（电工理论与新技术专业论文）基于嵌入式μclinux油品水分检测仪的研究.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g y , t h e i n s t r u m e n ti s d e v e l o p i n gf r o mt h et r a d i t i o n a la n a l o g yi n s t r u m e n tt o w a r dt h ei n s t r u m e n t w i t ht h en a t u r eo fd i g i t i z a t i o n 、a u t o m a t i o n ，i n t e l l i g e n t 、n e t w o r k i n ga n d m u l t i f u n c t i o n t h ec o m b i n a t i o no ft h ee m b e d d e d t e c h n o l o g y a n d i n s t r u m e n th a v ee x t e n s i v ea p p l i e dp r o s p e c t s o nb a s i so fd i a g n o s i so ft h ea r c h i t e c t u r eo ft h ea r n lm i c r o p r o c e s s o r a n dp c l i n u xs y s t e m ，a n dc o m b i n e dw i t hr e a ls i t u a t i o no fe m b e d d e d m e a s u r i n gi n s t r u m e n to fo i lm o i s t ，t h i sp a p e re m p h a s i so nr e s e a r c ho f i _ t c l i n u xe m b e d d e dm e a s u r i n gi n s t r u m e n to fo i lm o i s ti nt h ea s p e c t so f s o rh a r d w a r ed e s i g n 、p o r to p e r a t i n gs y s t e ma n dd a t ap r o c e s s i n g t h i s p a p e rb u i l dt h ep l a t f o r mo fe m b e d d e ds o f th a r d w a r ew i t ht h es 3 c 4 4 b o c h i pa sc o r e ，a n da c c o m p l i s ht h ep o r te m b e d d e ds y s t e m 、d r i v ep r o g r a m a n da p p l i c a t i o np r o g r a mb a s eo ni t c l i n u xs y s t e mo nt h ep l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ed e s i g no f8 0 1 9n e t w o r kc a r d ，a n dc o m b i n ew i t ht h e t c p i pp r o t o c o l ，t h i sp a p e ra c c o m p l i s hn e t w o r k i n go ff c l i n u xe m b e d d e d m e a s u r i n gi n s t r u m e n to fo i l m o i s t t h i sp a p e rp r o v i d e st h eg r a c e f u l g r a p h i c a li n t e r f a c e ，w h i c hb 而n go u t t h ef u n c t i o no ft h eg r a p h i c a li n t e r f a c e i nt h ee m b e d d e d s y s t e m a i ma tt h ep r o b l e mo ft h ep r e c i s i o no fs i g n a li si n f l u e n c e db y s u r r o u n d i n gt e m p e r a t u r ea n dn o n l i n e a ri nt h et r a n s d u c e r , t h i sp a p e ra d o p t t h ec o m b i n i n ga l g o r i t h mf o rn e u r a ln e t w o r kt r a i n i n gi sf o r m e db y b a c k - p r o p a g a t i o nn e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m ，u s et h ea l g o r i t h mt o c o r r e c tt h en o tl i n e a ra n db u