（计算机应用技术专业论文）基于can总线的嵌入式编程器的设计与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 编程器是p l c 系统中非常重要的一个部分。传统p l c 及其编程器已不能完全解 决现代工业控制的需要，通过基于c a n 总线、嵌入式系统、l c d 显示技术等最新发 展热点技术对编程器的软、硬件结构进行研究，目标是取代传统编程器的编程功能， 又增加工业p c 组态软件的编程功能。 因为p l c 编程器便携性和低功耗的要求，以及方便编程、数据管理和液晶显示控 制等，系统采用的a r m 系统设计方案为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比 和高性能的微控制器解决方案。设计的人机接口通过l c d 显示输出和8 x 8 矩阵键盘 输入，人机交流较传统的编程器更友好。对多种总线进行比较的基础上，选择具有多 主机形式的c a n 总线作为编程器与p l c 控制器的通信总线，保证整个系统的可靠性、 实时性和灵活性，并在c a n 的通信模块设计时，对c a n 控制器的定时参数作了详细 的计算。 系统软件设计是基于l i n u x 嵌入式操作系统模块化设计思想实现的，主要有c a n 通汛模块，键盘处理模块，l c d 显示模块，指令代码编制模块等。编程器的工作一部 分是通过人机界面输入存储器，另部分是传送来自给p l c 系统参数，控制命令，接 收数掘等任务。控制命令通过键盘和l c d 显示器由外中断输入，再由控制器送给显 示器，显示任务采用多屏或下拉菜单的方式显示相关的数据信息。 针对所设计的软、硬件进行了系统性能的测试。对通信模块的软件基于a r m 进 行移植，测试结果表明所设计的系统性能良好。 关键词：c a n 总线，嵌入式系统，微处理器，编程器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o g r a m m e ri sav e r yi m p o r t a n tp a r ti np l cs y s t e m h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lp l c a n di t sp f o 蓼跚c l n l e rc a n tc o m p l e t e l ym e e tt h ed e m a n do ft h ei n d u s t r i a lc o n t r o li nt h e m o d e ms o c i e t y t h e r e f o r e ，b ym e a n so ft h en e w l y - d e v e l o p i n gt e c h n o l o g i e ss u c ha sc a n b u s 、e m b e d d e ds y s t e m 、l c dt e c h n o l o g y ，t h ep u r p o s eo f t h es t u d yo nt h es t r u c t u r eo f i t s s o f t w a r ea n dh a r d w a r ei st or e p l a c et h ep r o g r a m m i n gf u n c t i o no ft h et r a d i t i o n a l p r o g r a m m e ra n dh a v et h ep r o g r a m m i n gf u n c t i o no fi n d u s t r yp cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e b e c a u s ei t sd e m a n df o rp o r t a b i l i t y , l o we n e r g y - c o n s u m p t i o n , e a s yp r o g r a m m i n g , m a n a g e m e n to fd a t aa n dt h ec o n t r o lo fl c d ，p l cp r o g r a m m e rs y s t e mc h o o s e sa r m s y s t e md e s i g n e rt op r o v i d ec h e a pm i c r o - c o n t r o lw i 廿1e f f i c i e n c ya n ds a t i s f a c t o r yf u n c t i o n f o rh a n d s e te q u i p m e n t s t h eu s e ri n t e r f a c eo u t p u t st h r o u g hl c da n di n p u t st h r o u g ht h e8x 8m a t r i x ，t h ec o m m u n i c a t i o nb e t 、v 嘲p e o p l ea n dm a c h i n ei sm o r ef r i e n d l yt h a nt h e t r a d i t i o n a lp r o g r a m m e r 。