（电子科学与技术专业论文）基于labview嵌入式模块的光电信息处理平台.pdf

摘要 随着国家越来越重视大学生综合能力的培养传统的“理论型”人才己经不再满 足当今社会的需求，尤其是光电类学生需要通过动手实践来提高他们的综合素质。 因此各高校急需加强实验室建设引进新型光电信息处理实验平台，提高学生的综 合能力。 本文在传统的光电信息处理实验系统基础上，以c o r t e x m 3 内核a r m 微控制器为 核心控制单元，设计了光电信息处理平台主控实验板，同时采用n i 最新技术通过集 成了a r m 嵌入式模块的l a b v i e w2 0 1 】软件对主控实验板中的a r m 微控制器进行程 序编写、编译以及调试，并给予部分实验结果。该平台具有运算能力强、显示界面形 象、操作便捷等优点，使实验室的构建更经济、灵活。 关键词：l a b v le w 嵌入式模块 光电信息处理 a r m0 l e dc a n a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ei n c r e a s i n ge m p h a s i so nc o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i l i e so f n a t i o n a ls t u d e n t s t h et r a d i t i o n a lt h e o r y t a l e n th a sb e e nu n a b l ei om e e tt h en e e d so f t o d a y ss o c i e t ye s p e c i a l l y f o rt h eo p t o e l e c t r o n i c ss t u d e n t st h e yn e e dt oi m p r o v et h e i rc o m p r e h e n s i v eq u a l i t yt h r o u g h h a n d s - o np r a c t i c e st h e r e f o r e a l lt h ec o l l e g e sa n du n i v e r s i t i e su r g e n t l yn e e dt os t r e n g t h e n t h e i rl a b o r a t o r i e s f u n c t i o n a l i t yb yi n t r o d u c i n gn e wo p t o e l e t r o n i ci n f o r m a t i o np r o c e s s i n gt e s t p l a t f o r mt ui m p r o v es t u d e n t s c o m p r e h e n s i v ec a p a b i l i t i e s t h i sp a p e rc o n s t r u c t sao p t o e l e t r o n i ci n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp l a t f o r mo nt h eb a s i so f c o n v e n t i o n a l o p t i c a l i n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ge x p e d m e n t a ls y s t e m b yu s i n gt h ea r m m i c r o c o n t r o l l e rc o r t e x m 3c o r ea st h ek e yp a r to f t h ec o n t r o lu n i ta n dt h el a t e s tt e c h n o l o g y o f n l 、w ec a na c h i e v ep r o g r a m m i n gc o m p i l i n ga n dd e b u g g i n gf o ra r mm i c m c o n t m l l e rb y i n t e g r a t i n gt h ea r me m b e d d e dm o d u l el a b v i e w2 0 11s o f “v a r ea tt h es a m et i m ep a r to f t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ea l s op r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h i sp l a t f o r mh a sm a n ya d v a n t a g e s i n c l u d i n gc o m p u t i n gc