i l du pt h ep r e c i s et r a n s d u c e rm o d e l t h er e s u l t e x p r e s st h ea l g o r i t h mm o d e lc a l lm e a s u r et h ew a t e rc o n t e n to ft h eo i l q u i c k l ya n da e c u r a r e l y k e yw o r d s ：e m b e d d e ds y s t e m , r t c l i n u xs y s t e m ，w a t e rc o n t e n to fo i l ， g e n e t i ca l g o r i t h m ，n e u r a ln e t w o r k i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书 而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献，已在论文的致谢语 中作了说明。 作者签名： 2 垒如 日期：妇1 年月i _ l e j 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位 论文，允许学位论文被查阅和借阕；学校可以公布学位论文的全部或部分内容， 可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部 门的规定，送交学位论文。对以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提 供使用。 作者签名：媳导师签名：到日期：土逝年上月止日 硕十学位论文第一章绪论 1 1 研究目的及意义 第一章绪论 随着i n t e r a c t 的发展和后p c 时代的到来，嵌入式系统成为当前仪器仪表行业 的焦点之一；同时大量的高端用户也对仪器仪表的性能和功能提出了更高的要求 但8 1 6 位单片机由于性能和资源的局限性，只能完成一些基本的功能。计算机技 术和集成电路技术的发展，使得具有高性雒、低功耗、低成本等诸多优点的3 2 位a i i l 处理器广泛应用于消费电子、工业控制和仪器仪表等行业，基于3 2 位a r m 处理器的嵌入式系统技术将对仪器仪表的技术开发产生重大的变革l l l 。 随着微计算机软硬件技术的不断进步，嵌入式系统的开发研究已成为仪器仪 表设备应用研究的热点。p c l i n u x 以其强大的功能、且以完全免费的l i n u x 操作系 统为开发平台，受到国内外厂家青睐，使得快速开发出成本低廉、性能优异的各 类仪器仪表设备产品成为可能。和过去使用简单的操作系统以及没有使用任何操 作系统的嵌入式程序设计相比，采用基于l i n u x 的成熟、高效、健壮、可靠、模 块化和易于配置的操作系统来开发仪器仪表的应用程序，能进一步提高开发效率 1 2 1 。 本课题正是在这种背景下提出的，采用嵌入式j t c l i n u x 技术设计油品水分检 测仪，以达到智能化、网络化、快速化测量油品水分的目的。 1 2 嵌入式系统概述 1 _ 2 1 嵌入式系统的特点 根据i e e e ( 国际电气和电子工程师协会) 的定义：嵌入式系统是用于“控 制、监视或者辅助操作的机器和设备的装置”，此定义是从应用上考虑的，嵌入 式系统是硬件和软件的结合体，还可以涵盏机电等附属装置【3 】。 嵌入式系统有以下特点： ( 1 ) 系统内核小。嵌入式系统一般是应用于小型电子装置，系统资源相对 有限，所以内核较之传统的操作系统要小的多。 ( 2 ) 专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合 非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品 中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时，针对不同的任务，往 往需要对系统进行较大更改；程序的编译下载要和系统相结合。 硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不 要求其功能的设计及实现过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于 实现系统安全。 ( 4 ) 高实时性的操作系统软件是嵌入式软件的基本要求，而且软件要求固 化存储，以提高速度。软件代码要求高质量和高可靠性。 ( 5 ) 嵌入式系统软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。 嵌入式操作系统的应用程序可以没有操作系统而直接在芯片上运行；但是为了合 理地调度多任务，利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，用户必须自行 选配r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 开发平台这样才能保证程序执行 的实时性，可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 ( 6 ) 嵌入式系统开发需要专门的开发工具和环境。