（机械电子工程专业论文）基于arm9与ad590的温度检测系统的研制.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 基于a r m 9 与a d 5 9 0 的温度检测系统的研制 摘要 测量是人们认识自然界的一种科学方法。通过各种测量，人们能够从数量上来描述 周围的物质世界，揭示自然界存在的规律，推动科学技术的不断前进。人们的日常生活、 工农业生产和科学实验等许多方面都与温度测量有着十分密切的关系，温度作为一个重 要的物理量，是工业生产过程中最普遍、最重要的工艺参数之一。随着时代的进步、社 会的发展、科学技术的不断更新，温度的测量范围要求不断扩大，同时温度的测量准确 性要求不断提高。对温度测量的要求也越来越高，而且测量范围也越来越大，对温度的 检测技术的要求也越来越高。因此，温度检测和温度检测技术的研究也是一个重要的研 究课题。 本文的主要工作是研制一种基于删9 与a d 5 9 0 的温度检测系统，使之应用于电 子产品的生产、食品加工、其它工业生产及医疗器械生产等方面，在实用中具有非常广 阔的应用前景。论文主要工作包括： ( 1 ) 简述课题背景与意义，对国内外测温技术的发展与应用进行了介绍。 ( 2 ) 介绍了嵌入式系统及删处理器，重点介绍了s 3 c 2 4 1 0 芯片。 ( 3 ) 设计温度检测系统的硬件部分，并选取适当的器件来实现。首先经分析比较 确定以a d 5 9 0 作为温度传感器，然后根据要求设计温度采集及转换电路、a ，d 转换电 路、电压转换电路、存储器电路以及串口通信电路的具体结构。 ( 4 ) 选择l i n u x 作为本系统的嵌入式操作系统，进行l i n u x 内核的移植，并实现 各驱动程序。 ( 5 ) 根据温度检测系统的硬件结构，规划出该系统应用程序的流程。主要负责温 度数据的采集，以及存储管理，然后将数据经通信模块发送至上位机。 ( 6 ) 应用v i s u a lb a s i c 设计和编写上位机软件，上位机软件主要负责接受下位机 发送来的数据，然后将数据转换成温度值并进行显示和存入数据库。 论文的理论研究和实验分析在实用中具有非常广阔的应用前景。 关键词：a d 5 9 0 ，a r m 9 ，s 3 c 2 4 l o ，温度检测 浙江工业大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e md e v e l o p e d b a s e da r m 9a n da d 5 9 0 a bs t r a c t m e a s u r e m e n ti st h en a t l l r eo fap e r s o nt 0u n d e r s t a l l dt l l es c i e n t i f i cm e t l l o d t 1 1 i o u 曲a v 乏l r i e 够o fm e a s u r e m e n t ，t l l en u m b e ro fp e o p l ew i l lb ea b l et od e s c r i b et 1 1 em a t e r i a la r o u l l dt h e w o r l d ，r e v e a l e dt h ee x i s t e n c eo fla _ 、so fn a t u r e ，a n dp r o m o t et h ec o n s t a n tp r o g r e s so fs c i e n c e a n dt e c l u l o l o g y p e o p l e 。sd a i l yl i f e ，i n d u s t r i a la n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n ds c i e m i f i c e x p e r i m e n t s ，觚dm a r l yo t h e ra s p e c t so ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta l l dh 弱v e 巧c l o s e r e l a t i o n s h i p t e m p e r a m r ei sa ni m p o r t a n tp h y s i c a l ，i nt h ec o l l r s eo fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o ni st h e m o s tc o m m o n ，t h em o s ti m p o i r t a n tt e c h n o l o g i c a lp a r 锄e t e r so w i t ht h ee r ao fp r o g r e s sa 1 1 d s o c i a ld e v e l o p m e 心s c i e n c ea i l dt e c l u l o l o g ) rc o n s 仞m t l yu p d a t e d ，妇：t e m p e r a t u r er 锄g e r e q u i r e m e n t sc o n t i