a p a b i l i t y ai m a g e d i s p l a yi n t e r f a c ee a s i l yt oo p e m wa n ds oo i lw h i c h m a k e st h eb u i l d i n go f t h el a b o r a t o r 、m o r ee c o n o m i c a 】a n dm o r ef l e x i b l e k e yw o r d s ：l a b v i e we m b e d d e dm o d u l eo p t u e l e e t r o n i c si n f o r m a t i o np r o c e s sa r m o l e dc a n 目录 摘要 a b s t 趾c t 目录 第一章绪论 11 课题研究背景及意义 12 国内外研究现状及发展 13 本文的研究内容与论文的章节安排 第二章总体方案设计一 21 系统组成原理 22 主控实验板基本功能 23 子实验设备 第三章主控实验板硬件电路设计 31 主控实验板硬件组成 32a r m 微控制器模块设计 33c m 通信设计 3 4o l e d 屏及接口电路设计 35m i e r os d 存储卡设计 36 以太网接口设计 37 外部输入输出与调试接口电路设计 38 电源稳压电路设计 39p c b 设计 31 0 本章小结 第四章应用程序设计 4 】嵌入式系统开发环境 42 应用于a r m 微控制器的l a b v 刚嵌入式模块 d 3l a b v i e w 嵌入式模块的建立 44 软件总体设计 4j 软件的模块化设计 46 本章小结 第五章系统测试及结果分析 5l 系统测试 j2 结果分析 总结和展望 工作总结 未来展望 致谢 参考文献 0：o 0伸加旧m埘舯虬耋必踮拍盯嚣肌盯盯弘黔蛐“ 11 课题研究背景及意义 第一章绪论 随着社会的不断发展，国家越来越重视大学生综合能力的培养，传统的“理论型” 人才已经不能满足现今社会的需求。特别是理工类大学生们动手实践能力的培养是 日后成为工程技术人员的基础。因此，他们需要在实验室中经过不断的科研实践来 提高他们的综合能力。然而传统的实验设备和仪器已经落后于快速发展的新理论和 新技术。出现了在学校所学与所用不能在日后的工作中发挥作用，需要重新学习的可 怕现象。因此各太高校纷纷研制新一代的教学仪器使学生在学习理论知识后，提供 动手实践的机会从而达到理论与实际相结合的目的。 光电信息技术是微电子技术与光于技术的结合，它们相互交叉，相互补充与促进 已经成为现代信息科学技术的核心1 。随着光通信、光网络、光存储、光显示和多媒体 技术的出现。光电信启技术己广泛应用于各行各业，成为国家的主导产业。光电检测 这门学科自从“8 6 3 ”计划开始后，经历了十多年的发展，是光电信息学领域中与实验 联系最为紧密的一门学科。理论课上同学们学习光电检测原理，在实验课通过一系列 光电实验来加深同学们的理解，激发兴趣，提高同学的动手能力。 传统的光电实验系统，是以8 位的5 1 单片机或】6 位的a v r 单片机作为核心控制 器，数码管作为显示的硬件设计，加之以c 语言和汇编语言为主的编程语言。由于科 技水平的制约导致运套系统开发周期长、体积庞大、显示界面单一、不具备数据存 储与网路管理等功能。因此传统的光电实验系统已不能满足现今实验室的需要急需 开发出一套跟上实验室建设的新型光电信息处理实验平台。我所参与设计的新一代光 电信息处理平台是以l a b v i e w 嵌入式模块为核心技术以a r m 为核心微控制器使 用o l e d 屏显示，具有数据存储和网络管理功能。以l a b v i e w 作为编程语言项目 开发周期短显示界面形象美观。 1 2 国内外研究现状及发展 虚拟仪器技术产生于二十世纪9 0 年代它将通用计算机与硬件模块结台，用户使 用图形界面来操作计算机，在计算机上显现出虚拟的仪器：。在虚拟仪器中图像的采 集、过程的控制、数据的分析、结果的输出和用户的显示界面等功能都是由软件完成， 硬件h 是为r 解决信号的采集与输出，软件是整个系统的核心，即体现了“软件即是 仪器”的思想。常用的虚拟仪器开发平台有l a b v i e w 、l a b w i n d o w s 、v e e 、c v i 等 其中应用最为广泛的是l a b v i e w 。 l a b v i e w 诞生于2 0 世纪8 0 年代，是由美国应用研究实验室的研宄人员，在一个 大型测试系统中经过不懈的实验尝试下开发的9 。在1 9 9 3 年1 月增加新功能的l a b v i e w 3 0 版本正式发行，从30 版本开始l a b v i e w 作为一个优秀的图形化虚拟仪器开发平 台得到了学术界和工业界的广泛认可，受到广大用户的青睐”。l a b v i e w82 作为第一 个支持中文的版本在国内广泛流行，而如今l a b v i e w 己发展到了l a b v i e w2 0 1 1 版本。 l a b v i e w 的出现大幅度提高了工程项目的开发效率，缩短了产品的上市时间，降低了 对开发人员语言基础的要求一。