由于嵌入式系统本身不具 备自主开发能力，即使设计完成以后，用户通常也不能对其中的程序功能进行修 改，因此必须有一台开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于 通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、示波器等。开发时往往有主机 和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要 交替结合进行。 嵌入式系统是软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术为基 础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、功 耗等严格要求的专用计算机系统【4 l 。 1 2 2 嵌入式操作系统分类 嵌入式系统有硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件薅 方面进行划分。 从硬件方面来看，一般可以将嵌入式处理器分为4 类：嵌入式微处理器 ( m i c r op r o c e s s o ru n i t ，m p u ) ，嵌入式微控制器( m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) ， 嵌入式数字信号处理器( d i g i t a is i g n a lp r o c e s s e r , d s p ) 和嵌入式片上系统( s y s t e m o nc h i p , s o c ) 嘲。 嵌入式微处理器是由通用计算机中的c p u 演变而来的，它的特征是3 2 位以 上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同 的是，在实际嵌入式系统中，它只保留于嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除 其他的冗余功能部分，这样就可以以最低的功耗和资源实现嵌入式系统应用的特 殊要求。 嵌入式微控制器的典型代表是单片机。单片机芯片集成了大量外设。与嵌入 式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和 2 硕士学位论文第一章绪论 成本下降，可靠性提高。 嵌入式数字信号处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和 指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤 波、f f t 、频谱分析等方面，d s p 获得大规模的应用。 嵌入式片上系统是全球产品系统最大包容的集成器件。s o c 的最大特点就是 成功实现了软硬件的无缝结合，至今在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而 且片上系统具有极高的综合性，在一个芯片内部运用v h d l 的硬件描述语言可实 现个复杂的系统。 嵌入式系统的软件一般由嵌入式操作系统和应用软件组成。操作系统是连接 计算机硬件和应用程序的系统程序。操作系统有两个基本功能：使计算机硬件便 于使用；高效组织和正确地使用计算机的资源。操作系统有4 个主要任务：进程 管理、进程间通信与同步、内存管理和i o 资源管理。 嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。实时操作系统是指 具有实时性，能支持实时控制系统工作的操作系统。实时系统的首要任务是调度 一切可利用的资源完成实施控制任务；其次才着眼于提高计算机系统的使用效 率，其重要特点是通过任务调度来满足对于重要事件在规定的时问内作出正确的 响应。实时操作系统和分时操作系统有着明显的区别，具体地说，对于分时操作 系统，软件的执行在时间上的要求并不严格，时间上的延误或者时序的错误，一 般不会造成灾难性的后果；而对于实时操作系统，主要任务是对事件进行实时的 处理，虽然事件可能在无法预知的时刻到达，但是软件必须在事件随机发生时， 在严格的时限内作出响应。即使是系统处在尖峰负荷下也应如此，系统时问相应 的超时就意味着致命的失败。另外，实时操作系统的重要特点是具有系统的可确 定性，即系统能对运行的最好和最坏情况做出精确的估计。 实时系统又可以分为“硬实时系统”和“软实时系统”。硬实时和软实时的 区别在于对外界的事件做出反应的时间。硬实时系统必须是对事件做出及时地反 应，绝对不能错过事件处理的时限。在硬实时系统中如果出现了这样的情况就意 味着巨大的损失和灾难。软实时系统是指，如果在系统负荷较重的时候，允许发 生错过时限的情况而且不会造成太大的危害。 硬实时系统和软实时系统实现的区别主要是在选择调度算法上。对于软实时 系统，选择基于优先级调度的算法足以满足软实时系统的需求，而且可以提供高 速的响应和大的系统吞吐量；而对硬实时系统来说，需要使用的算法就应该是调 度方式简单，反应速度快的实时调度算法。 3 硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 嵌入式系统现状及发展方向 嵌入式的应用几乎无处不在：移动电话、家用电器、汽车无不有它的踪 影。嵌入控制器因其体积小、可靠性高、功能强、灵活方便等许多优点，其应用 己深入到工业、农业、教育、国防、科研以及日常生活等各个领域，对各行各业 的技术改造、产品更新换代、加速自动化化进程、提高生产率等方面起到了极其 重要的推动作用 6 1 。 