（模式识别与智能系统专业论文）基于arm的gprs无线数传温室测控系统.pdf

i 摘 要 为了解决在一些温室测控系统中由于各测控点分布范围广数量多距离远 还可能地处偏僻因此架设光缆铺设电缆难度大不切合实际并且即使架设了 通讯线路其速度慢运营成本也高的问题在分析研究了当前国内外温室测 控研究现状并结合嵌入式系统嵌入式处理器 a r m g p r s 无线数传测控等相关 领域的研究进展的基础上提出了一种将 g p r s 无线通信与低功耗方便实用的 嵌入式系统相结合的系统解决方案本系统主要用于分布式智能型温室计算机无线 测控系统中 本系统采用三星公司的a r m 9 2 0 t s 3 c 2 4 1 0 芯片作为系统处理器s 3 c 2 4 1 0 处理器将 其从外部传感器采集到的相关数据如温度湿度光照度等通过其串口利用 m o t o r o l a g 2 0 g r p s 无线通讯模块的a t 命令将数据通过无线网络传送到中国移动的 g p r s 网络中然后中国移动将数据传送到指定了地址i p 地址或域名的测控中 心的计算机运行在监控中心的计算机上的上位机程序就可以通过g p r s 网络接收从 各监控点传递的数据并来作出相应的动作并且它也可以通过g p r s 网络将相应的 控制命令传递给相关的监控点这样就实现了远程无线测控 在介绍系统软件开发时给出了系统软件开发流程并对各部分做了相关说明 重点分析了 a r m b o o t l o a d e r 程序嵌入式操作系统内核并给出系统l i n u x 应用 程序的流程 研究和试验表明该系统具有价格低廉稳定可靠的特点能满足远程无线数传 的实际需求 关键词 arm linux gprs s3c2410 嵌入式系统 无线数传 温室控制 ii a b s t r a c t the wireless data transport greenhouse control system described in this thesis is designed basing on the gprs wireless communication technology. the system uses an embedded arm microprocessor as its cpu. it also uses the embedded linux as its operation system. this system can be used in the distributed computer intelligent greenhouse control system. based on the analysis of the research progress of the greenhouse in the nation and abroad, together with the related knowledge of the embedded system the embedded arm mcugprs technology and so on, use the s3c2410 arm920t microprocessor to control the motorola g20 gprs module to connect the china mobiles gprs net to realize the remote control. s3c2410 use the at command of the g20 module to send the data to the china mobiles gprs server, and the server re-send the data to the computer of the control center whose ip address is gave in the data using the internet. the compute also can use the internet to connect the g20 module whose ip address was gave by the china mobile dynamically. this system has been put into practice. it was proved very cheapstable and reliable for the wireless data transportation greenhouse control system. keywords: arm linux gprs s3c2410x01 embedded system wireless data-transportation, greenhouse control 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果近我所知除文中已标明引用的内容外本论文 不包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究 做出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 本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允 许论文被查阅和借阅本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部 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 制手段保存和汇编本学位论文 保密在_年解密后适用本授权数 本论文属于 不保密 请在以上方框内打 学位论文作者签名 指导教师签名 日期 年 月 日 日期 年 月 日 1 1 绪 论 本章主要介绍了论文研究的相关背景嵌入式 linux 1 操作系统gprs 2 无 线传输以及无线数传测控等相关内容 1 . 