l a b v i e w 提供的交互式图形化编程方式彻底改变了常 规软件程序设计的方法，程序设计者所需做的只是简单地将函数库中的v i 拖放到程 序框图中并将这些v l 连接起来便完成了程序的设计。l a b v i e w 的一大特色就是其 图形化的编程语言又叫g 语言，这种语言可以在较短的时间内解决多种问题并且 依然可以写出“传统的”代码。它与传统的编程语言( 如c 、c h 或j a v a ) 不同传统 的编程语言采用文本的编辑方式而l a b v i e w 使用称为程序框图的图形化编程语言【”。 这种图形化的编程语言消除了文本编程语言中涉及的许多语法细节允许我们只须关 注应用程序中的数据流。随着l a b v i e w 用户的增加，使它在当今社会中发挥着越来越 重要的作用在通信、汽车、航空、电力、自动化、生物医疗、家用电气、测试测量 等众多领域l a b v i e w 都得到了广泛的应用。l a b v i e w 已经成为测试测量领域的标准 化工具它有功能强大的数学和信号处理函数库可以满足编程人员对采集到的信号 进行滤波、变换、提取和运算的需求“。 l a b v i e w 嵌入式开发模块将l a b v i e w 的应用范围扩展到3 2 位嵌入式微处理器， 为嵌入式系统的设计、仿真和调试提供了图形化的编程方式”。有了l a b v i e w 嵌入式 开发模块，科研人员便可咀直观的使用图形化设计算法，为他们的嵌入式应用编程， 并可交互的进行实验，极大地提高r 调试代码的效率“。它提供上百种函数用于信 号运算、滤波、曲线拟台、信号变换、谱分析、线形代数、概率与统计、微积分、几 何和多项式等。它也可以自动生成c 代码与选定的微控制器编译工具连接起来。以下 两个例子是使用l a b v i e w 嵌入式开发模块的实际项目应用。 加州大学怕克利分校的计算机科学和电子工程学院的工程师采用专用于a r m 微 控制器的l a b v i e w 嵌入式模块对连接到i r o b o tc 陀a t e 移动机器人平台的a r m 微控 制器编程开发一个嵌入式系统如图i1 所示该系统主要用于学生的嵌入式教学。该 系统中的移动机器人需要对传感器采集到的外界物理数据进行处理，对机器人所处的 物理环境做出快速响应井驱动运动控制设备产生相对应的运动3 。在设计课程时 他们采用了l a b v i e w 直观的图形化设计软件。l a b v i e w 提供开放、灵活的软件设计 平台，可以混合使用c 语言、数据流和状态图等程序设计方法。学生们所要做的是编 写应用程序控制该机器人移动到指定目的地上，同时避开人工设置的障碍物1 。在实验 过程中最初他们使用c 语言和汇编语言以k e i lg v i s i o n 3 为平台，在没有使用任何嵌 入式操作系统的情况下进行程序设计以达到管理传感器和运动控制设各的目的。在 使用汇编语言和c 语言联合编写出一个可以满足要求的应用程序后，他们开始使用 l a b v i e w 嵌入式模块( 用于a r m 做控制器) 编写的程序对移动机器人进行调试4 。 完成这个实验后，同学们清楚的认识到与传统的汇编语言和c 语言相比，使用l a b v i e w 嵌入式模块可以更快速的进行程序设计和更方便的进行程序移植。1 。 囝 圈ii 加州大学伯克利分校研制的移动机器人平台 如图j2 所示北京联合大学在2 0 0 9 年，应用l a b v i e w 嵌入式模块成功研制了 国内第一款使用图形化编程语言的嵌入式实验系统。该系统采用基于a r mt o r t e x - m 3 内核的l m 3 s 8 9 6 2 嵌入式微控制器软件上利用l a b v i e we m b e d d e dm o d u 】cf o ra r m m i c r oc o n t r o l l e r 、r 1 】模块，使用l a b v i e w 图形化编程语言进行设计开发3 。该系统不 但适用于嵌人式系统实验敦学，也适用于工程技术人员进行嵌入式系统快速原形设计 与验证。 图i2 北京联台大学开笈的嵌入式实验系统 1 3 本文的研究内容与论文的章节安排 本课题内容来源于光电实验平台项目，该项目是针对传统实验系统存在运算能力 低，操作复杂显示界面单一等不足，设计新一代的光电信息处理平台。新型光电信 息处理平台是在充分调研的基础上以c o r t e x m 3 内核的a r m 嵌入式微控制器 l m 3 s 8 9 6 2 为中央处理器，使用l a b v i e w 嵌入式模块进行程序的编写、编译以及调试， 全文的结构安排如下： 第章绪论，介绍课题研宄背景，国内外发展状况，并给出了本文的主要研充 内容。 第二章总体方案设计提出系统的组成原理，分别说明主控实验板和各个子实 验设备的结构和功能。 第三章，主控实验板硬件电路设计主要描述在主控实验板硬件电路设计过程中 各个芯片的选择和模块化的原理图设计以及p c b 设计过程中的信号完整性分析。 第四章应用程序设计，论述了用于a r m 微控制器的l a b v i e w 嵌入式模块以及 主控实验板中每个软件模块的程序设计。 