a r t ，2 通道s p i ； 一2 个u s b 主机接口和1 个u s b 从设备接口； 一 1 通道i i c 总线控制器和1 通道i i s 总线控制器； 一s d ( s e c u r ed i g i t a lc a r d ) 主机、多媒体卡( m u l t i m e d i ac a r d ，m m c ) 接口； 看门狗定时器； 一 电源控制：普通、缓慢、空闲和断电模式： 一具有日历功能的实时时钟r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) ： 一 具有带p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 的片上时钟发生器； 3 1 2l c d 和触摸屏 为了提供更好的人机交互特性，系统采用大屏l c d 和触摸屏相结合的方式。 系统采用夏普的6 4 寸耵叮液晶显示屏l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 ，分辨率为6 4 0 4 8 0 ，为 用户显示丰富的数据信息的同时提供用户操作界面。用户的输入和操作主要通过 触摸屏来完成，替代传统的鼠标和键盘，提供良好的操作性的同时减少了设备繁 杂程度，更方便设备的移动。 1 0 第三章系统硬件设计 3 1 2 1l c d 控制器 $ 3 c 2 4 1 0 a 集成l c d 控制器，支持多种尺寸的s t n 型和t f l r 型l c d 。对于 t f r 型l c d ，调色板显示模式下可支持l 、2 、4 、8 b p p ( b i tp e rp i x ) ，而在非调 色板真彩显示模式下则可以达到1 6 b p p 。 l c d 控制器由r e g b a n k 、l c d c d m a 、v i d p r c s 、t i m e g e n 和l p c 3 6 0 0 等模块组成，如图2 1 l 所示。其中，r e g b a n k 具有1 7 个可编程寄存器和2 5 6 x 1 6 调色板存储器；l c d c d m a 是一个从帧存储器传输视频数据到l c d 驱动器的专 用d m a ，它可以自动的将显示数据从帧内存送到l c d 的驱动器当中而无需c p u 的干预；v i d p r c s 从l c d c d m a 接收数据，并将相应格式的数据通过数据总线 v d 2 3 ：0 】送至l c d 的驱动器上；t i m e g e n 和l p c 3 6 0 0 产生不同l c d 驱动器 所需的控制信号【l 】。l c d 控制器的结构框图如图3 - 4 所示。 s 咖b u s 图3 _ 4l c d 控制器的结构框图 $ 3 c 2 4 1 0l c d 控制器的外部信号有3 3 个，包括2 4 个数据信号为和9 个控制 信号。l c d 控制器通过与外部l c d 连接的数据线完成对l c d 显示的控制。l c d 控制与外部l c d 的接口电路如图3 5 所示： 湖北大学硕士学位论文 图3 5l c d 的接口电路 3 122 触摸屏 在嵌入式系统运用中常用的是电阻式触摸屏。电阻式触摸屏的优点是它的屏 和控制系统都比较便宜，反应灵敏度也很好，而且它们都是一种对外界完全隔离 的工作环境，不怕灰尘和水汽，能适应各种恶劣的环境。它可以用任何物体来触 摸，稳定性能较好。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部集成触摸屏控制接口。它内部集成了一个l o 位a d c ，有8 路 模拟输入通道，与a d c 共用。其中通道a i n 7 】作为触摸屏接口的x 坐标输入， 通道a i n 5 作为触摸屏接1 3 的y 坐标输入。在2 5 m h z 的a d 转换时钟频率下 它的最快转换速度为5 0 0 k s p s 。同时，$ 3 c 2 4 1 0 也提供了触摸屏引脚的控制信号 y m o n ，n x p o n ，x m o n ，n y p o n ，通过外部晶体管对触摸屏引脚x + ，x - ，y + ，y - 进行切换控制。y m o n ，n x p o n ，x m o n ，n y p o n 等信号是由a d c t s c ( a d c t o u c hs c r e e nc o n t r o lr e g i s t e r , a d c 触摸屏控制寄存器) 中有关位来控制的。 系统采用电阻式触摸屏，其与$ 3 c 2 4 1 0 a 的接口电路如图3 - 6 所示。 