o nt h eb a s i so ft h ec o m p a r i s o na n dc o n t r a s to ft h ef u n c t i o n s b e t w e e nv a r i o u sb u s ，c a nb u s ，w h i c hh a sm u l t i p l eh o s t s ，i sc h o s e na st h ec o m m u n i c a t i o n b u sb e t w e e nt h ep r o g r a m m e ra n dp l cc o n t r o l l e rt om a k e st h ew h o l es y s t e ms t a b l e ，i n s t a n t a n df l e x i b l e d u r i n gd e s i g n i n gt h ec o m m u n i c a t i o no ft h ec a n ，t h ec a nc o n t r o l l e r s t i m i n gp a r a m e t e ri sc o m p u t e dp a r t i c u l a r l y b a s e do nt h ei d e ao f e m b e d d e dl i n u xo s ，t h es y s t e ms o f t w a r em a i n l yc o n s i s t so f c a n c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，k e y b o a r dp r o c e s s o rm o d u l e ，l c dm o d u l e ，i n s t r u c t i o ne d i t o r ，a n d e r e p r o g r a m m e rm a i n l yh a st o wf u n c t i o n s o b ei st oi n p u tt 0t h em e m o r yb yt h er i s e r i n t e r f a c e , a n o t h e ri st ot r a n s f e rt h es y s t e mp a r a m e t e ro ft h ep l c ，c o n t r o l l i n gc o m m a n d ， d a t ar e c e i v i n ga n de t e t h ec o n t r o l l e ri n t e r r u p ti n p u tt h r o u g hk e y b o a r da n dl c d ，t h e ns e n d t ot h ed i s p l a yt h r o u g ht h ec o n t r o l l e r ，a n dt h ed a t ai sd i s p l a y e di nm u l t s e r e e nm o d ea n d d o w n - d r a wm e n u t h r o u g ht h el l s eo ft h en e w l y - d e s i g n e ds o r w a r ea n dh a r d w a r e , t h es y s t e mf u n c t i o n h a sb e e nt e s t e d ，a n dt r a n s p l a n tt h es o f t w a r eb a s e do t la r mo f t h ec o m m u n i c a t i o nm o d u l e ， a n dt h et e s ts h o w st h en e w d e s i g n e ds y s t e mc a np e r f o r ms a t i s f a c t o r i l y k e yw o r d s ：c a nb u s ，e m b e d d e ds y s t e m ，m i c r o p r o c e s s o r ，p r o g r a m m e r h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均己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。 学雠文储魏1 时 日期：椰台年，口月列钼 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 有权保留著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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于， 不保密曰。