第五章系统测试及结果分析分析光电实验的实验结果，对系统进行评价。 最后给出工作总结和展望。 第二章总体方案设计 光电信息处理平台是一种集成丁各种光电实验的教学平台。本章首先介绍系统组 成原理t 之后分别介绍组成光电信息处理平台的两部分：主控实验板和各个子实验设 备，其中主控实验扳是本论文的主要研究内容。 21 系统组成原理 牟系统以l a b v l e w 撒八式楼块为核心技术，实现对主控实验板巾的核心微控带0 器 l m 3 s 8 9 6 2 的程序编写与调试。系统主要由l m 3 s 8 9 6 2 主控实验板，上位机l a b v i e w 嵌入式模块咀及各个子实验| 殳笛_ 二大部分构成，组成框图如图2 】所示。其中： 主拄实验板集成了c a n 通信模块、o l e d 屏显示模块、m i c r os d 卡数据存储 模块和网络管理模块； 在屯脑上安装集成嵌入式a r m 模块的l a b v i e w2 0 1 l 软件这样便实现了上 位机的鞔件环境。电脚使用u s b 接几与仿真器连接后通过j t a g 方式对主控实 验板中l m 3 s 8 9 6 2 微控制器进行在线仿真与调试； 主控实验板与各个子实验设备通过自定义通信协议的c a n 总线进行姬信，实 现命令与数据的传送，先战各种光电实验，包括电机测速、p s d 位置测量、光 电密码锁、 l 外遥控热释电报臀、光变频率和数字n 用表等。 l m 3 s 8 9 6 2 j 托女验& n 鼢勰襻糯馨般 吲2 i 系统目1 成框图 22 主控实验板基本功能 如图22 所示，土控实验板的基本功能如下： 与各个子实验设备进行通信( 传递控制指令和实验数据) 对数据进行处理井通往o l e d 屏显示实验结果： 5 对数据进行处理并通过o l e d 屏显示实验结果 通过m i c r os d 卡记录实验数据： 通过网口与上位机实现网络管理功能。 23 子实验设备 圉2 2 主控实验板 子实验设各是光电信息处理平台重要的前端组成部分，主要由传感器组成。该设 备实现的功能是：把检测到的外界物理信号( 咀光信号为主) 转变为电信号后通过c a n 总线传给主拉实验板。下面对各个子实验设备进行简要的说明。 2 3 1 热释电报警 如图二3 所示，热释电传感器检测人体发出的红外信号并将此信号转换成电信号。 当有人靠近热释电报警实验设备时热释电传感器r e 2 0 0 b 识别人体发出的红外线， 产生一个微变的电压信号。为了识别此微小的电压信号需将此信号通过红外传感处 理芯片，进行信号处理然后送给l m 3 s 2 1 】0 芯片对此信号进行运算咀完成报警功能。 热释电传感器_ = 、 信号处理电路 2 3 2 光电密码锁 图2 3 热释电报警系统框鞫 反射式光电开关二、 对射式光电开关三：、 光电耦台器件= l i d 3 s 2 1 1 0 自i 光敏电阻巴匹_ 闰2 4 光电密码锁 6 如图2 4 所示，光电密码锁实验使用反射式光电开关作为密码的第一位，对射式光 电开关作为密码的第二位，光电耦合器件作为密码的第三位光电池作为密码的第四 位，光敏电阻作为密码锁的复位信号。输入密码的同时会在o l e d 屏上显示输入的密 码，当四位密码全部输入正确时会播放密码正确的动画。 2 3 3 光变频率 如图2 5 所示，光变频率实验是利用光敏二极管处于反偏时的电流源特性，能将亮 度转换成频率。因此，使用光电转换电路可以将光信号转换成频率信号之后对频率 信号进行测量( 用赫兹来表示光照强度) 。在入射光照射下，光敏二极管产生光电流对 电容进行充电，电容将很快充电到5 5 5 定时器的输入门限电压，这时5 5 5 定时器输出 为低电平，使电容放电当放电为零时，5 5 5 定时器输出高电平，这样便输出一个完整 的电压周期信号，也就是输出光照的频率波。 丐囊。脚刻 ；。一一r 引” 234 电机测速 图2 5 兜变频率原理框图 直流电机的转速与供电电压成线性比例关系。实验中通过调节滑动变阻器来控制 电压从而逃到改变电机转速的目的。测速系统的前端由光电耦台器与栅格圆盘组成。 当直流电机通过转动部分带动栅格圆盘旋转时，测速光电耦台器获得一系列脉冲信号 即光耦产生的脉冲1 。如图2 6 所示，当电机旋转时，叶扇从光耦中间经过引起光耦 的输出电压变化，继而引起比较器的输出电压发生变化即产生方波信号，最后通过 测量的方波信号来计算电机的转速。 丽 ) 日日# l ， m r _ ； i i b 、 一 l 二了d k 二二二= 图2 6 电机测速原理框图 2 3 5 红外遥控 如图27 所示，红外遥控设备主要由遥控器和接收模块两大部分组成，在模块内部 应用编解码专用芯片来进行信号调节。发射部分由矩阵键盘电路、编码与调制电路、 l e d 红外发送电路组成。当发射器按键按下后，通过红外发射二极管产生红外线向空 间发射，即发出3 2 位二进制的遥控码，根据所按的键值发送不同的遥控码。接收部分 由红外探头、光电放大电路、解调电路和解码电路组成。接收电路实现从红外线接收 到输出与t t l 电平信号兼容的编码信号的功能，最后，使用l m 3 s 2 1 1 0 微控制器对发 来的信息进行定位解调。 