随着科学技术的发展，嵌入式的发展前景越来越广阔，其发展趋势如下。 ( 1 ) 嵌入式产品将与互联网应用相互促进，快速发展，嵌入式产品将成为 互联网的主要终端之一，网上将出现大量的服务于嵌入式产品的软件，并有专门 服务于嵌入式产品的内容。 ( 2 ) 随着微电子技术的快速发展，芯片功能更加强大，s o c 将成趋势，这 不仅能降低成本，缩小产品体积，还将增强产品的可靠性。同时，软件硬件的紧 密结合，嵌入式软件与硬件界线更加模糊，嵌入式软件时常以硬件形态存在，这 种方式可提高实时性，增强可维护性。 ( 3 ) 无线通讯产品将成为嵌入式软件的重要应用领域。一方面，已有无线 产品将借助芯片技术和嵌入式软件来提高性能，另一方面当前许多嵌入式产品都 将增加无线通讯功能。因此，未来几年，蓝芽等相关技术会与嵌入式软件相互促 进，共同发展，使更多的产品具有通讯功能，使更多的通讯产品更好地为用户服 务。 ( 4 ) 嵌入式操作系统将与嵌入应用软件协同发展。嵌入式应用软件是嵌入 式系统中的重要组成部分，但是嵌入式系统的应用领域十分广泛，需要实现的功 能也是千差万别，所以只有充分重视应用软件的发展，才能满足丰富多彩的应用 要求。 ( 5 ) 嵌入式操作系统是在多种硬件平台上发展起来的，随着嵌入式系统的 广泛应用，信息交换、资源共享机会增多，由此相关的标准闯题也将f l 渐突出， 如何建立相关标准成为业界关注的问题。 1 3 嵌入式系统在检测仪表中的应用 仪器仪表示测量的基本工具，是信息获取的重要源头。在工业、农业、国防、 科研等多个领域中，仪器仪表产品都占据着重要的地位。从某种意义上来讲，一 个国家仪器仪表行业的技术水平代表着这个国家的科学技术水平。随着计算机、 微电子技术的发展，传统的仪器仪表发生了巨大的变革。现代仪器仪表是测量技 术、电子技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物，与传统仪器仪表相比 4 硕十学位论文第一章绪论 较，它的功能更加强大，性能指标不断提高，仪器仪表正由传统的指针式仪表向 数字化、自动化、智能化、网络化和多功能的方向发展。将嵌入式技术和仪器仪 表相结合，将这些设想变为可能【刀。 嵌入式系统允许根据具体的应用要求对软硬件进行裁减，从而满足系统要求 的最小软硬件配鼍，因此可以发挥强大性能，使得仪器仪表将传感测量、补偿计 算、工程量处理与故障诊断等功能集于一身，并能充分利用网络时代的优势，完 成远程维护、远程控制、故障预报等以前无法处理的功能。芯片、总线、接口技 术等成为仪器仪表的核心，嵌入式系统成为技术的代表，并形成了仪器仪表行业 的发展趋势。这也标志着仪器仪表的智能化水平又上了个台阶l s l 。 1 4 论文的主要内容及研究工作 本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 在分析 r m 嵌入式微处理器的体系结构的基础上，构建了以s 3 c 4 4 8 0 x 为核心适合本研究课题的嵌入式硬件平台； ( 2 ) 在对l i n u x 、h c l i n u x 操作系统的主要特点进行深入分析的基础上，研 究了基于a r m 的p c l i n u x 裁减、移植问题。 ( 3 ) 实现了基于“c l i n u x 的驱动程序的开发，同时对p c l i n u x 文件系统做了 研究分析，并实现了文件系统的底层驱动及在对应硬件平台上的实际应用。 ( 4 ) 对油品水分检测的原理进行了深入研究。在油品水分检测的过程中， 由于射频电容法固有的特性，温度对水分传感器测得的电压有一定的影响。首先 采用防脉冲干扰平均值滤波法滤除采集信号中的干扰信号，然后采用基于遗传算 法的神经网络算法对温度传感器和水分传感器测得的电压值进行多参数非线性 校正得到比较合理的水分含量值。 ( 5 ) 将应用程序移植到p c l i n u x 操作系统，实现了油品水分的监测。 硕十学位论文 第二章油品水分检测仪系统硬件设计 第二章油品水分检测仪系统硬件设计 嵌入式系统的最大特点是其所具有的目的性或针对性，每一套嵌入式系统的 开发设计都有其特殊的应用场合与特定功能，这也是嵌入式系统与通用计算机系 统的最主要的区别。嵌入式系统是为特定的目的而设计的，常常受到空间、成本、 存储、带宽等条件的限制，因此，它必须最大限度地在硬件和软件上“量身定做” 以提高效率。本章主要介绍基于嵌入式i lc l i n u x 油品水分检测仪系统的硬件设 计。 2 1 系统硬件结构图 在实际测量中发现油品的含水量不仅与水分传感器输出值有关，而且与环境 温度也有关，因此需要在检测水分的同时，也对环境温度进行检测，并通过系统 对相应数据的处理得到准确的测量值【9 l 。基于嵌入式i t c l i n u x 油品水分检测仪的 系统原理框图如图2 1 所示。 图2 - 1 系统原理框图 由图2 一l 可知，油品水分检测仪可以分为模拟部分和数字部分。模拟部分主 要由传感器、信号调理电路、a d 转换电路等部分组成。其中温度传感器采用的 是热敏电阻，水分传感器采用的是射频电容传感器，并且将这两个传感器测得的 模拟信号先进行滤波，去除噪声干扰，接着对信号进行测量放大。这是传感器输 入信号调理电路。主要是模拟信号滤波、把信号的变化范围放大到a 仍转换器 6 硕士学位论文 第二章油品水分检测仪系统硬件设计 的输入电压范围之内及信号的隔离等功能。