1 研究背景 在一些测控系统中由于各测控点分布范围广数量多距离远还可能地处偏 僻因此架设光缆铺设电缆难度大不切合实际向电信部门租用专用电话线又 要申请很多电话线而且有些测控点线路难以到达况且采用电话线路时需要等待 漫长的电话拨号过程速度慢运营成本较高总之测控系统采用有线通信方式建 设周期长工作难度大运行费用高不便于大规模使用与之相比无线通信方 式则显得非常灵活它具有投资较少建设周期短运行维护简单性价比高等优 点 近年来发展起来的智能温室系统是一种资源节约型高效农业发展技术 它是在普 通温室基础上结合现代计算机自控技术智能传感技术人工智能和专家系统等 高科技手段发展起来的在计算机综合控制下提供与季节无关的适合作物生长的环 境以实现各种作物的优质高效低耗的工厂化生产 以色列日本等先进国家的大型温室已经普遍采用计算机控制系统 3 在实现温 室自动化控制的基础上当前国际上对温室计算机控制技术的研究方向包括1基 于互联网的温室计算机控制系统和温室图像系统2生态环境因素控制3作业 自动化4将专家系统应用于温室的管理决策咨询等方面 国内现有的大多数系统是从国外引进的这些系统一是价格昂贵二是存在水土 不服的问题我国温室经过十几年的消化吸收和发展国产温室已经占据了主导地 位但温室计算机控制系统则一直依靠进口成为我国温室行业的一个技术难题和 瓶颈国内在温室的自动控制与智能化方面进行了许多有价值的研究但研制的系 统体系结构不合理软件功能比较弱可靠性不高系统组态不灵活不能适应温 2 室自动化控制的要求 4 本系统在充分消化国内外温室控制技术的基础上 针对目前国内对温室自动控制 水平的要求及自动控制系统的需求情况提出了采用中央控制计算机与嵌入式 arm 5 处理器(s3c2410 6 )的主从式体系结构实时多任务 linux 操作系统和农业 温室专家系统相结合的模式 设计了这套基于 arm 的 gprs 嵌入式无线数传温室 测控系统 1 . 2 嵌入式系统简述 嵌入式系统是以应用为中心计算机技术为基础软硬件可裁剪适应于特定应 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 7 嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用计算机 一台通用计算机的外部 设备中就包含了 5 - 1 0 个嵌入式微处理器键盘鼠标软驱硬盘显示卡等均是 由嵌入式处理器控制的在制造工业过程控制通讯仪器仪表汽车船舶 航空航天军事装备消费类产品等方面均是嵌入式计算机的应用领域 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术和各个行业的具体应 用相结合后的产物这一点就决定了它必然是一个技术密集资金密集高度分散 不断创新的知识集成系统 和通用计算机不同嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计量体裁衣 去除冗余力争在同样的硅片面积上实现更高的性能这样才能在具体应用对处理 器的选择面前更具有竞争力嵌入式处理器要针对用户的具体需求对芯片配置进 行裁剪和添加才能达到理想的性能但同时还受用户订货量的制约因此不同的处 理器面向的用户是不一样的可能是一般用户行业用户或单一用户 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体产品同步进 行因此嵌入式系统产品一旦进入市场具有较长的生命周期嵌入式系统中的软 件一般都固化在只读存储器中而不是以磁盘为载体可以随意更换所以嵌入 式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长另外各个行业的应用系统和 产品和通用计算机软件不同很少发生突然性的跳跃嵌入式系统中的软件也因 3 此更强调可继承性和技术衔接性发展比较稳定 嵌入式处理器的发展也体现出稳定性一个体系一般要存在 8 - 1 0年的时间一 个体系结构及其相关的片上外设开发工具库函数嵌入式应用产品是一套复杂 的知识系统用户和半导体厂商都不会轻易地放弃一种处理器 1 . 