图27 红外遥控原理框图 236 数字万用表 如图2 8 所示使用a c d c 转换电路、电流一电压转换电路和电阻一电压转换电路 分别将交流电压信号、直流电流信号和电阻阻值转换为直流电压信号再利用 m c l 4 4 3 3 d 转换芯片完成模拟信号到数字信号的转换。该系统采用直流供电，由直 流电流测量模块、直流电压测量模块、交流电压删量模块、电阻测量模块、m c l 4 4 3 3 a j d 转换模块、量程选择模块以及l m 3 s 2 11 0 控制传输模块组成具有测量直流电流、直 流电压、交流电压和电阻的功能。 n “自 7 _ t # * i 二二二= n 一= l 、童嚣h 口目= 、# 二二；岛 ，曦# = ) 邺2 l l o 7 j i t 自* r # # t # # 一 = = 矗嚣f 圈2 8 数字万用表原理框图 2 3 7p s d 位置羽4 量 如图2 9 所示，p s d 是一种新型位置传感器，当光源照射到p s d 位置传感器上 8 p s d 产生电流信号，为了便于处理，运用o p 0 7 将电流信号转换成电压信号，再对电 压信号进行加、减法电路处理，然后使用a d 转换芯片i c l 7 1 3 5 把处理结果转换成数 字信号将数字信号送给l m 3 s 2 1 1 0 。 闰2 9p s d 位置测量原理框图 第三章主控实验板硬件电路设计 31 主控实验板硬件组成 如图31 所示，主控实验板的硬件设计是以c o r t e x m 3 内核的a r m 微控制器为核 心控制单元其中包括：通过c a n 总线方式与各个子实验设备进行命令与数据交互的 通信模块：对实验结果进行实时显示的o l e d 屏显示模块：用于进行数据存储的m i c r o s d 卡存储摸块：使用以a 删进行管理的网络管理模块；为各个芯片提供动力的电源供 电模块以及外部输入输出模块。 核心微 控制器 3 2a r m 微控制器模块设计 幽3i 上控实验板结构图 a r m 微控制器模块作为系统的核心设计单元是发挥实验平台功能所必须的组成 部分，也可理解为是用昂少的儿件组成的微控制器工作系统。如图32 所示，对a r m 柬蜕，最小系统一般应眩包括：微控制器、复位电路、时钟电路、电源电路和输入，输 出设各等。 复位i b 站 时“l l u 路 凹3 2a r m 虽小系统 电杯电路 输入输m 设备 32la r m 芯片选择 a r m 是一d v a n c e dr i s ( m a c h i n e s 的缩写，a r m 公司成立于】9 9 0 年，是家知识 产权供应商本身并不生产芯片依靠转让设计许可，由合作公司来生产面向对象方 位更广的芯片”：。a r m 公司现己成为3 2 位嵌入式精简指令集处理器行业中，应用最 为广泛的供应商。a r m 公司商业模式的领先之处在于它拥有超过4 0 0 个全世界范围内 的合作公司，从而保证了a r m 芯片拥有灵活的外围、可扩展的开发工具和面向不同应 用的第三方资源，并且共同促进了基于a r m 架构的微控制器可以很快投入市场”3 。 a r i v i 微处理器具有三大特点： 低功耗、低成本、高运算能力： 3 2 位a r m 指令集和1 6 位t h u m b 指令集同时存在： 全球众多合作公司生产面向不同应用的芯片。 a r m 体系是高级的精简指令集计算机( r i s c ) 体系。a r m 指令集的译码机制比 复杂指令集计算机( c i s c ) 的设计更简单、效率更高井具有以下优点： 指令吞吐率高； 实时中断响应出色： 处理器宏单元体积小、性价比高： a r m 的3 2 位体系结构是目前公认领先的3 2 位嵌入式r i s c 微控制器结构所有 的a r m 微控制器均采用这种体系结构，这可确保当开发者转向不同性能的a r m 儆控 制器时，在软件开发时可获得最大的代码兼容性。a r m 微控制器虽然是基于3 2 位的 体系结构但也同时包含了支持1 6 位指令的t h u m b 指令集在保留丁3 2 位体系优势 的前提下，同时允许软件编码为更短的1 6 位指令使得占用的存储器空间节省率达到 3 5 。 a r m 从“结构到v 7 结构共有6 个产品系列：a r m 7 、a r m 9 、a r m 】0 、a p - 2 v i l l 、 c o r t e x 和s e c u r c o r e 。a r m 7 、a r m 9 、a r m l 0 、a r m 】1 和c o r t e x 是5 个通用微控制 器系列，每个系列拥有不同的特点来满足设计者对性能、功耗和体积的需求。s e c u r c o r e 具有最高的安全等级是专为安全设备而设计的。j 。在名称的使用上采用a r m v 7 体系结构的a r m 微控制器己经不再延用a r m 加数字编号的传统命名方式而是以 c o r t e x 命名。基于v 7 a 结构的称为c o r t e x - a 系列，基于v 7 r 结构的称为c o r t e x r 系 列，基于v 7 m 结构的称为c o r t e x m 系列。