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期：2 名年， 指导教师签名： ) 习萎 日期：彩年，。月 噼归 痧 明 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 绪论 1 1 1p l 0 及其编程器 可编程序控制器( p r o g r a m n m b l ec o n t r o l l e r ) ，因为早期主要应用于开关量的控制， 因此也称为p l c ( p r o g r m n r a a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) ，即是可编程逻辑控制器。现代的可 编程控制器是以微处理器为基础，高度集成的新型工业控制装置，是计算机技术与工 业控制技术相结合的产品。p l c 自问世以来，经过2 0 年的发展，己经成为最受欢迎的 工业控制类产品。它之所以高速发展，除了工业自动化的客观需求外，还有许多独特 的优点。它较好的解决了工业控制领域中普遍关心的可靠、安全、灵活、方便、经济 等问题。编程器是p l c 系统的一部分，主要用于程序的编写及系统状态是监控。随着 其他技术的发展，特别是控制技术的发展和控制系统更加庞大和复杂，传统p l c 及其 编程器已经不能适应现代控制的需要。 目前国内外中小型p l c 仍然以梯形图程序为主，未能将智能控制算法以组态软件 的方式嵌入到控制系统中，如西门子公司的w i n c c 、w i n a c 、s t e p 7 等。随着微处 理器制造技术的不断发展，新型的微处理器不断涌现，其趋势是微处理器的数据处理 速度成倍的提高，而且芯片集成的功能器件不断增加【1 】。那么p l c 及其编程器的研究 势在必行。 1 1 2 现场总线 在1 9 8 3 年h o n e y w e l l 推出了智能化仪表s l i i a r 变送器，在这之后的几十年问， 世界上各大公司相继推出了各具特色的智能仪表，给自动化仪表的发展带来了生机， 为现场总线的诞生奠定了基础。“。但是，应用这种数字模拟信号混合运行方式的智 能仪表系统或设备之间只能按照模拟信号方式一对一布线，难以实现智能仪表之间的 信息交换。 1 9 8 3 年，美国仪表学会( i s a ：i n s t r u m e n ts o c i e t yo fa m e r i c a ) 下属的标准实 施( s t a n d a r da n dp r a c t i c e ) 第5 0 组，简称i s a s p 5 0 开始制定现场总线标准：1 9 8 5 年，国际电工委员会决定由p r o w a yw o r k i n gg r o u p 负责现场总线体系结构与标准的 研究制定工作；1 9 8 6 年德国开始制定过程现场总线( p r o c e s sf i e l db u s ) 标准，简 华中科技大学硕士学位论文 称p r o f i b u s ，由此拉开了现场总线标准制定及其产品开发的序幕阍。 1 9 9 2 年，以美国的f i s h e r r o s e m o u n t 公司为首，联合f o x b o r o 、横河、a b b 、西 门子等8 0 家公司制定了i s p ( i n t e r o p e r a b l es y s t e mp r o j e c t ，可互操作系统规划) 组织，以德国的p r o f i b u s 为基础制定现场总线标准。1 9 9 3 年，成立了i s p 基金会( i s p f o u n d a t i o n ) 。1 9 9 3 年，由h o n e y w e l lb a i l e y 等公司牵头，成立了w o r l df i p ，约有 1 2 0 多个公司加盟，以法国标准( f i p ：f a c t o r yi n s t r u m e n t a t i o np r o t o c 0 1 ) 为基础 制定现场总线标准”。1 9 9 4 i s p f 和w o r l dp i p 握手言和，成立了现场总线基金会f f ( f i e l d b u sf o u n d a t i o n ) 。 由于技术和利益的原因，国际上存在多种现场总线标准，比较常见的主要有以下 几种：f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ，基金会现场总线) 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n g n e t w o r k ，局部操作网络) 、p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l d b u s ，过程现场总线) ，c a n ( c o n t r o l a r e an e t w o r k ，控制局域网络) 和h a r t ( h i g h w a ya d d r e s s a b l er e m o t et e a n s d u c e r ， 可寻址远程传感器数据通路) 等m 。表卜l 列出了主要的5 种现场总线的性能。 