3 嵌入式处理器和 a r m 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器目前据不完全统计全世界 嵌入式处理器的品种总量已经超过1 0 0 0 多种 流行体系结构有3 0 几个系列 其中8 0 5 1 体系的占有多半生产8 0 5 1 单片机的半导体厂家有2 0 多个共3 5 0 多种衍生产品仅 p h i l i p s 就有近1 0 0 种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 嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的c p u 在应用中将微处理器装配在专 门设计的电路板上只保留和嵌入式应用有关的母板功能这样可以大幅度减小系 统体积和功耗为了满足嵌入式应用的特殊要求嵌入式微处理器虽然在功能上和 标准微处理器基本是一样的但在工作温度抗电磁干扰可靠性等方面一般都做 了各种增强 随着e d i 的推广和v l s i 设计的普及化及半导体工艺的迅速发展在一个硅片上 实现一个更为复杂的系统的时代已来临这就是s y s t e m o n c h i p ( s o c ) 8 各种通 用处理器内核将作为s o c 设计公司的标准库和许多其它嵌入式系统外设一样成为 v l s i 设计中一种标准的器件用标准的v h d l 等语言描述存储在器件库中用户只 需定义出其整个应用系统仿真通过后就可以将设计图交给半导体工厂制作样品 这样除个别无法集成的器件以外整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯 片中去应用系统电路板将变得很简洁对于减小体积和功耗提高可靠性非常有 利 嵌入式处理器目前主要有a m 1 8 6 / 8 8 3 8 6 e x s c - 4 0 0 d s p p o w e r p c 6 8 0 0 0 m i p s a r m 系列等 a r m a d v a n c e d r i s c m 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 4 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目前采用 a r m 技术知识产权i p 核的微处理器即通常所说的 a r m 微处理器已遍及工业控 制消费类电子产品通信系统网络系统无线系统等各类产品市场基于 a r m 技术的微处理器应用约占据了 3 2位 r i s c微处理器 7 5 以上的市场份额a r m技术 正在逐步渗入到人们生活的各个方面 a r m 公司是专门从事基于 r i s c 技术芯片设计开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 到目前为止a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域 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 ) 无线通讯领域目前已有超过 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日益巩固 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 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 5 广泛的应用 1 . 4 嵌入式操作系统和 l i n u x操作系统 嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统 要在短时间内掌握并开发出所有功能是 很不容易的而市场竞争则要求产品能够快速上市这一矛盾要求嵌入式处理器能 够有容易掌握和使用的开发工具平台提高用户和程序员的时间投入回报率 实时多任务操作系统( r t o s ) 是嵌入式应用软件的基础和开发平台 目前在中国大 多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写没有采用商品化的 r t o s 不能将系 统软件和应用软件分开处理r t o s是一段嵌入在目标代码中的软件用户的其它应 用程序都建立在 r t o s 之上不但如此r t o s 还是一个可靠性和可信性很高的实时内 核将 c p u 时间中断i / o 定时器等资源都包装起来留给用户一个标准的 a p i 并根据各个任务的优先级合理地在不同任务之间分配 c p u 时间 r t o s最关键的部分是实时多任务内核它的基本功能包括任务管理定时器管 理存储器管理资源管理事件管理系统管理消息管理队列管理旗语管 理等这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的也就是 r t o s 的 a p i 嵌入式操作系统主要有 p a l m o s w i n d o w s c e e p o c l i n u x q n x e c o s l y n x 高端嵌入式系统要求许多高级的功能如图形用户界面和网络支持很多高端 r t o s 供应商已经提供了这些功能但其价格也很高端一般人难以接受微软的 w i n d o w s c e也有此类功能却不具备大多数嵌入式系统要求的实时性能而且难以移植也 曾经有人想以 d o s 为基础用单独的第三方工具拼凑一个系统但这种努力将是白费 众所周知m i c r o s o f t 的东西向来都是以昂贵和不稳定出名而现在需要的是一个便 宜成熟并且提供高端嵌入式系统所必须特性的操作系统嵌入式 l i n u