c o r t e x a 系列是针对性能不断提高的无线 通信和消费娱乐产品：c o r t e x - r 系列是针对需要运行实时操作系统来快速执行各种复 杂的控制算法与实时工作等运算方而的应用：c o r t e x m 系列则是为那些对成本敏感同 时对存储器容量和处理器性能要求不断增加的微控制器应用所设计的。 c o r t e x 系列微控制器是基于目前最新的a r m v 7 体系结构设计而成。a k m v 7 体系 结构的t h u m b 一2 技术是在之前的t h u m b 指令压缩技术的基础上不断优化产生的，并且 保持与之前编写的a r m 代码完全兼容。t h u m b 一2 技术比3 2 位a r m 代码减少使用3 1 的内存降低了系统的资源使用率：同时比t h u m b 指令集在解决方案上高出3 8 的性 能。c o r t e x m 3 仅仅使用t h u m b - 2 指令集这是个标志性的突破它使得j 6 位指令 和3 2 位指令变融不但提高了代码密度而且改善了处理性能。为了优化处理性能很 多应用程序都混合使用t h u m b 和a r m 代码段然而，这种混合使用在状态切换时是 有额外开销的。男一方面a r m 代码和t h u m b 代码需要使用不同的编译方式，这也增 加了软件开发与管理时的复杂性。伴随着t h u m b - 2 指令集的出现终于可以在单一的 编译模式下进行所有的处理，再也不用来回切换了。 c o r t e x m 3 处理器是为了缩减产品成本而专门开发设计的，具有精简的存储器和处 理器尺寸，它使用了多种新技术。来减少内存的使用。在非常小的内核上提供高性能 和低功耗可实现8 位和1 6 位微控制器代码向3 2 位微控制器的快速移植。c o r t e x m 3 系列微控制器是现今使用门数最少的a r m 处理器，因此可以设计成芯片面积最小化和 生产工艺低成本化。c o r t e x m 3 系列微控制器仅使用3 3 0 0 0 门的内核就可达12 d m i p s m h z 的性能，此外，还具备高度集成化和紧耦台的系统外设在有限的芯片空 间上，c o r t e x m 3 内核达到了满足下一代控制类产品的需求。i ”。c o r t e x m 3 系列微控制 器集成了3 2 位的哈佛体系结构和系统外设包括可嵌套的向量中断控制器和a r b i t e r 总线，该技术方案在测试和控制等应用中表现出非常高的性能在1 8 0 a m 制作工艺下。 最高时钟主频可达1 0 0 m h z 。c o r t e x m 3 系列微控制器在硬件上还具有t a i l c h a i n i n g 中 断技术，该中断处理技术是完全基于硬件的处理技术具有最快的相应速度，可最多 缩短1 2 个时钟周期的中断延迟时间 。c o r t e x m 3 系列微控制器在推出单线调试技术 的同时还兼容j t a g 调试模式，并全面支持r e a i v i e w 在线调试和编译功能。c o r t c x - m 系列与a r m 7 系列微控制器相比，具有下列优势： 哈佛结构： 支持串行调试： 系统支持位绑定操作： 高效率的t h u m b - 2 指令集： 支持非对齐的数据访问指令： 引入分组堆栈指针机制： 内核支持低功耗模式： 3 2 位单周期乘法和硬件除法单元； 3 级流水线和转移预测： 定义了统一的存储器映射： 拥有先进的故障处理机制： 内置嵌套向量中断控制器； 极高的性价比。 如图3 3 所示，t i 公司所提供的s t e 1 a r i s 系列微控制器是第一款基于c o n e x m 3 内 核的微控制器t 它们为对成本尤其敏感的微控制器应用方案带来了全新的高性能的3 2 位运算能力。这些拥有领先技术的芯片使用户能够以传统的8 位和1 6 位器件的价位来 享受3 2 位的性能，而且所有型号都提供小体积的封装形式。”。s t e l l a r i s 系列微控制器 目前分为4 代： ” 铲镰 图3 3s t e l l a r i s 系列微控制器 第一代s a n d s t o r mc l a s s 沙暴系列：l m 3 s 1 0 0 、l m 3 s 3 0 0 、l m 3 s 6 0 0 和l m 3 s 8 0 0 系列。该系列为最早推出的a r mc o r t e x m 3 微控制器，最高工作频率为5 0 m h z ，为单 周期存储器，其片内最大容量为8 k bs r a m 和6 4 k bf l a s h 。 第二代f u r yc l a s s ，狂暴系列：l m 3 s 1 0 0 0 、l m 3 s 2 0 0 0 、l m 3 s 6 0 0 0 和l m 3 s 8 0 0 0 系列。该系列增加了集成c a n 总线和以太网m a c + p h y 单周期存储器容量扩充为最 大6 4 k bs r a m 和2 5 6 k bf l a s h ，增加了外设s s i 、i ：c 、q e l 和u a r t 。 