n u et oe x p a n d ，w h i l et h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ta c c u r a u c yr e q u i r e m e n t s c o m i n u e st oi n c r e a s e t h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t sa r ea l s oi n c r e a s i n g ，b u ta l s o ag r o 、玑n gm g eo ft e m p e r a t u r ed e t e c t i o nt e c l l i l o l o g yr e q u i r e m e n t sa r ea l s og e t t i n g1 1 i g h e ra i l d h i g h e r t h e r e f o r e ，m et e m p e r a t u r ed e t e c t i o na n dt e m p e 例= u r ed e t e c t i o nt e c l l i l o l o g yr e s e a r c hi s a l s oa ni m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i c t h em a i nw o r ki st 0d e v e l o pat e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nt h e 删9a n d a d 5 9 0s ot l l a ti t 印p l i e dt ot h ep r o d u c t i o no fe l e c 协o n i cp r o d u c t s ，f o o dp r o c e s s i r 玛，i n d u s t r i a l p r o d u c t i o na j l d o t h e rm e d i c a le q u i p m e n tp r o d u c t i o n ，i nt h ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o no fav e 巧 b r o a dp r o s p e c t p a p e ra r ei n c l u d e ： ( 1 ) b r i e fi n t r o d u c e db a c k g r o u n d a n ds i g m f i c a n c eo f l ep r o j e c t ，i n t r o d u c e dt h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft e m p e r a t u r ed e t e c t i o nt e c l u l o l o g ya th o m ea 1 1 da b r o a d ( 2 ) i n t r o d u c e de m b e d d e ds y s t e ma n dm ea i 己mp r o c e s s o r s ，f o c u s i n go nm es 3 c 2 4 1 0 c h i p ( 3 ) d e s i g nt h eh a r d w a r es e c t i o no ft h et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n ds e l e c tm e 印p m p r i a t ed e v i c et oa c m e v e f i r s td e t e m i n eb ya i l a l y s i sa n dc o m p 撕s o nt oa d 5 9 0a sa t e m p e r a t u r es e n s o r ，a n dt h e nt od e s i g nt e m p e r a t u r ea c q u i s i t i o na n dc o n v e r s i o nc i r c u i t ，a d c o n v e r t e rc i r c u i t ，t 1 1 ev o l t a g ec o n v e r s i o nc i r c u i t ，m e m o 巧c i r c u i ta i l dm es p e c i f i cs t r u c t u r e0 f i i 浙江工业大学硕士学位论文 t h es e r i a lc o m m u m c a t i o nc i i c u i t ( 4 ) s e l e c tl i n u ) ( a sa i le m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mo ft h j ss y s t e m ，t l l el i n u ) ( k e m e l p o r t i n g ，a 1 1 da c l l i e v