x操作系统 以价格低廉功能强大又易于移植而正在被广泛采用成为新兴的力量所以众 多商家纷纷转向了嵌入式 l i n u x l i n u x为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择它是一个和 u n i x相似 以核心为基础的内存保护多任务多进程的操作系统支持广泛的计算机硬件 包括 x 8 6 a l p h a s p a r c m i p s p p c a r m n e c m o t o r o l a 等现有的大部分芯片 6 程序源码全部公开任何人可以修改并在 g n u 通用公共许可证( g n u g e n e r a l p u b l i c l i c e n s e ) 下发行这样开发人员可以对操作系统进行定制再也不必担心像 m i c r o s o f t w i n d o w s 操作系统中后门的威胁同时由于有 g p l 的控制大家开发 的东西大都相互兼容 不会走向分裂之路 l i n u x 用户遇到问题时可以通过 i n t e r n e t 向网上成千上万的 l i n u x 开发者请教这使最困难的问题也有办法解决 l i n u x 带有 u n i x 用户熟悉的完善的开发工具几乎所有的 u n i x 系统的应用软件 都已移植到了 l i n u x 上l i n u x 还提供了强大的网络功能有多种可选择窗口管理器 x w i n d o w s其强大的语言编译器 g c c g + + 等也可以很容易得到不但成熟完善 而且使用方便 1 . 5 g p r s简介 g p r s 采用基于分组的技术 实现移动终端与用户所使用的不同数据来源之间的通 信传统的g s m 网络采用时分多址方式将用户的通信信道分配在同一帧的不同时隙 内 用户通过每一帧提取自己的时隙信息 g s m 网络的交换系统采取电路交换的形式 传输速率只能达到1 4 . 4 k b i t / s 所以在g s m 网络中语音信息服务占主要业务量 在g p r s 系统中由于分组交换比电路交换的交换速度快所以传输速率可达到 1 1 5 k b i t / s 与数据业务的连接几乎可以瞬时实现从而实现除语音之外的多种服务 功能通过这一技术使多个用户动态共享空中接口的同一无线时隙较一个用户 组合多个时隙而达到交换目的而言更为有效地利用了适用的频谱g p r s 作为一种 新型的电信技术和电信服务区别与传统的移动通信具有以下特点: 1 ) 为g s m 提供数据包传输模式的服务 2 ) 向用户提供更高的接入速率1 1 5 k b i t / s 和更短的接入时间 3 ) 通过支持不同的q o s 机制向用户提供不同种类的可选服务 4 ) 采用无线频谱资源的共享使用来提供资源的利用率 5 ) 底层基于t c p / i p 协议可与因特网进行无缝连接 6 ) 可提供按时间流量内容等更加灵活的计费方式 g p r s 移动数据业务能够为用户提供丰富的应用服务使用c s d 方式只能传输一些 7 文本信息和静态图片而g p r s 方式不仅可以传输这些信息还可以传输动画语音 等多媒体信息因此在g p r s 上可以开发出更多更精彩的应用此外g p r s 使运营商 能够以传输的数据量而不是连接时间为基准来计费大大降低了成本 1 . 5 . 1 m o t o r o l a g 2 0 9 g r p s模块 g 2 0 是美国 m o t o r o l a 公司的一款内嵌t c p / i p 协议g s m / g p r s 模块性能优越体 积极小2 4 . 4 x 4 8 . 2 x 6 . 0 m m从根本上解决了g s m / g p r s 模块无线通信和数据传 输终端的协议瓶颈和成本问题广泛应用于短信中心g p r s 测控系统无线p o s 机 无线售卖机等g s m / g p r s 模块无线通信及数据传输的产品该g s m / g p r s 模块是工业级 模块性能稳定可以在恶劣的环境下长期稳定的工作用于测控数传抄表 无线m o d e m d t u 车辆防盗等多种产品中 1 . 5 . 2 g p r s无线数传测控系统原理 中国移动的 g p r s 系统非常适合作为远程无线测控系统的数据通信平台目前 g s m 网络经过电信部门的多年建设覆盖范围不断扩大已成为成熟稳定可靠 的通信网络特别是中国移动新推出的 g p r s 数据业务g s m / g p r s 系统可提供广域 的无线 i p 连接 在移动通信公司的 g p r s 业务平台上构建远程无线数传测控系统 具有可充分利 用现有网络缩短建设周期降低建设成本的优点而且设备安装方便维护简单 其 g p r s 网络 i n t e r n e t 网络构成的数据传输网络图如图1 . 1 所示 图 1 . 1 g p r s 网络i n t e r n e t 网络构成的数据传输图 8 如图基于中国移动的g p r s 网络和完善的企业内部局域网通过现场的g p r s 终 端设备实现i n t e r n e t 的无线接入从各监控点采集到的数据通过 g p r s g 2 0 模块通 过中国移动的 g p r s 无线网络传递到中国移动的无线网络内部服务器中然后在 中国移动内部 系统根据数据中的相关设置 将相关数据传递到事先设定的i n t e r n e t i p 地址处即用户的监控中心的计算机中 另一方面从用户监控中心传出的数据也可以通过各监控点返回的 i p 地址该 地址在 g p r s 模块接入网络时由中国移动动态分配来向各监控点传输数据或 者发送相关控制命令 1 . 