表1 15 种现场总线的性能比较 现场总线类犁 特性 f f p r o f i b u sh a r tc a nl o n w o r k s 楼宇自动化、工 应用范围仪表p l c 智能变送器汽车 业自动化等 o s l 网络层次 1 ，2 3 。8 l ，2 ，7l ，2 。7l ，2 ，7l 7 双绞线、电缆、双绞线、 双绞线，电力线、 通信介质双绞线、光纤电源信号线电缆、光纤、无 光纤、无线等光纤 线等 介质访问方式令牌，主从令牌、主从 令牌，主从位仲裁 p - p c s m a 纠错方式c r cc r cc r cc r cc r c 通信速率 2 51 2l - 2 ll ，2 5 ( m b i t s ) 最大节点数3 21 2 81 51 1 02 4 8 优先级有有 有 有有 保密性 身份认证 本安性是是是是是 2 华中科技大学硕士学位论文 由表卜i 可知，c a n 总线具有位仲裁，可以无破坏性的传输数据，且c a n 总线允 许的节点数较多，如果需要连接更多的节点，可以用c a n 总线中继器来实现。c a n 总 线通信比较可靠，开发工具简单，不需要专门的开发设备，而且开发成本低，因此它 被认为是最有前途的现场总线0 1 。 1 1 3 嵌入式技术 嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器嗍。嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 的基础是通用计算机中的c p u 。在系统设计中，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接口功能，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 般都做了各种增强嵌入式处理器是各种类型的嵌入式系统的核心。 现在大部分半导体制造商都生产嵌入式处理器，据不完全统计，全世界嵌入式处 理器的品种总量已经超过数千多种，流行体系结构有3 0 几个系列。嵌入式处理器的寻 址空间一般从6 4 k b 到4 g b ，处理速度从0 1m i p s 至u 上百兆m i p s ，常用封装从8 7 1 脚到4 0 0 引脚。 由于a r m 公司出售i p 核，用户可以根据自己的需要对其迸行封装，增加接口组成 s o c 芯片。比如三星的s 3 c 4 4 b o x 芯片中就封装了l c d 控制器、串口、时钟、a d 、d a 、 音频总线、i i c 总线等各种接口。通过封装，a r m 芯片提供了强大的功能，使硬件设计 更为简单，缩短了产品的设计周期“。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器【l l 】。a r m 提供一系列内核、 体系扩展、微处理器和系统芯片方案。由于所有产品均采用一个通用的软件体系，所 以相同的软件可在所有产品中运行。因此a r m 架构为系统软件提供了统一的平台接口。 1 1 4 课题来源 基于现场总线技术和嵌入式技术的发展和广泛应用，以及p l c 在工控系统应用中 出现的不能适应部分现代控制的需要，我们申请了广西自然科学基金项目基于智能 控制、c a n 现场总线的的嵌入式微处理器控制系统的研究 桂科基0 4 4 8 0 1 1 。编程 器的设计是我们课题研究内容中非常重要的一个部分，如图1 1 所示。论文对传统的 p l c ( 可编程序控制器) 编程器从电路组成到软件结构进行研究，使其具有通用指令编 程功能，又具有工业p c 组态软件编程功能，能解决顺序控制编程问题，又能解决复杂 3 华中科技大学硕士学位论文 控制编程问题，组成高性能i 低成本编程器。 c a n 总线 1 2 国内外概况 图1 1p l c 系统原理框图 在国际上，目前嵌入式技术和c a n 总线技术的研究都是比较热门的。嵌入式 技术逐步应用到人们的日常生活、工业生产过程和军事应用各领域。而最先应用二f 汽 车工业的c a n 总线技术也逐渐广泛应用于工业生产当中，由于它的位仲裁等诸多优 越性，成为最热门的现场总线之一“4 。但是，对于p l c 技术的改造，目前主要集中精 力研究自动化系统集成理论和技术，而中小型p l c ，尤其小型p l c 基于上世纪8 0 年 代9 0 年代的产品，在功能上增加控制网络功能，其硬件和软件基本结构等理论应用 方面基本上没有改变。所以，基于以上当前热门技术改造p l c 及其编程器目前在国际 上尚处于起步阶段。 而目前国内在自动化领域比较著名的研发和系统集成的公司仍以中小规模为 主，研发能力有限，尤其从事自动化系统集成的公司与高校，其主要精力是应用跨国 公司的产品如何构建成一个应用系统，再根据对象研究与设计算法和应用软件构造简 单的控制系统。近几年来，嵌入式微处理器的发展已经步入以嵌入式1 6 3 2 位微处理 器为内核，集成更多的功能于一体1 ，如h y n i x l 蹦3 0 c 7 2 0 2 ，l h 7 5 4 0 0 ( 4 1 0 、4 1 1 ) 等 将l c d 控制器、c a n 总线、d i i a 和其它功能集成在一块芯片中。以及5 1 系列单片机也 在近几年来，以5 1 系列单片机为内核的单片机不断涌现，例如最近新出现的 8 0 5 1 f 1 2 0 ，晶振最高频率为1 0 0 m h z ，指令周期1 1 0 0u s ，f l a s h l 2 8 k b ，6 4 个i 0 口， 集成了a i ) ，d 等常用器件“”。