第三代d u s td e v i lc l a s s ，旋风系列：集成改进的u s bo t c 可选择为= e 机或设备 方式增加j d m a 接口和p w m 输出，增强了g p i o 口驱动能力。在r o m 中预装载 b o o tl o a d e r 引导程序和d r i v e r l i b 驱动库。 第四代t e m p e s tc l a s s 飓风系列：具有低工作电压( 12 v 内部供电) 、高性能 ( 8 0 m h z 和1 0 0 m h z 工作频率j 、用于芯片问高速互联的增强型外围接口和优化的子 系统。 ， n t m t f = = = j 一4 e f i s h t o r t h m ( z ) 渊：等磊一 i e * * 溢 j i i 一三三；= j f 二2 三 = = 。；= ，i = = ；i _ 五一= ：l 毒 = 轭磊 图3 4l m 3 s 8 9 6 2 部分内部资源图 l m 3 s 8 9 6 2 微拄制器是专为工程应用而量身设计的，这些工程应用包括建筑控制、 运动控制、医疗器械、远程监控、游戏设备、火警安防、电子贩售机、工厂自动化、 交换机、网络设备咀及测试和测量设备。对于那些对功耗有特殊要求的项目应用， l m 3 s 8 9 6 2 微控制器还存在一个使用备用电池的休眠模块保证了l m 3 s 8 9 6 2 微控制 器可以在低功耗状态下工作一旦有外部中断触发时可自动被激活。l m 3 s 8 9 6 2 微控制 【3 器以其上电掉电序列技生器和体眠模块照件的存在使其能够广泛应用在低功耗产品 中。l m 3 s 8 9 6 2 微控制器还具有能够方便的在k e i l 和i a r 等多种a r m 的开发平台上 运行的优势，并且支持底层i p 应用方案的片上系统，以及广泛的使用群体。如图3 , 4 所示，本设计主要应用了l m 3 s 8 9 6 2 的c a n 总线、1 0 0 m 网络接口，s p i 接口以及若 干个g p i o 口等资源。 32 2 主振荡器配置设计 l m 3 s 8 9 6 2 的4 8 和4 9 脚为主振荡器配置脚。主振荡器可以应用下面两种方法中的 一种来提供一个频率精准的时钟源：o s c 0 输入管脚连接一个外部的单端时钟源或在 o s c 0 输入和o s c 】输出管脚之间连接一个外部晶体。主振荡器允许的晶体值取决于主 振荡器是否用作p l l 的时钟参考源，8 m h z 的晶振频率经过徽控制器内部p l l 电路倍 频后，最高可逃5 0 m h z 。采用内部p l l 电路的设计方式可以使系统以较低频率的外部 时钟信号获得较高的内部工作频率，从而降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。 如图35 所示，本设计采用在o s c 0 输入和o s c l 输出管脚之间连接一个外部晶体的配 置方式。这种配置方式不但经济而且通过调节晶体两端电容可以达到微调频率的作用。 323 复位电路设计 图3 , 5 主振荡器配置原理图 微控制器复位电路就好比电脑的重启部分当电脑在使用中出现死机按下重启 按钮电脑内部的程序从头开始执行。微控制器也一样，当徽控制器处于运行状态时， 受到环境干扰出现程序跑飞的时候按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复 位也是微控制器每次启动时必须要执行的过程。l m 3 s 8 9 6 2 具有5 个复位源： 外部复位输入管脚( r s t ) ： 上电复位( p o r ) ； 内部掉电( b o r ) 检测器： 软件启动复位： 违反看门狗定时器复位条件。 如图3 6 所示复位电路设计采用外部复位输入管脚( r s t ) 外接m a x i m 公司的 m a x 8 1 1 复位芯片来代替传统的r c 复位电路的设计方案，这种方案提供精准的时序 电路和简易的外部电路。m a x 8 1 】采用凹脚的s o t l 4 3 封装3 v 或5 v 的供电电压， 豁塑赫=器 每次供电电压降至i - j 限以下时，提供至少1 4 0 m s 的复位信号。 32 4 电源设计 图3 6 复位电路设计 l m 3 s 8 9 6 2 需要提供5 种电源： 1 1 0 电源电压( v d d ) ； 内核电源电压( v d d 2 5 ) ： 模拟电源电压( v d d a ) ； 电池电源电压( v b a t ) ： 以太网p h y 电源电压( v c c p h y ) 。 如图37 所示，除内核电源电压由片内低压差稳压器提供25 v 电压和电池电源不 接外其余全部由l p 8 3 4 5 1 l d 提供33 v 电压。 3 25 去耦电容设计 芯片在高速运行时，引脚上的电平会快速的产生变化，对于这种快速的变化，需 要电源模块及时的提供电流给芯片使用但是不能在每一个芯片附近部提供电源模块 只能依靠距离器件最近的电容给予解决“。去耦电容的另一个作用是为高速运行器 件产生的高频噪声提供一条就近流入地平面的低阻抗路径，咀避免这些干扰影响该电 源的其他负载。如图3 7 所示本设计采用00 1 u 、0l u 、47 u 并联的组合方式针对不 同频率的噪声进行去耦处理。 