5 . 3 g p r s无线数传测控系统的特点 g p r s 无线数传测控系统具备如下特点 1 ) 较高的实时响应与处理能力与短消息服务比较由于 g p r s具有实时在线特 性系统延时很小系统能够同时实时收取处理多个/ 所有监测点的各种数据无 需轮巡可很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求 2 ) 远程仪器设备控制由于采用 g p r s双向传输系统测控中心可以反向实现对 仪器设备的时间校正状态报告开关以及其他监测控制等功能 3 ) 建设成本低可充分利用现有 g s m 网络设备安装即接通 4 ) 安装调试简单建设周期短利用现有成熟 g s m 网络系统投入运行时基本不 需要调试安装简捷 5 ) 覆盖范围广构建远程数传测控系统要求数据通信覆盖范围广扩容无限制 接入地点无限制能满足山区乡镇和跨地区的接入需求采用 g p r s 方式理论上 在无线 g s m / g p r s 网络的覆盖范围之内都可以实现测控 6 ) 数据传输速率高g p r s 网络传送速率理论上可达 1 7 1 . 2 k b i t / s 实际应用时数 据传输速率在 4 0 k b p s 左右 7 ) 系统的传输容量大测控中心站要和每一个测控点实现实时连接由于测控点 数量众多系统要求能满足突发性数据传输的需要而 g p r s 技术能很好地满足传输 突发性数据的需要 8 ) 通信费用低由于 g p r s 采用按流量计费的方式运营维护成本低 9 2 系统整体结构 2 . 1 智能温室测控的特点 智能温室控制主要是根据外界环境的温度湿度光照以及风速风向雨量等 气候因子基于温室专家系统和用户参数设定通过一些控制措施来调节温室内的 温度湿度通风光照等环境因子创造出适合作物生长的合适温室生态环境( 该 环境是按不同作物生长的要求进行统筹优化后制定的) 即根据作物不同生长阶段的 需求制定出检测标准通过对温室环境的实时检测将测得参数进行比较后自动调 整温室各个控制设备状态以使各项环境因子符合既定要求 2 . 2 温室无线测控系统的总体架构 10 温室无线测控系统由以下几部分组成 1 ) 信号采集输入部分: 包括温度湿度光照风速风向雨量等环境因子的 检测一般通过相应的传感器采集 2 ) 信号无线传输与处理部分: 将采集的信号转换为计算机和操作人员可识别的 量并由计算机进行处理并通过 g p r s 进行传输 3 ) 输出及控制部分: 控制风机湿帘遮阳网窗的开关等外部设备一般通过 c p u 控制相关继电器来控制外部强电设备 2 . 3 系统结构方案 系统结构如图2 . 1 所示从外部设备一般是传感器或其他来的数据通过数据 总线或其它i / o 口 如 频率信号通过计数器采集 传递到连接到 a r m 处理器的s d r a m 中处理器根据固化到f l a s h 中的程序处理数据后将处理后的数据通过其串口1 u a r t 1 利用 g 2 0 模块的 a t 11 命令将数据通过无线网络传送到 g p r s 网络中 然后通过中国移动将数据传送到指定了地址i p 地址或域名的测控中心计算机 10 运行在监控中心的计算机上的上位机程序就可以通过g p r s 网络接收从各监控点 传递的数据如温度湿度光照度等并来作出相应的动作然后它也可以通 过g p r s 网络将相应的控制命令传递给相关的监控点这样就实现了远程无线测控 图 2 . 1 系统整体结构图 其中 l c d 液晶显示屏 可以提供系统信息和状态的显示 而通过连接到 j t a g 12 j o i n t t e s t a c t i o n g r o u p 联合测试行动小组它是一种国际标准测试协议 i e e e 1 1 4 9 . 1 口的 m u t i - i c e 仿真器可以在线下载调试程序利用 p c 上的 d n w 程序该程序由 s a m s u n g 开发是一个 w i n d o w s 平台上的用于实现 u s b / u a r t 下载的 程序 或者在 l i n u x 平台下面的 m i n i c o m 程序 以及 a r m 板中的相关程序 通过 a r m 的串口 0 u a r t 0 可以直接查看控制系统 系统中的 a r m 处理器采用的是韩国三星公司的一款 a r m 9 2 0 t s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 芯 片f l a s h 采用美国超微公司的 a m 2 9 l v 3 2 0 d b 4 m b y t e s n o r f l a s hs d r a m 采用 现代的 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 6 4 m b i t选用 m o t o r o l a g 2 0 g p r s 模块用于连接中国移动 的 g p r s 网络在测控中心有一台连接到 i n t e