e m e n to ft h e 幽v e r ( 5 ) a c c o r d i n gt ot 屺h a r d w a r es t r u c t u r eo ft h et e m p e r a t u r ed e t e c t i o ns y s t e m ，p 1 删n g o u tt h ep r o c e s so fs y s t e m 印p l i c a t i o n p r i m 撕l yr e s p o n s i b l ef o rt e m p e r a t u r ed a 忱c o l l e c t i o n a n ds t o r a g em a i l a g e m e n t ，t h e ns e n dt h ed a t ab yt h ef i r s tc r e wc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ( 6 ) a p p l i c a tv is u a lb a s ict od e s i g n 砒l dp r e p a r et h ep cs o 鲰硼r e ，t h a tr e s p o n s i b l ef o r r e c e i v i n gt 1 1 ed a 协a n dt h e nc o r e r tt h ed a t ai n t ot e m p e r a t u r ea i l dd i s p l a y e d 锄ds t o r e di nt h e d a t d b a s e t h e 劬d a m e n t a lr e s e a r c ha n dt h ee x p e r i m e n ta n a l y z e so ft h i sp a p e rh a sg r e a tm e a m n g f o rt h ep r a c t i c a l 印p l i c a t i o n k e y w o r d s ：a d 5 9 0 ，a r m 9 ，s 3 c 2 4 l0 ，t e m p e m t u r ed e t e c t i o n i i i 浙江工业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题背景与意义 温度检测技术在工业生产中获得了广泛的应用，尤其在石油、化工、电力、 等重要工业领域中担负着很重要的任务。温度检测在工农业生产、国防、科研以 及日常生活等领域占有重要的地位，测量范围也越来越大，对温度的检测技术的 要求也越来越高。因此，温度检测和温度检测技术的研究也是一个重要的研究课 题n 1 。本论文完成的是温度检测系统的研制。 随着科技的发展，出现了智能温度检测系统，普遍地采用5 l 单片机为核心乜3 ， 基本上可以满足需求，但是对于一些要求测量精度高、实时性要求高的温度检测 系统，单片机就不能满足要求了，这就要求高精度和高速度的处理器。随着技术 的发展，3 2 位a 蹦微处理器系统被广泛地应用于信息家电、网络通信和工业控制 等各个领域，也满足以上的高技术指标要求。 采用嵌入式设计的温度检测系统具有较高的精度，而且实时性好，有着非常 人性化的操作界面，因此有着很好的前景。目前迫切需要从理论上进行系统研究， 采用新技术来开发和研制产品质量更高、运行更加可靠的新型温度检测系统，所 以本课题的研究既有一定的学术意义，又有一定的实用价值。 1 2 国内外温度检测技术概述 1 2 1 温度检测技术简介 1 、目前常用检测技术 随着国内外工业的日益发展，温度检测技术也有了不断的进步，目前的温度 检测使用的方法种类繁多，应用范围也较广泛，大致包括以下几种方法b 3 ： ( 1 ) 利用物体热胀冷缩原理制成的温度计； ( 2 ) 利用热电效应技术制成的温度检测元件； ( 3 ) 利用热阻效应技术制成的温度计； ( 4 ) 利用热辐射原理制成的高温计； ( 5 ) 利用声学原理进行温度测量； 浙江工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 利用红外测温技术。 2 、新兴检测技术 ( 1 ) 晶体管温度检测元件 半导体温度检测元件是具有代表性的温度检测元件。半导体的电阻温度系数 比金属大1 2 个数量级，二级管和三极管的p n 结电压、电容对温度灵敏度很高。 ( 2 ) 集成电路温度检测元件 利用硅晶体管基极一发射极间电压与温度关系( 即半导体p n 结的温度特性) 进行温度检测，并把测温、激励、信号处理电路和放大电路集成一体，封装于小 型管壳内，即构成了集成电路温度检测元件。 ( 3 ) 核磁共振温度检测器 这种检测器精度极高，可以测量出千分之一开尔文，而且输出的频率信号适 于数字化运算处理，故是一种性能良好的温度检测器。 ( 4 ) 热噪声温度检测器 它的原理是利用热电阻元件产生的噪声电压与温度的相关性，可以直接读出绝 对温度值而不受材料和环境条件限制的温度检测器。 ( 5 ) 石英晶体温度检测器 它采用l c 或y 型切割的石英晶片的共振频率随温度变化的特性来制作的， 可自动补偿石英晶片的非线性，测量精度较高，一般可检测到o 0 0 l ，所以可作 标准检测之用。 。 。 ( 6 ) 光纤温度检测器 光纤温度检测器是利用双折射光纤的传输光信号滞后量随温度变化的原理制 成的双折射光纤温度检测器。 ( 7 ) 激光温度检测器 激光测温特别适于远程测量和特殊环境下的温度测量。 ( 8 ) 微波温度检测器 采用微波测温可以达到快速测量高温的目的。这种检测器的灵敏度为2 5 0 l ( i z ，精度为l 左右。 1 2 2 温度检测技术的发展 1 、国内外温度检测技术动向 2 浙江工业大学硕士学位论文 ( 1 ) 扩展检测范围 现在工业上通用的温度检测范围为2 0 0 3 0 0 0 ，而今后则要求能测量超高温 与超低温。 ( 2 ) 扩大测温对象 温度检测技术将会由点测温发展到线、面，甚至立体的测量。 ( 3 ) 发展新型产品 生产适应于不同场合、不同工况要求的新型产品，以满足用户需要。 ( 4 ) 显示数字化 温度仪表向数字化方向发展。其最大优点是直观、无读数误差、分辨率高、 测量误差小。 ( 5 ) 标定自动化 应用计算机技术，快速、准确、自动地标定温度检测器。 2 、国内外温度检测发展趋势 ( 1 ) 加强新原理、新材料、新加工工艺的开发。 ( 2 ) 向智能化、集成化、适用化方向发展晦1 。 1 3 本文的主要研究内容 本文的主要研究内容是研制一种基于删9 与a d 5 9 0 的温度检测系统。该温 度检测系统采用a i 洲9 系列微处理器s 3 c 2 4 1 0 设计嵌入式系统，它是由韩国 s a m s u n g 公司生产的3 2 位s c 处理器。选择l i n u x 作为嵌入式操作系统，并 编写应用程序。该系统选用集成温度传感器a d 5 9 0 作为感温元件，其具有线性良 好、抗干扰能力强、测温不需参考点、可消除电源波动及可远距离测温的优点。 a d 5 9 0 输出电流与温度呈线性关系：厶= l a k ，故设计温度采集及转换电路使 电流信号转换成电压信号，并设计一种双运放放大电路放大该电压信号，使之可 接入a d 芯片。本系统选用4 通道1 2 位精度的模数转换芯片a d s 7 8 4 2 设计a d 转 换电路。系统使用v i s u a lb a s i c 编写上位机软件，使其具有良好的操作界面，具有 温度动态数字及动态曲线显示、温度数据存储、历史数据查询等功能。 本系统总体原理图如图1 1 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 也叫 电压转换 上 电路 a d p d i u s b d 】2电源 乳。 位 囤。 电压转换 转 电路a r m 9 机 囤， 电压转换 换 j t a g 8 3 c 2 4 1 0 电路电 网 电压转换 路 复位键 i n a n df la 8 h 电路 图1 1 基于a r m 9 与a d 5 9 0 的温度检测系统原理图 本文的组织结构如下： 第1 章，阐述本课题的研究背景及意义，总结温度检测技术在国内外的研究 现状与发展趋势，综述基于删9 与a d 5 9 0 的温度检测系统组成及原理。 第2 章，首先简要介绍了嵌入式系统，然后介绍了删微处理器的类型和 其体系结构，最后重点介绍了本课题选用芯片s 3 c 2 4 l o 的主要特性、系统结构、 存储器配置、a d 转换器和1 2 c 串行总线接口。 第3 章，首先对温度系统进行整体设计，然后经过分析比较选择温度传感器， 并设计温度采集电路，接着设计电压转换电路、a d 转换电路、存储器电路和通讯 模块。 第4 章，建立嵌入式l m u x 操作系统，首先建立交叉编译环境，接着进行七i n u x 内核的移植，最后实现驱动程序。 第5 章，设计温度检测系统下位机的应用程序，首先设计主程序的流程，然 后分别编写系统初始化部分、数据采集部分、数据存储部分和串口通信部分的程 序。 第6 章，设计上位机软件，首先规划上位机的功能和模块划分，然后建立并 连接a c e e s s 数据库，最后使用v i s u a lb a s i c 编写上位机软件，实现各功能和界面。 第7 章，对全文进行总结，并对进一步的研究内容作展望。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章嵌入式系统的主要结构体系 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统被定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统1 。 国际电气与电子工程师协会( i e e e ) 对嵌入式系统的定义：嵌入式系统是用来控制 或监视机器、装置或工厂等大规模系统的设备口3 。嵌入式系统具有代码小、高度自 动化、响应速度快等特点1 。 嵌入式系统在形式上可以分为系统级、板级、器件级阳1 。系统级指的是各种工 控机，板级是指带有c p u 的主板和o e m ( 0 r i g i n a le q u l p m e n t m a n u f a c t u r e r ) 产品， 器件级以单片机最为典型，后来许多半导体厂商以嵌入式应用为目标，形成嵌入 式微处理器，并有许多嵌入式操作系统的支持。 一般来说嵌入式系统是针对某一特殊领域而专门设计的，要求产品体积小、 实时性好、系统可靠性好、性价比高n 们。所以对嵌入式系统开发来说，如何针对 某种具体应用来选择合适的嵌入式处理器，使嵌入式操作系统与之配合是非常关 键的n 。 