数字部分完成对a d 转换后的数字 信号进行处理，与其他相关设备的通信等功能”o i 。本系统不是高频电路，所以 采用标准的2 层p c b 电路板结构，系统的主要硬件资源有s 3 c 4 4 b o x 嵌入式处 理器，2 m b n o r f l a s h ，8 m bs d r a m ，1 6 m b n a n d f l a s h , l c d ，及网络通信接口等。 2 2 系统各模块电路的设计 本文c p u 芯片选择的是s 3 c 4 4 b o x ，完成这个系统的总体控制功能。其中 a d 转换。w e bs e r v e r 实现和数据处理程序均在其上实现。 以太网接口部分主要由r t l 8 0 1 9 a s 芯片构成，是网络通信硬件基础。f l a s h r o m 和s d r a m 模块是程序存贮和运行空间。键盘和l c d 模块完成人机对话， 实现友好的人机交互。r s 2 3 2 模块完成调试程序时的输入输出，或与其它设备通 信。j a t g 接口主要用于烧入和在线调试程序。 2 2 1 a r m 核心模块 7 矮士学位论文第二章浊晶水分检测仪系缆硬件漫诗 团2 - 2s 3 c 4 4 b o x 体系结构图 系统的核心部分为s 3 c 4 4 b o x 嵌入式处理器，s 3 c 4 4 b o x 处理器是三星 ( s a m s u n g ) 公司的一款1 6 3 2 b i t 的r i s c 的微处理器，采用钓是硒蝴7 t d m i 内核，系统主频最高可达到6 6 m h z 。具有低功耗、高性能，适用于各种手持设 备。为了降低系统功耗，s 3 c 4 4 b o x 还内置了8 k b 高速缓冲存储器( c a c h e ) ， 可选择内置静态存储器( s r a m ) ，l c d 控制器，带有握手协议2 路异步串口 ( u a r t ) ，4 通道d m a ，系统控制部分由片选逻辑，f p e d o s d r a m 控制器部分 组成，5 路具有脉冲调制的计时器，7 1 个通用i o 接口，实时时钟( r t c ) ，8 路 l o 位a d 转换器，i i c 总线接口，i i s 总线接口，s i o 接口，内置锁相环( p l l ) 。 s 3 c 4 4 b o x 体系结构图如图2 - 2 所示l l l l 。 2 2 2 信号调理模块 1 d 转换器模块 s 3 c 4 4 b o x 内部自带8 路1 0 位的模数转换器( a d c ) ，它是一个逐次逼近 型的a d c ，内部结构中包括模拟输入多路复用器、自动调零比较器、时钟产生 器、l o 位逐次逼近寄存器( s a r ) 、输出寄存器等，如图2 - 3 所示，该a d c 还 可以提供可编程选择的睡眠模式，以节省功耗。 呐p 诳 翊似 图2 - 3s 3 c 4 4 8 0 x 内部 d c 结构图 a d c i k r d a t a b u s 另外，出于对电压的稳定性的考虑，正向参考电压r e f r ，反向参考电压r m 和模拟共用电压v c o m 应该相应地连接一个旁路电容。如图2 _ 4 所示 a d c 转换时自j 可以通过下列公式进行计算， ，- 半 倍d 式中t 为转换对汹，口。为设置的一个预分频值，o 为系统的主频。 s 3 c 4 4 b o x 内部的a d c 不具备采样保持电路，因此虽然它具有较高的采样 8 硕十学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 速度，但是为了得到精确的转换数据，输入的模拟信号的频率应该不超过1 0 0 h z 。 我们的需要检测信号5 0 h z 转换率已经足够。因此没必要使用采样保持器。故可 以是用片内 d 转换器。 s 3 c 4 4 b o x 的a d c 的输出为l o 位数字量，由于输出的满刻度电压为2 5 v ， 因此，a d c 能分辨出来的输入电压变化的最小值为2 5 2 m = 2 4m v 。 2 2 3 通信接口模块 图2 - 4a o 外部引脚配置 1 以太网接口模块 本文以太网控制器使用的是r t l 9 0 1 9 a s ，r t l 8 0 1 9 a s 是台湾r e a l t e k 公司 生产的一种高度集成的全面支持i e b b 8 0 2 3 标准的以太网控制器芯片，软件兼容 n e 2 0 0 0 ，同时还支持微软的p n p 规范i l 甜。其性能优良、价格低廉，在1 0 m b p s 中占有相当的比例。s 3 c 4 4 b o x 的以太网接口电路如图2 - 5 所示。在图中它通过 网络变压器和r j 4 5 接口与网络相连。 