r n e t 的计算机其上运行一个 s o c k e t 服务器程序用于与各测控点进行通讯控制 11 3 系统硬件结构及相关接口 本系统的的监控主板包含以下部件 c p u s a m s u n g e l e c t r o n i c s 的 s 3 c 2 4 1 0 t m 处理器工作频率为 2 0 0 m h z f l a s h 2 片 a m 2 9 l v 3 2 0 d 4 m b y t e s n o r f l a s h 2 x 2 m x 1 6 b i t可扩展 为 1 6 m b s d r a m 2 片 h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 8 m b y t e s s d r a m 2 x 4 b a n k s x 1 m x 1 6 b i t 可选配为 1 6 m b 3 2 m b u a r t r s - 2 3 2 c 串行接口u a r t 0 u a r t 1 u a r t 2 可选择其中 u a r t 0 用作 下位机软件调试u a r t 1 接 g p r s g 2 0 模块用于 g p r s 无线通讯 u s b 一路 d e v i c e 一路 h o s t 其中 d e v i c e u s b 接口用于下载下位机相关程 序如b o o t l o a d e r l i n u x 内核等 4 个可编程的 l e d 显示器用于硬件调试 1 4 针 j t a g 接口提供 m u t i - i c e 调试接口 电源输入+ 5 v+ 9 v 输出+ 3 . 3 v + 1 . 8 v 系统总线扩展 地址总线 数据总线 控制总线 i i c 总线 i i s 总线 s d 总 线7 路 a d c n a n d f l a s h 触摸屏4 路 p w m 7 路中断l c d 总线可接 t f t / s t n l c d 下面对其中一部分器件和接口进行简单的介绍 3 . 1 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1芯片 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 是三星公司生产的一款性价比很高的基于 r i s c 架构的 a r m 9 2 0 t 13 c p u 目前在国内的零售价格在 7 0 r m b 左右价格便宜在片内集成了众多功能强大 的外围接口其内部结构如图 3 . 1 12 图 3 . 1 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 内部结构图 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 芯片具有如下特点 1 ) 1 . 8 伏内核电压3 . 3 v 存储器电压1 6 k b c a c h e 2 ) 外部存储器控制内部带有 s d r a m 控制器 3 ) 内置 l c d 控制器 支持 4 k 色彩的 s t n 2 5 6 k 色彩的 t f t l c d 并提供一个 l c d 专用的 d m a 通道 4 ) 4 条 d m a 通道 5 ) 3 个串口接口 6 ) 2 个 u s b 主机端h o s t 接口1 个 u s b 设备端d e v i c e 接口 7 ) 内置 i i c 总线控制器 8 ) 内置 i i s 总线控制器 9 ) 1 1 7 位的通用 i / o 端口支持最多 2 4 个外部扩展中断 1 0 ) 8 通道 1 0 位的 a d c 和触摸屏接口 1 1 ) 4 个 p w m 时钟输出支持日历功能的实时时钟 1 2 ) 8 个外部存储控制器 b a n k 支持 r o m / s r a m / d r a m 等 1 3 ) 支持 l i t t l e / b i g e n d i a n 模式 1 4 ) 共 8 个 b a n k 其中 6 个支持 r o m s r a m ( n g c s 0 - n g c s 5 ) 2 个支持 r o m s r a m f d / e d o / s d r a m ( n g c s 6 - n g c s 7 ) 13 1 5 ) 每个 b a n k 均支持最大 1 2 8 m b y t e 大小空间总共 1 g b y t e s 1 6 ) 7 个 b a n k 内存起始地址固定大小可编程( n g c s 0 - n g c s 6 ) 1 7 ) 1 个 b a n k 内存起始地址和大小均可编程( n g c s 7 ) 1 8 ) 所有 b a n k s 访问周期均可编程控制 1 9 ) 所有 b a n k s 均支持 8 / 1 6 / 3 2 位数据访问宽度 3 . 