2 1 1 嵌入式系统的硬件组成 嵌入式系统的硬件由嵌入式处理器、存储器、i o 设备、通信模块以及电源等 组成。在嵌入式系统设计中，应尽可能选择适于系统功能接口的s o c ( s y s t e m0 n c h i p ) 和s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 芯片，以最少的外围部件构成一个 应用系统，满足嵌入式系统的特殊要求。 嵌入式处理器可分为以下4 类n 2 1 ： 1 嵌入式微处理器 与通用计算机的微处理器相对应的c p u ，装配在专门设计的电路板上，并在电 路板上设计了与嵌入式系统相关的功能模块，以满足嵌入式系统体积小和功耗低 的要求，主要包括：a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、p o w e r p c 、m o t o r o l a 、6 8 0 0 0 、a r m 、m i p s 等 系列。 浙江工业大学硕士学位论文 2 嵌入式微控制器 将c p u 、存储器和其他外设封装在同一片集成电路里，又称单片机，常见的有 8 0 5 l 。特点是单片化、体积小、功耗低、可靠性高。 3 嵌入式d s p 专门用来对离散时间信号进行极快的处理运算，提高了编译效率和执行速度。 适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度较快。被广泛用于振动信号 检测和分析、语音信号处理、图像处理等领域。 4 嵌入式片上系统 随着v l s i 设计的普及和半导体工艺的迅速发展，可以在一块硅片上实现更为 复杂的系统，即s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 。 2 1 2 嵌入式系统的软件组成 嵌入式系统软件结构一般包含以下4 个层面n 3 1 ： 1 设备驱动层 为上层软件提供了设备的操作接口。设备驱动层一般包括以下4 块： ( 1 ) 硬件抽象层 硬件抽象层h a l ( h a r d w a r ea b s t r a c t i o nl a y e r ) 是位于操作系统内核与硬件电 路之间的接口层，即通过程序来控制所有硬件电路如c p u 、i o 、存储器等的操作。 一般包含相关硬件的初始化，数据的输入输出操作，硬件设备的配置操作等功能。 ( 2 ) 板级支持包 板级支持包b s p ( b o a r ds u p p o r tp a c k a g e ) 是介于主板硬件和操作系统中驱动 层程序之间的一层，主要实现对操作系统的支持。其功能分为2 个方面：系统启动 时完成对硬件的初始化和为驱动程序提供访问硬件的手段。 ( 3 ) 设备驱动程序 驱动程序不仅要实现设备的基本功能函数，使设备的基本功能能够实现，还 要具有错误处理函数。 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统包括非实时操作系统和实时操作系统。目前大多数嵌入式操 作系统必须提供以下管理功能：多任务管理、存储管理、周边资源管理、中断管理 等。典型的操作系统主要有：uc o s i i 、v x w o r k s 、w i n d o w s c e 、l i n u x 等。 6 浙江工业大学硕士学位论文 3 操作系统的应用程序接口a p i a p i ( a p p l i e a t i o np r o g r a 咖i n gi n i e r f a c e ) 是一系列复杂的函数、消息和结 构的集合体。在操作系统中提供标准的a p i 函数可以加快应用程序的开发，也为 系统版本的升级带来方便，大大简化了应用程序的编写。 4 应用程序 嵌入式系统应用软件建立在系统的主任务基础之上，主要通过调用系统的a p i 函数对系统进行操作，完成应用功能开发。 2 2 a r m 微处理器的类型 a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域，用户如果希望 使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有删u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、 a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m 删功能n 钔。 a r m 7 系列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主 时钟为2 0 m h z 一1 3 3 姗z n 引。a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常 见的a r m 9 的系统主时钟频率为l o o m h z 一2 3 3 姗z ，a r m l 0 最高可以达到7 0 0 删z 。不 同芯片对时钟的处理不同，有的芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、 u a r t 、d s p 、音频等功能部件提供不同频率的时钟n 6 1 。 2 3a r m 体系结构 l 、砌s c 体系结构 a r m 系列处理器采用的是典型的r i s c 结构体系。