1 a 1 0 s o “s 9 0 0 “d 1 5 s i x ) ”15 e x i n t l_i n t 0 t p i n 一 r d n 0 e- i o r b n w e_ -i o 船t p o u t i d n r e s e t _ r s t d r v r j 4 5 n g c s 5 a e n f c - 5 18 l s s 3 p a 4 8 0 x r t l 8 0 1 9 a s 图2 - 5 以太网模块示意图 r t l 8 0 1 9 a s 的主要特性如下： i ) 符合e t h e m e tl i 和i e e e 9 0 2 3 标准： 2 ) 支持跳线和非跳线两种工作方式； 3 ) 全双工，收发可同时达到1 0 m b p s 的速率； 9 弓 硕士学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 4 ) 内置1 6 k b 的s r a m ，用于收发缓冲，降低对主处理的速度要求； 5 ) 支持8 1 6 位数据总线； 6 ) 8 个中断申请线以及1 6 个i o 基地址选择； 7 ) 支持u t p 、a u i 、b n c 自动检测； 8 ) 支持对l o b a s e t 拖布结构的自动修正； 9 ) 和n e 2 0 0 0 系列兼容； l o ) 允许4 个诊断l e d 引脚可编程输出； 儿) 1 0 0 脚p q f p 封装。 r t l 8 0 1 9 a s 内部可分为远程d m a 接口、本地d m a 接口、m a c ( 介质访问控制) 逻辑、数据编码解码逻辑和其他端口。 远程d m a 接口是指c p u 对r t l 8 0 1 9 a s 内部r a m 进行读写的总线，即i s a 总线 的接口部分。c p u 收发数据只需对远程d m a 操作。本地d m a 接口是把r t l 8 0 1 9 a s 与网线的连接通道，完成控制器与网线的数据交换。 m a c 逻辑完成以下功能：当c p u 向网上发送数据时，先将一帧数据通过远程 d 姒通道送到r t l 8 0 1 9 a s 中的发送缓存区，然后发出传送命令；当r t l 8 0 1 9 a s 完 成了上帧的发送后，再开始此帧的发送。r t l 8 1 9 接收到的数据通过m a c 比较、 c r c 校验后，由f i f 0 存到接收缓冲区；收满一帧后，以中断或寄存器标志的方 式通知主处理器。f i f o 逻辑对收发数据作1 6 字节的缓冲，以减少对本地d m a 请 求的频率。 r t l 8 0 i g a s 内部有两块r a m 区。一块1 6 k 字节，地址为0 x 4 0 0 0 0 x 7 f f f ； 一块3 2 字节，地址为o x o o o o o x 0 0 1 f 。r 删按页存储，每2 5 6 字节为一页。一 般将r a m 的前1 2 页( 即0 x 4 0 0 0 0 x 4 b f f ) 存储区作为发送缓冲区；后5 2 页( 即 o “c 0 0 0 ) 7 f f f ) 存储区作为接收缓冲区。第0 页叫p r o m 页，只有3 2 字节，地 址为o x o o o o o x 0 0 1 f ，用于存储以太网物理地址。 要接收和发送数据包就必须通过d m a 读写r t l 8 0 1 9 a s 内部的1 6 k br a m 。 它实际上是双端口的r a m ，是指有两套总线连接到该r a m ，一套总线r t l 8 0 1 9 a s 读或写该r a m ，即本地d m a ；另一套总线是单片机读或写该r a m ，即远程 d m a 。 r t l 8 0 1 9 a s 具有3 2 位输入输出地址，地址偏移量为o o h i f h 。其中o o h o f h 共1 6 个地址，为寄存器地址。寄存器分为4 页：p a g e o 、p a g e l 、p a g e 2 、p a g e 3 。 由r t l 8 0 1 9 a s 的c r ( c o m m a n dr e g i s t e r 命令寄存器) 中的p s i 、p s o 位来决定要访 问的页。但与n e 2 0 0 0 兼容的寄存器只有i ； 3 页，p a g e 3 是r t l 8 0 1 9 a s 自己定义 的，对于其他兼容n e 2 0 0 0 的芯片无效。远程d m a 地址包括l o h 1 7 h ，都可以用 来做远程d m a 端口。复位端口包括1 8 h 1 f h 共8 个地址，功能一样，用于 1 0 硕士学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 与主机接口模式 b i t 0 _ i 起始地址 i o 起始地址 选定中断请求引脚 网络接口类型 选a u i 或b n c 接口 主机内存读命令 主机内存写命令 接高电平，选跳线模式，i o 地址由i o s 3 o 决定 接地，禁用b r 嗍 接地，i 0 地址从3 0 0 h 开始 接地，用i r q 2 9 引脚做中断请求 接地，自动检测双绞线还是同轴电缆 按地，用双绞线或同轴电缆做传输介质 接高电平，主机采用的是内存和外设统一编址方式 接高电平，主机采用的是内存和外设统一编址方式 r t l 8 0 1 9 a s 在网卡中通常有e e p r o m 作为配置存储器，同时它的使用i s a 总 线。在嵌入式系统中不使用e e p r o m 做b r o i l ，也不使用i s 总线，所以就必须使 用跳线方式，其相关的引脚的通常设置如表2 - 1 所示。 s 3 c 4 4 b o x 和r t l 8 0 1 9 a s 的通信通常采用1 6 位数据线通信。在1 6 位数据总 线模式下，s 3 c 4 4 b o x 地址线与外设地址线需要错位。r t l 8 0 1 9 a s 收到别处发来的 数据包后通过中断向s 3 c 4 4 b o x 提出请求。通常使用双绞线作为传输媒介，按照 i e e e 标准要求要通过隔离变压器与电缆传输介质连接。典型的磁性器件模块包 含两个隔离变压器，一个用于双绞线对发射机，另一个用于接收机。