2 系统 s d r a m f l a s h的地址分配及地址总线连接 本系统的存储器包括 1 ) h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g 14 8 m b y t e s s d r a m 2 x 4 b a n k s x 1 m x 1 6 b i t 2) a m 2 9 l v 3 2 0 d 15 4 m b y t e s n o r f l a s h 2 x 2 m x 1 6 b i t 对于本系统的地址总线而言 最重要的就是要通过正确联接地址总线来处理好系 统地址空间的映射问题总的原则就是要给c p u 所有周边的外围设备分配一段独立的 系统地址空间 首先需要理解嵌入式系统可寻址地址空间的概念这个概念和选用的c p u 类型 是密切相关的目前c p u 从地址映射的角度而言可以分成 1 ) 内存和i / o 统一编址m e m o r y m a p p i n g 2 ) 内存和i / o 分别编址( i o m a p p i n g ) 不同的编址方式决定了硬件设计的不同连接但是绝大多数嵌入式c p u 采用了 m e m o r y m a p p i n g 的方式本系统也采用了这种编址方式 m e m o r y m a p p i n g 的核心概念就是所有的c p u 外围部件都有一段独立的系统地址 空间程序这样可以通过对某一独立的系统地址空间进行访问从而就可以对相应 的设备进行读写要想正确分配好地址空间需要使用c p u 的全局片选和地址总线信号 产生正确的外围部件的片选信号c s s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 的存储地址映射如图3 . 2 所示 14 图 3 . 2 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 存储地址映射图 根据 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 存储地址映射图可知 1 ) s d r a m / d r a m 映射 0 x 3 0 0 0 _ 0 0 0 0 到 0 x 3 8 0 0 _ 0 0 0 0 这段地址空间这其实是 由c p u c o r e 中s d r a m 控制器逻辑所决定的因此如果系统采用s d r a m 或d r a m 那么 它们的片选必定是 n g c s 6 2 ) 考虑到系统 b o o t 时总是先访问0 x 0 0 0 0 _ 0 0 0 0 执行b o o t 代码因此s r a m / r o m 最好映射到 0 x 0 0 0 0 _ 0 0 0 0 到 0 x 0 8 0 0 _ 0 0 0 0 这段地址空间具体而言就是使用n g c s 0 做f l a s h 的片选 3 ) 分配好s r a m / f l a s h / s d r a m / d r a m 后 就可以进一步为系统其它外围设备分配地 址空间了为了更充分的利用地址空间一般都是使用全局片选和高位地址形成进 一步的片选信号因为全局片选信号只有8 个除去r a m 和f l a s h 至少需要的2 个外 系统最多只有6 个全局片选考虑到系统的可扩展性必须充分使用全局片选使得 内存地址空间不至于有大块区域浪费一般可以采用c p l d 来灵活配置 因此可得 s d r a m f l a s h 与 s 3 c 2 4 1 0 的连接如图 15 图 3 . 3 2 半字的 s d r a m 4 b a n k s x 1 m x 1 6 b i t 与 s 3 c 2 4 1 0 的连接图 图 3 . 4 2 半字的 f l a s h 2 m x 1 6 b i t 与 s 3 c 2 4 1 0 的连接图 另外由 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 存储地址映射图可看出根据o m 1 : 0 脚的不同状态可以 知道与 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 处理器连接的是n o r f l a s h 还是 n a n d f l a s h 从图中可以发现 对于 n a n d f l a s h 而言系统内存中多出了一个4 k 的 b o o t i n t e r a l s r a m 16 最后还要注意系统配置成8 位1 6 位3 2 位模式下地址总线的接法是不一样的 在8 位模式下s d r a m / f l a s h 等存储部件的地址总线引脚a i i = 0 1 2和c p u 的a i i = 0 1 2依次对应连接在1 6 位模式下s d r a m / f l a s h 等存储部件的a i i = 0 1 2地址线分别和c p u 的a i + 1 i = 0 1 2地址线连接即地址偏移 了一位在3 2 位模式下s d r a m / f l a s h 等存储部件的a i i = 0 1 2地址线分别和 c p u 的a i + 2 i = 0 1 2地址线连接即地址偏移了两位具体可见图3 . 3 图3 . 4 所示 但是需要注意的是有些c p u 在内部完成了上述地址的偏移 因此在c p u 和存储部件 间地址总线是不需要偏移的如s 3 c 4 5 1 0 b 3 . 