其结构特性如下： ( 1 ) 一个大的、统一的寄存器文件。 ( 2 ) 加载存储结构，数据处理的操作只针对寄存器的内容，而不直接对寄存 器进行操作1 7 。 ( 3 ) 简单的寻址模式，所有加载存储的地址都由寄存器的内容和指令域决定。 ( 4 ) 统一和固定长度的指令域，简化了指令的译码n 铂 2 、a r m 处理器的工作状态 从编程的角度看，a r m 微处理器的工作状态一般有两种，并可在两种状态之间 切换n 钔： 7 浙江工业人学硕士学位论文 ( 1 ) 状态，此时处理器执行3 2 位的字对齐的a r m 指令； ( 2 ) t h u m b 状态，此时处理器执行1 6 位的、半字对齐的t h u m b 指令。 a r m 微处理器的运行模式可以通过软件改变，也可以通过外部中断或异常处理 改变。 3 、a r m 的处理器模式 a r m 微处理器支持7 种运行模式，分别为： ( 1 ) 用户模式( u s r ) ：a 跚处理器正常的程序执行状态； ( 2 ) 快速中断模式( f i q ) ：用于高速数据传输或通道处理； ( 3 ) 外部中断模式( i r q ) ：用于通用的中断处理； ( 4 ) 管理模式( s v c ) ：操作系统使用的保护模式； ( 5 ) 指令终止模式( a b t ) ：当指令预取终止时进入该模式； ( 6 ) 数据访问终止模式( a b t ) ：当数据访问终止时进入该模式，可用于虚拟存 储及存储保护； _ 0 ( 7 ) 系统模式( s y s ) ：运行具有特权的操作系统任务。 4 、a r m 微处理器的寄存器结构 a r m 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包括： ( 1 ) 3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 ( 2 ) 6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位。 a r m 处理器在每一种处理器模式下均有一组相应的寄存器与之对应，即在任意 一种处理器模式下，可访问的寄存器包括1 5 个通用寄存器( r 0 r 1 4 ) 、一至二个 状态寄存器和程序计数器。在所有的寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用 的同一个物理寄存器，而有些寄存器则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄 存器2 0 1 。 a r m 通用寄存器包括r 0 二- r 1 5 ，可以分为三类： ( 1 ) 未分组( u n b a n k e d ) 寄存器r o r 7 ； ( 2 ) 分组( b a n k e d ) 寄存器r 8 r 1 4 ； ( 3 ) 程序计数器p c ( r 1 5 ) 。 c p s r ( c u r r e n tp r o g r 硼s t a t u sr e g i s t e r ，当前程序状态寄存器) ，c p s r 可在 任何运行模式下被访问。每一种运行模式下又都有一个专用的物理状态寄存器， 称为s p s r ( s a v e dp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ，备份的程序状态寄存器) 2 。 8 浙江工业大学硕士学位论文 由于用户模式和系统模式不属于异常模式，他们没有s p s r ，当在这两种模式 下访问s p s r ，结果是未知的胁1 。 a r m s y s 证m s u s e rf 1 0 r 0 r i r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r l o r i l r 1 2 r 1 3 r 1 4 rl 冀p c i r 0 r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 一n q r 9 一n q r 1 0 l 哟 r i l n q r 忙一n q r l3 _ n q r 1 4 - n q r i 曩pc 1 状态下的通用寄存器j 程膨计数器 r 0 r i r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 期 r 9 r l o r il r 1 2 r l3s v c r i4s v c r l p a a b o r t i r 0 u n d e f _ m e r 0 r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r ll r 1 2 r l3 曲t r i4 ：i b t r 1 岛p o r o r l r 2 r 3 r 4 r 5 r 6 r 7 r 8 r 9 r 1 0 r ll r 1 2 r l3u n d r l4u n d rl 冀p c ) 匪盈匿圈匪圈匪蜀匿 is p s i s p sr _ s v c ls p s r 出t ls p s r - 峋is p s r - u n d 图2 1a r m 状态下的寄存器组织 5 、a r m 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和t h u m b 指 令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为 a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 一4 0 以上的存 储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点口引。 