连 e 葺 ：g 二二ji 。” 邑 = = ；懈掣 e = 幂；宁器u _ 咒鲁：= 匿 l 型箩揽 圈37 电源与击耦电容设计 f一 3 3c a n 通信设计 控制器局域网c a n 是一种多主串行数据方式的通信总线，也是应用最为广泛的现 场总线之一。c a n 总线最早出现在2 0 世纪8 0 年代末的汽车工业中，是由德国r o b e r t b a s c h 及几个著名的半导体集成电路制造商开发出来的，目的是节省接线的工作量和提 高总线的仲裁速度3 。目前c a n 已经由i o s t c 2 2 技术委员会批准为i s o l l 8 9 8 和 i s 0 1 1 5 1 9 国际标准t 是最早被批准为国际标准的现场总线。c a n 总线的通信介质可以 是经济的积绞线、稳定可靠的同轴电缆或抗干扰性高的光纤。其通信速率最高可达到 1 m b p s m 在5 k b s 的通信速率时可达最远1 0 k m 的传输距离，最多可挂接1 l o 个设备。 c a n 总线特别适用于电磁辐射和电磁干扰等电子噪声强的环境，它使用平衡差分线或 者更稳定可靠的双绞线来抑制噪声。c a n 总线采用差分电压信号传送方式，只需两根 物理信号即c a n h 和c a n l ，当两根物理信号静态电压均是25 v 左右时表示为逻 辑i 称为隐形：当c a n _ h 电压为3 5 v c a nl 电压为】5 v 时，表示逻辑0 ，稚为 显性。当所有节点都传送i 时，总线处于隐性状态，当有一个节点传送0 时，总线处 于显性状志：。 1 2 c 总线是一种特殊形式的同步通信总线，只需两根线即可完成通信控制方式非 常简单。具有通信速率高，器件封装尺寸小等特点。在主从模式的通信中，可以将多 个l 二c 总线设备同时连接到总线上采用识别设备i p 的方式来选择通信对象。 s p l 总线接口是m o l o r o l a 公司推出的一种采用同步串行技术的外围设备接口。s p i 总线是一种三线同步的串行总线( m o s i 、m i s o 、s c k ) ，具有硬件功能强使用连线 少的优点。 本光电信息处理平台采用主控实验板外接子实验设备的设计结构，其中主控实验 板和各个于实验设备需要进行数据和指令上的通信。考虑到n i 窿入式模块的特点，通 过对比各种总线( s p i 、p c 和c a n ) 的优缺点和适用环境，最终选择了c a n 总线。 在基于c a n 总线的控制系统中所有被控装置挂接在c a n 总线上接受微控制器 l m 3 s 8 9 6 2 内部集成的c a n 通信模块的控制。在做控制器与c a n 总线之闻，需要c a n 控制器、光电耦台器和c a n 驱动器充当信号接口器件。其中，c a n 控制器起主要接 口控制作用，它完成c a n 总线通信协议所要求的全部必要功能。 由于l m 3 s 8 9 6 2 微控制器的c a n 通信模块采用l v t t l 标准逻辑电平，因此需要 与z 相匹配的c a n 总线收发器，把l v t t l 逻辑电平转换成c a n 通信所需的差分标准 电平。s n 6 5 h v d l 0 5 0 是德州仪器公司生产的采用5 v 供电的c a n 总线收发器主要 用于与集成c a n 控制模块的微控制器配套使用，该收发器具有差分驱动能力最高速 率可达1 m b s 。如图3 8 所示l m 3 s 8 9 6 2 微控制器的c a n 总线发送引脚c a n o t x 接 到s n 6 5 h v d l 0 5 0 的数据输入端t x d 进行差分电平转换后把数据传送到c a n 网络 中而c a n 总线接收引脚c a n o r x 与s n 6 5 h v d l 0 5 0 的数据输出端r x d 相连用于 接收经过l v 兀l 电平转换的数据电阻r 5 提供总线终端匹配，用于减少数据收发时 1 6 的驱动器摆率。在本设计中使用跳帽j 7 来选择工作模式只要将j 7 引脚接低电平即可 使s n 6 5 h v d l 0 5 0 工作在高速模式这时收发器在没有内部输出上升斜率和下降斜率 的限制下通信速率达到最高但在高速模式下，最大速率受电缆长度的限制。在j 7 引 脚上加逻辑高电平( 三07 5 v c c ) 可使器件进入等待模式，这时接收器对于总线来说 总是隐性的。 嘲3 8c a n 模块接1 2 电路图 34o l e d 屏及接口电路设计 有机发光二极管即o l e d 具备省电、轻薄等特点。o l e d 显示原理与传统的液 晶显示方式不同可以不使用背光灯而依靠本身自行发光。o l e d 是由特别薄的有机 材料涂层和玻璃基板制成当电流通过o l e d 时，根据o l e d 中的有机材料的不同会 发出不同颜色的光。o l e d 的基本结构是由薄而透明的铟锡氧化物与正极相连，再 加上另一个金属阴极形成的结构。当提供适当电源电压时，阴极电荷与正极空穴在发 光层中相结合，发出亮光，根据1 ；同的材质产生红、绿和蓝r g b 三原色，即基本色彩； o l e d 显示屏可以做到更薄更轻更大的可视角度，更高的亮度更低的电压以达