通过这两个 隔离变压器与传输介质物理隔离和交流耦合。 2 串行口模块 d 瑚 c 1 2 1 0 4 c 1 5u 1 0 4广 、虻cg l + 静c 1 1 1 0t i i r um 0 口0n i r越r20 譬 c 2 + l ： 瓤 啦3 2 l 图2 - 6 异步串行口原理图 l j 上 j丁 no 1 2 础鳓 磐 。- 1 5士 c 1 3 l * c 1 4 1 0 伽 b b仫卜眦咖棚耶蚍蹴叭札鲫| 硕士学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 s 3 c 4 4 b o x 的u a r t 单元提供2 个独立的异步串行通讯口。每个u a r t 单元包 括一个1 6 字节的f i f 0 ，用于数据接收和发送。u a r t 通过对寄存器编程可以实现 波特率、红外发送接收、停止位、数据宽度和奇偶校验的选择。 波特率是有一个专门的u a r t 波特率分频寄存器( u b r d i v n ) 控制，其计算公 式1 3 1 如下： u b r d i v n = m c l k ( b p s * 1 6 ) - 1 ( 2 - 2 ) 式中：m c l k 是系统时钟，u b r d i v n 为寄存器取值，b p s 为波特率， 表示 取整函数。 在实际使用的过程中，s 3 c 4 4 b o x 产生的t t l 不适宜远距离传送。一般通过 r s 一2 3 2 标准进行传输，这需要外接一个r s 一2 3 2 转换芯片电路图如图2 - 6 所示。 2 2 。4 人机交互模块 1 l c d 显示模块 s 3 c 4 4 b o x 内置l c d 控制器可以支持规格为每像素2 位( 4 级灰度) 或每 像素4 位( 1 6 级灰度) 的黑白l c d 。也可以支持每像素8 位( 2 5 6 级颜色) 的 彩色l c d 屏。l c d 控制器可以通过编程支持不同l c d 屏的要求。l c d 控制器 的主要的工作，是将定位在系统存储器中的显示缓冲区中的l c d 图像数据传送 到外部l c d 驱动器。 l c d 控制器逻辑框图如图2 7 所示 图2 - 7l c d 控制嚣逻辑框图 s 3 c 4 4 b o x 中用于传输显示数据并产生必要的控南4 信号引脚有v f a m e ( 帧 同步信号) ，v l i n e ( 行同步信号) ，v c l k ( 像素时钟信号) ，v m ( l c d 驱动器使 硕士学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 用的交流信号) 。除了控制信号，还有显示数据端口v d 7 ：0 。 s 3 c 4 4 b o x 的l c d 控制器支持3 种l c d 驱动器：4 位双扫描，4 位但扫描， 8 位单扫描模式。s 3 c 4 4 b o x 支持硬件方式的平行或垂直滚动。如果要使屏幕滚 动，可以通过修改l c d s a d d r i 和l c d s a d d r 2 寄存器中的l c d b a s e u 和 l c d b a s e l 的值来实现。 2 键盘模块 键盘由与门构成中断输入电路，锁存器和二极管构成键盘检测电路。有键按 下时，l 4 脚任意一个连通下面5 8 脚任一个形成一个键盘动作。当没有按键 按下的时，数据线被上拉为高电平；当有按键按下时，硬件电路产生中断通知处 理器。中断程序通过对行线和列线进行扫描操作，取得输入的键盘值【州。键盘 的电路原理图如图2 8 所示。 2 2 5 存储模块 图2 - 8 键盘模块电路原理图 1 s d r a m 模块 s 3 c 4 4 b o x 具有一个可编程8 1 6 3 2 位宽的s d r a m 接口，s d r a k l 分成4 个 b a n k ，每个容量为1 m * 1 6 b i t b a n k 的地址由b a 0 ，b a i 决定。在每个b a n k 中由 硕士学位论文 第二章油品水分检测仪系统硬件设计 行地址脉冲选通和列地址脉冲选通进行寻址。 本文所采用的$ 3 c 4 4 8 0 主板的s d r a m 存储器是采用8 m 字节的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 h g ， 其主要用于设置程序堆栈和存放各种变量，以及操作系统和程序的运行空间。采 用1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器，将其映射到$ 3 c 4 4 8 0 的b a n k 6 ，地址的空间 范围为o x o c 0 0 0 0 0 0 0 x o c 7 f f f f f ，即s 3 c 4 4 b o x 的n s c s 0 接s d r a m 的n c s 引脚，其接口电路如图2 - 9 所示。 = = 图2 - 9s d r a m 系统连接图 2 n o rf l a s h ( a m 2 9 l v l 6 0 b ) 由子s 3 c 4 4 b o x 自身不具有r o m ，必须外接r o m 器件来存放掉电后需要保存的 代码和数据，比如启动代码b o o t l o a d o r ，z c l i n u x 的内核映像文件等。 