3 系统数据总线 系统的数据总线都是双向总线衡量数据总线的指标就是总线宽度8 1 6 3 2 位 它代表了在一个读写周期内嵌入式c p u 和外围器件尤其是 s d r a m / f l a s h 之间的数据 量的大小一般来说数据总线越宽系统的工作性能就越高 另外还要注意的一个问题就是大端b i g e n d i a n 和小端l i t t l e e n d i a n 的问题即实际编程过程中数据的高低位和数据总线的高低位的对应关系如果高 位数据对应高位数据总线那么就是大端b i g e n d i a n 模式如果高位数据对应低 位数据总线那么就是小端 l i t t l e e n d i a n 模式 如 m o t o r o l a 的 m 6 8 e z 3 2 8 c p u 就 是这种模式具体模型可以参见图3 . 2 和图3 . 3 s 3 c 2 4 1 0 x 0 1 x 可以配置成 b i g e n d i a n 或 l i t t l e e n d i a n 在本系统中这也是一 个可选的配置但是为了方便去起见本系统采用了 l i t t l e e n d i a n 模式 3 . 4 系统 f l a s h的控制 f l a s h 存储器技术集成了 e p r o m 和 e e p r o m 这两种技术但是f l a s h 存储器一次 只能擦除一个较大的存储区域而 e e p r o m 能一个字节的擦除f l a s h 存储器技术现 在已经相当成熟了在嵌入式系统中已经取代了 e p r o m 和 e e p r o m 现在大多数的嵌 入式系统都采用 f l a s h 作为其 r o m 存储器一般常见的 f l a s h 有 n a n d f l a s h 和 n o r 17 f l a s h 两种 s 3 c 2 4 1 0 内置了一个 n a n d f l a s h 控制器故可以很方便的使用 n a n d f l a s h 并 且 s 3 c 2 4 1 0 内置了一个称为 s t e p p i n g s t o n e的 s r a m当系统启动的时候 n a n d f l a s h 的前 4 k b的内容将装载到 s t e p p i n g s t o n e s r a m中而且系统将从该 s r a m中运行 该启动程序 硬件 e c c 将完成对 n a n d f l a s h 中的数据的检验 通常启动程序将把 n a n d f l a s h 中的程序拷贝到 s d r a m 中当拷贝完成后系统的主程序如l i n u x 内核以 及其 r a m 磁盘映象文件将在 s d r a m 中运行 根据图 3 . 5可以看出对于 s 3 c 2 4 1 0 x 的 n a n d f l a s h 有两种启动模式 一个是 a u t o b o o t m o d e 另一个是 n a n d f l a s h m o d e 在系统访问那个 n a n d f l a s h的被装载到 s t e p p i n g s t o n e 缓冲区低 4 k 存储区间之前 s f r s s p e c i a l f u n c t i o n r e g i s t e r 就可以被直接访问了 图 3 . 5 n a n d f l a s h 启动模式 在 a u t o b o o t 模式下系统的启动过程如下 1 ) 上电或复位 2 ) n a n d f l a s h 的前 4 k b 内存区域被装载到系统的 s t e p p i n g s t o n e 缓冲区里 3 ) 该 s t e p p i n g s t o n e 内存区域被映射到 n g c s 0 4 ) 系统从 s t e p p i n g s t o n e 缓冲区中执行启动代码 另外 显然在这种模式下 e c c 是无效的 系统刚启动 没有作任何初始化和检测 18 因此事先需要保证 n a n d f l a s h的前 4 k b区域没有错误s 3 c 2 4 1 0 x微处理器的 s f r s 提供了 6 个功能寄存器以配置 n a n d f l a s h 本系统提供设置跳线以同时支持这两种 f l a s h f l a s h存储器内部存放启动代码 b o o t l o a d e rl i n u x 内核映象和 r a m d i s k 压缩映像剩余的存储空间可存放用 户程序f l a s h 存储器的数据宽度为 3 2 位映射到 s 3 c 2 4 1 0 的 r o m b a n k 0 地址从 0 x 0 0 0 0 _ 0 0 0 0 0 x 0 8 0 0 _ 0 0 0 0 并且系统也提供了相关跳线可将 f l a s h映射到 b a n k 1的地址其地址从 0 x 0 8 0 0 _ 0 0 0 0 0 x 1 0 0 0 _ 0 0 0 0 3 . 5 对 n o r和 n a n d f l a s h的访问 在本系统中采用的是 a m 2 9 l v 3 2 0 d b 8 m b 的 n o r f l a s h 相比于 n a n d f l a s h 的利 用数据控制信号的不同组合来产生各相应读/ 写命令的复杂控制方式n o r f l a s h 的 读操作与读普通 s r a m 的操作相同而 n o r f l a s h 的写和擦除操作需要采用一套复 杂的时序逻辑产生n a n d f