6 、a r m 体系结构的存储器格式 作为3 2 位的微处理器，a r m 体系结构所支持的最大寻址空间为4 g b ( 2 3 2 字节) 。 a r m 体系结构可以用以下两种方法存储字数据： 大端格式：字数据的高字节存储在内存的低地址中，而字数据的低字节则存 放在内存的高地址中，其具体存储格式如图2 2 所示口4 1 ： 9 肿一刚一胜一赆一斟一：坌一聃一盯一髓一贴一m一川一叭一一一一 浙江工业大学硕士学位论文 窿地址 t 低地址 3 l 2 4 9 1 58 7 0 字地址 5 图2 2 以大端格式存储字数据结构 8 4 0 小端格式：与大端存储格式相反，在小端存储格式中，低地址中存放的是字 数据的低字节，高地址存放的是字数据的高字节。小端格式如图2 3 所示： 2 4 1 6 o 字地址 l t ，1 0 9 8 l 76 5 4 3 2 l o 图2 3 以小端格式存储字数据 8 4 d 7 、a r m 的异常 当正常的程序执行流程发生暂时的停止时，称之为异常( e x c e p t i o n s ) 。在处 理异常之前，当前处理器的状态必须保留，这样当异常处理完成之后，当前程序 可以继续执行。处理器允许多个异常同时发生，它们将会按固定的优先级进行处 理。 a r m 体系结构所支持的异常及具体含义如表2 1 所示乜5 1 。 表2 1a r m 体系结构所支持的异常 异常类型具体含义 当处理器的复位电平有效时，产生复位异常，程序跳转到复位异 复位 常处理程序处执行。 当a r m 处理器或协处理器遇到不能处理的指令时，产生未定义指 未定义指令 令异常。可使用该异常机制进行软件仿真。 软件中断该异常由执行s w i 指令产生，可用于用户模式下的程序调用特权 l o 址 址 地 地 商tl低 浙江工业大学硕士学位论文 操作指令。可使用该异常机制实现系统功能调用。 若处理器预驭指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令访 指令预取中止问，存储器会向处理器发出中止信号，但当预取的指令被执行时， 才会产生指令预取中止异常。 若处理器数据访问指令的地址不存在，或该地址不允许当前指令 数据中止 访问时，产生数据中止异常。 当处理器的外部中断请求引脚有效，且c p s r 中的i 位为o 时， i r q ( 外部中断请求) 产生i r q 异常。系统的外设可通过该异常请求中断服务。 当处理器的快速中断请求引脚有效，且c p s r 中的f 位为0 时， f i q ( 快速中断请求) 产生f i q 异常。 a r m 处理器对异常的响应： ( 1 ) 将下一条指令的地址存入相应连接寄存器l r ，以便程序在处理异常返回 时能从正确的位置重新开始执行； ( 2 ) 将c p s r 复制到相应的s p s r 中； ( 3 ) 根据异常类型，强制设置c p s r 的运行模式位； ( 4 ) 强制p c 从相关的异常向量地址取下一条指令执行，从而跳转到相应的 异常处理程序处。 从异常返回异常处理完毕之后，a r m 微处理器会执行以下几步操作从异常返 回： ( 1 ) 将连接寄存器l r 的值减去相应的偏移量后送到p c 中； ( 2 ) 将s p s r 复锘0 回c p s r 中。 2 4s 3 c 2 4 1o 介绍 2 4 1s 3 c 2 4 10 主要特性 本系统的处理器采用a r m 9 系列芯片s 3 c 2 4 1 0 ，s 3 c 2 4 l o 是韩国s a m s u n g 公司 生产的3 2 位r i s c 处理器啪3 ，其主要特性如下乜7 1 ： 具有1 6 k b 指令c a c h e 、1 6 k b 数据c a c h e 和存储器管理单元删u ，减少对主存 储器带宽和性能的影响乜副； 外部存储器控制器，可扩展8 组，每组1 2 8 m b ，总容量达l g b ；支持从n a n df l a s h 存储器启动； 浙江工业大学硕士学位论文 5 5 个中断源，可以设定1 个为快速中断，有2 4 个外部中断，并且触发方式可 以设定； 4 通道的d m a ，并且有外部请求引脚： 3 个通道的u a r t ，带有1 6 字节的t x r xf i f o ，支持i r d a l 0 功能； 具有2 通道的s p i 、1 个通道的1 2 c 串行总线接口和1 个通道的1 2 s 音频总线 接口； 有2 个u s b 主机总线的端口，1 个u s b 设备总线的端口； 有4 个具有p w m 功能的1 6 位定时器和1 个1 6 位内部定时器； 8 通道的1 0 位a d 转换器，最高速率可达5 0 0 k b s ；提供有触摸屏接口； 具有1 1 7 个通用i o 口和2 4 通道的外部中断源； 兼容删c 的s d 卡接口； 具有电源管理功能，可以使系统以普通方式、慢速方式、空闲方式和掉电方 式工作； 看门狗定时器； 具有日历功能的r t c ； 有l c d 控制器，支持4 k 色的s t n 和2 5 6 k 色的tf ，i ，配置有d m a 通道； 具有p l l 功能的时钟发生器，时钟频率高达2 0 3 z ； 双电源系统：1 8 2 0 v 内核供电，3 3 v 存储器和i o 供电。 