本文所用主板的r o m 是采用2 m 字节的a m 2 9 l v l 6 0 b 芯片 1 6 j ，a m 2 9 l v l 6 0 b 芯 片是1 m * 1 6 b i t 的c m o s 工艺制造的f l a s h 存储器。无论读操作还是擦除和写操作， 该芯片都较一般的f l a s h 省电。由于f l a s h 所记忆的信息不易丢失，故特别适合 应用于操作系统。f l a s h 主要用于替代r o m ，必要时也可以存储部分重要数据。目 标板的f l a s h 内部用于存放启动代码( b o o t l o a d e r ) ，c l i n u x 内核映像和 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。 1 4 硕士学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 f l a s h 存储器的数据宽度为1 6 位，映射到s 3 c 4 4 b o x 的b a n k o ，地址空间为 o x 0 0 0 0 0 0 0 0 一o x 0 0 2 0 0 0 0 0 ，即s 3 c 4 4 b o x 的n g c s o 接f l a s h 的n e e 引脚。由于 s 3 c 4 4 b o x 是统一字节编址，需要地址偏移，即f l a s h 的 0 接s 3 c 4 4 b o x 的a l ， 接口电路如图2 一1 0 所示。 o f 因2 - 1 0n o rf l a s h 系统连接图 3 n a n df l a s h ( k 9 f 2 8 0 8 u o b ) n a n df l a s h 是采用1 6 m 字节的k g f 2 8 0 8 u o b 芯片，它的存储空间以页为单位。 一页是由5 1 2 字节的数据和1 6 字节的备用空间组成。备用空间可以用来存储纠 错码，坏块信息和文件系统相关的数据( e c c ) 。本文仅考虑数据空间即可。故可 以认为k 9 f 2 8 0 8 u o b 每页大小为5 1 2 字节。3 2 页组成一个块。因此块的大小为1 6 k 。 对芯片的读写擦除命令的写入都是通过置高c l e 引脚同时肉i 0 0 i 0 7 写入命 令代码字节来完成。地址的写入则通过置高a l e 引脚同时写入地址直接来完成。 地址的写入则是通过置高a l e 引脚同时写入地址字节来完成。对n a n d f l a s h 的操 作仅需要对几条信号线进行控制既可以完成。的操作仅需要对几条信号线进行控 制即可完成了。r e 和w e 信号线则可以由相应的b a n k 选择线与c p u 的0 e 和w e 逻辑与来控制。在本文采用b a n k 2 选择线，n a n df l a s h 在系统中的映 硕七学位论文第二章油品水分检测仪系统硬件设计 射地址是o x 0 4 0 0 0 0 0 0 ，即s 3 c 4 4 8 0 x 的n 6 c s 2 接n a n df l a s h 的n e e 引脚。 i 0 0 一i 0 7 连接到c p u 的数据总线d 0 一d 7 。w v 直接接v c c 而s e 悬空即可。 r b ，c e ，c l e ，a l e 和都应当连接c p u 的g p i o 引脚，开发板使用了g p e o 、 g p c i o 、g p c i l 、g p c i 5 ，这些都是对操作系统移植有用的信息，其接口电路如图 2 - 1 1 所示。 2 2 6 电源模块 u 2 0 5 a7 1 l 甄= 3 2 图2 - 1 1n a n df l a s h 系统连接图 f l a s h 在本系统中共有3 种电源需要供应，3 3 伏用于s 3 c 4 4 b o x 的i o 口电源， f l a s hr o m ，s d r a m 供电。2 5 伏用于s 3 c 4 4 b o x 的r t c 供电以及a d c 电压。r t c 电源还需额外接电池，当仪表掉电后实时时钟仍然运行。 电源模块主要采用了l m 3 1 7 芯片，这是一个可调电压电源芯片。一般可以产 生1 2 2 5 伏的输出电压。芯片只有3 个引脚，使用非常方便，应用时的电路原 1 6 硕十学位论文 第二章油品水分检测仪系统硬件设计 理图如图2 - 1 2 所示。其输出电压值可通过下面的公式1 1 7 】进行计算就可以得到。 r 。，r ：一般取凡酉欧姆。 v o u t = ( i + r 2 r i ) x i a d r 2 ( 2 3 ) 图2 - 1 23 1 7 可调电源原理图 系统中l e d 屏除了5 伏左右的电源之外还需要一个负压电源用于背光板供 电。m a x 6 3 9 是一款专门为l c d 提供直流变压开关电源，它既可以产生正的电压， 也可以产生负电压，按照如图2 - 1 3 方式连接产生负压。 输出负压得计算公式如下： r l _ r 2 ( v o u t v r e f ) ( 2 4 ) 式中：v r 。= 1 2 5 v 是芯片自身决定的，v ( ，为输出电压。 图2 - i3l c d 负压模决 硕七学位论文 第一二章油品水分检测仪系统硬件没计 2 2 7 调试接口模块 j t a g 是j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ( 联合测试行为组织) 的词头字母的简写， j 1 a g 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程