1 2 第三章系统硬件设计 图3 - 6 触摸屏接口电路 3 1 3s p i 接口 s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e , 串行外围设备接口) 是由m o t o r o l a 公司开发 的一个低成本、易使用的接口，主要用在微控制器和外围设备芯片之间进行连接。 s p i 是一种标准的四线同步双向串行总线，采用高速的、全双工、同步通信协议。 该接口定义了四根信号线：串行时钟线s c k 、主机输入从机输出数据线m i s o 、 主机输出从机输入数据线m o s i 和低电平有效的重设备使能信号c s 。有些处理 器有s p i 接口的专用的低电平有效的从机选择信号s s 。m o s i 信号由主机产生， 从机接收。m i s o 在主机的控制下由从机产生。外设的片选信号一般由主机的某 个同样i o 口实现。 3 1 3 1s p i 接口的结构 无线收发模块n r f 2 4 l 0 1 采用标准的s p i 接口，$ 3 c 2 4 1 0 a 通过s p i 外设实 现对无线模块的配置和对无线收发的控制。s 3 c 2 4 1 0 a 片上集成两个兼容协议 v 2 1 l 的s p i 外设，具备查询、中断和d m a 传输模式。s p i 具有8 位预分频器和 两个分别用于发送和接收数据的8 位移位寄存器，通过相关的控制寄存器设置总 线上的数据传输速率。 根据时钟相位和时钟极性的不同，对应的s p i 有4 种工作模式：时钟相位有 两个，时钟相位0 和时钟相位l ；时钟极性有两种，高电平和低电平。时钟相位 和时钟极性的4 种不同组合，对应了s p i 的4 种工作模式。时钟相位决定数据有 效位在s c k 的上升沿或者下降沿，同理，时钟极性则定义了空闲和工作时的时 1 3 湖北大学硕士学位论文 钟s c k 的电平。 当工作模式对应时钟相位为o 时，如果时钟极性为低电平，m o s i 和m i s o 输出在s c k 的上升沿有效。如果时钟极性为高电平，则m o s i 和m i s o 输出在 s c k 的下降沿有效。对应的，当s p i 工作在时钟极性为低电平模式时，空闲时 时钟s c k 处于低电平，数据传输时跳转到高电平。相反，当s p i 工作在时钟极 性为高电平模式时，空闲时时钟s c k 则处于高电平，当数据开始传输时由高电 平跳转到低电平。 3 1 3 2s p i 接口操作 s p i 为同步协议接口，所有的传输都参照主机产生的时钟信号。串行时钟线 s c k 与两条数据线m o s i 、m i s o 同步，用于移位和数据采样。接收数据的从设 备根据串行时钟线s c k 信号对总线上的串行比特流同步化并接收。通过s p i 接 口，$ 3 c 2 4 1 0 a 可以与外设间同时发送接收8 位数据。主机写入一个字节到s p i 移位寄存器中，s p i 发送接收操作启动，寄存器里的数据通过m o s i 信号线发送 给外设。同时，外设将自己的移位寄存器中的数据通过m i s o 信号线传送给主机。 外设的读写操作在同时完成，主机和从设备的两个移位寄存器找中的数据被相 互交换。主机只进行写操作，则可以忽略接收到的字节。相反，如果主机只进行 读操作，则必须发送一个空字节( 虚拟数据) 来触发主从机的数据传输。 $ 3 c 2 4 1 0 a 支持4 中不同的数据传输格式，其波形图如图3 7 所示。 h 曩泊一o h - 啊r # 融 o 一 c ，吣l l oc p _ i ， f o 嘲l i p , a b e 一c a , l , a f a , e a o r ，_ ir 口_ d c i 膏o i - c p t - 埔, - 1 f 臼n n _ n 暑j l ；肆o f h d a q _ 押帮l n 帅拍- dd w - 口f 图3 7s p i 数据传输格式 1 4 罴1 8 l l = = l l i l l l 第三章系统硬件设计 4 种不同的数据传输格式能满足不同外围设备的数据格式要求，使用的过程 中要针对具体的外围设备来设置相对应的数据格式。 3 1 3 3s p i 接口电路 系统使用$ 3 c 2 4 10 a 的s p l 0 接口控制无线收发模块n r f 2 4 l 0 1 ，其接口电路 如图3 8 所示。 a - 2 0 - 图3 8s p i 接口电路 $ 3 c 2 4 1 0 a 做s p i 主机，s s 引脚信号必须被拉至低电平。s p i c s n 、 s p i c e 则作为s p i 从设备n r f 2 4 l 0 1 的片选和使能信号。 3 1 4 电源供电 稳定、可靠是医疗设备的一个最基本的要求。作为