2 4 2s 3 c 2 4 1 0 系统结构 其系统结构主要由两大部分组成：a r m 9 2 0 t 内核及片内外设。a r m 9 2 0 t 内核由 a r m 9 内 核a r m 9 t d m i 、3 2 k b 的c a c h e 和m m u 组成。片内外设分为高速外设和低速外设，分 别用a h b 总线和a p b 总线。见图2 4 。 1 2 1 3 浙江工业大学硕士学位论文 图2 4s 3 c 2 4 1 0 系统结构 浙江工业大学硕士学位论文 其电路原理图如图2 5 。 t 髓两 州 图2 5s 3 c 2 4 l o 电路原理图 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 2 4 3s 3 c 2 4 1 0 存储器配置 s 3 c 2 4 1 0 将系统的存储空间分成8 个b a n k 豳1 ，每个b a n k 的大小是1 2 8 m 字节，共 1 g 字节。b a n k 0 到b a n k 5 的开始地址固定，用于r o m 或s r a m 。b a n k 6 和b a n k 7 用于r o m 、s r a m 或s d r a m 。b a n k 7 的开始地址是b a n k 6 的结束地址。所有内存块 的访问周期都可编程，外部w a i t 管脚扩展了访问周期。s 3 c 2 4 1 0 采用n g c s 7 ：0 8 个通用片选线来选择8 个b a n k 区。s 3 c 2 4 1 0 微处理器是内部集成了微处 理器和常用外围组件，可用于各种领域。s 3 c 2 4 1 0 的存储器配置见图2 6 。 弧阡f ff 矸：f 啼 缸的一 o x 4 8 0 。嘲o d 州o d 0o f f f _ 诹柏 翻弼一 西删_ o ，姗 蕊瑚o 啼 暇 op d m 柏 伪卿 嘲o 册 8 0 口巧r a “k 8 y t e s s r o m 圬d r m ( n g c s 7 ) 翱 晡s o r a m ( n g c s 6 ) s r o m f n g c s 5 ) s r o m 印e c s 耵 s r o m 忡g c s 3 ) s r 伽 n g c s 2 s r o m 0 佑c s l ) s r 0 ( n g c s o ) o f 棚- n 瞳u 吲 鲰妇 瞳u 一 s r o w s d r a m 2 b ，4 m 8 御一8 ，1 6 m 3 棚3 c s 7 ) ，3 2 m 8 垮4 m 目1 2 8 越b 副瓢m f s d r a m踟勘枷b ；8 m 8 ”6 m 弓 n 3 c s 5 )，3 2 m b 翻m b ，1 2 8 m b s r o m 瑚雌b n g c s 5 ) s r o m n g c s 4 l 2 a 瓤b rh l s r o m 2 8 m 8 砸g c s 3 l r jl s r o m n g c s 2 l 1 2 8 旧 1r s r o m 2 芒i i b 伽3 c s l ) r l 8 0 融l n l e m a l，2 8 惦 s r 1 4 k b ) r 图2 _ 6s 3 c 2 4 1 0 的存储器配置 2 4 4s 3 c 2 4 10 的a d 转换器 s 3 c 2 4 1 0 中集成了一个8 通道1 0 位a d 转换器，a d 转换器自身具有采样保 持功能。并且s 3 c 2 4 1 0 x 的a d 转换器支持触摸屏接口。其主要特性： 分辨率：1 0 位； 精度：1 l s b ； 线性度误差：1 5 2 o l s b ； 最大转换速率：5 0 0 k s p s ； 1 5 浙江工业大学硕士学位论文 输入电压范围：0 3 3 v ； 系统具有采样保持功能； 常规转换和低能源消耗功能； 独立自动的x y 坐标转换模式。 图2 7 为s 3 c 2 4 1 0a d 转换功能模块图。 日n 豫3 l 目n 硒l e l n 琅1 】 日m 2 0 l 图2 7s 3 c 2 4 1 0a d 转换模块图 当p c l k 频率是5 0 删z 且a d c c o n 寄存器中预分频器的设置值是4 9 时，转换 得到1 0 位数字量时间总共需要： a d 转换频率= 5 0 m h z ( 4 9 + 1 ) = 1 姗z 转换时间= 1 ( 1 心z 5 个周期) = l 2 0 0 k h z = 5 u s a d 转换器最大可以工作在2 5 删z 时钟下，所以转换速率可以达到5 0 0 k s p s 。 s 3 c 2 4 1 2 0a d 转换器的工作模式有5 种：普通转换模式、分离的x y 坐标转 换模式、连续的x y 坐标转换模式、等待中断模式、静态模式。 ( 1 ) 普通转换模式 用于一般a d 转换，不是用于触摸屏。转换结束后，其数据在a d c d a t 0 中的 x p d a t a 域。 ( 2 ) 分离的x y 坐标转换模式 分两