基于这些新型器件、智能控制、现场总线、网络技 4 华中科技大学硕士学位论文 术、实时控制操作系统、实时数据库、组态软件等，目前从理论研究到应用研究已达 到对中小型p l c 从电路结构到软件结构进行改革设计的基础。即将传统的中小型p l c 设计成为具有传统的梯形图编程的方式，同时又将复杂的控制功能以组态界面的摸式 以及将输入输出接1 2 1 集成到系统中，使得p l c 具有工业控制计算机( p c ) 功能的控 制系统。 1 3 主要研究内容及章节安排 1 3 1 主要研究的内容 课题主要是以a r m 嵌入式芯片、c a n 现场总线对传统的p l c ( 可编程序控制器) 手持编程器，从电路组成到软件结构进行研究，使其具有p l c 编程器功能，并能解决 复杂控制的编程问题。与点阵式液晶显示屏、触摸屏组成操作简单、高性能、低成本 编程系统。论文的主要研究内容有：1 编程器硬件电路设计；2 实时多任务操作系 统的设计，应用c 语言编制。使得针对不同的微处理器易于移植系统，目前拟定针对 s 3 c 4 4 b o x 嵌入式微处理器进行编程设计；3 显示系统的设计；4 c a n 总线通信 软件的设计；5 ；p l c 功能指令系统的设计。 1 3 。2 课题的研究意义 通过c a n 总线、嵌入式等技术重新设计的编程器及其控制系统，改善了系统的 控制方式，具有对复杂系统和实时系统的编程及控制功能，对系统的扩展模块可以通 过软件方式任意裁剪，并且界面通过液晶或触摸屏等技术使其变得更加友好。广西制 糖、塑料制品设备等机械工业处于全国的先进水平，柳州市是广西机器生产的基地， 机器制造工业门类比较齐全，急需自动化控制产业予以支撑，目前许多机器生产厂家， 设备控制装置配套要么是跨国公司的产品，具有先进性，要么还是比较落后的控制装 置。另外，目前广西民营机械生产企业正处于快速发展的阶段，也急需低成本自动化 控制系统予以支撑，还急需自主研究设计的先进控制系统，以提高生产效率和产品质 量，增强市场的竞争力。所以，该系统的研究是具有广阔市场实际应用价值的。 1 3 ，3 论文章节安排 本文的第一章为本章，是绪论部分，主要介绍本文的研究背景、研究主要内容、 研究意义和章节安排。 华中科技大学硕士学位论文 第二章在介绍s 3 c a 4 b o x 的基本结构和特点的基础上，提出基于s 3 c 4 4 b o x 的编 程器的结构原理框图，并设计了系统的电源电路、复位电路、时钟电路、液晶显示模 块和键盘模块等部分的电路设计。 第三章主要介绍通信模块的控制器、收发器以及所构成的通信节点和进行c a n 总线通信的位定时参数的计算。 第四章叙述各模块和系统的软件设计，对各模块的控制原理进行分析，并设计出 相应的程序流程图。还有p l c 指令的编码和存储等方面的研究和设计。 第五章对所设计系统的性能进行测试，提出测试对象、参数和指标，对系统软、 硬件的调试作了归纳，总结。 第六章则对全文进行总结，对本次课题的研究成果进行总结，提出今后的研究方 向和建议等。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 基于a r m 的编程器硬件设计 传统的编程器功能仅局限于编写p l c 常规顺序逻辑控制程序，并且其体积大，不 便于携带，键盘操作也不方便，这些缺点都是由本身硬件结构所造成的。通过以a r m 嵌入式系统为核心，l c d 或触摸屏为显示界面等技术的硬件改造后，编程器的性能体 积德到较大改进。下面分别介绍编程器硬件电路各部分的设计。 2 1 系统的设计流程 嵌入式系统的设计，通常划分为硬件系统设计与软件开发两部分。系统设计将先 进行系统要求分析，从而对系统设计模块进行划分“”。首先，对系统进行分析，考虑 系统功能、功耗以及成本等因素，完成系统选型；其次，将系统划分为硬件与软件两 部分；然后，完成硬件系统元器件的选型。绘制电路原理图和p c b ，制版并调试，而 软件设计则在目标硬件系统完成之后开始；最后则是对整个系统进行联机测试，包括 对所有硬件及软件组件的完整钡4 试。 2 2 硬件模块的总体设计 因为p l c 编程器便携性和低功耗的要求，以及方便测试系统的数据管理和液晶显 示控制，因此系统的c p u 采用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x ，这是一款基于a r m 7 t d m i 内核的3 2 位r i s c 处理器，该处理器为手持设备和一般类型的应用提供了高性价比和 高性能的微控制器解决方案“”。因为其具有丰富的i o 口和多功能复用口，所以本设 计当中不作i o 、a f t ) 等接口芯片的扩展。这样即保证了电路的可靠性，又达到了简 化电路的目的。 显示模块采用触摸屏组成显示监控与触摸键盘系统，其显示控制显示采用 w i n d o w s 窗口或手机菜单的型式，这是目前p l c 控制装置所不具备的功能。总线则 采用c a n 现场总线，并通过设计网关与计算机连接。 扩展模块可以是智能扩展模块的，也可以是非智能扩展模块。 7 华中科技大学硕士学位论文 如图2 - 1 所示，编程器系统硬件电路由主控器s 3 c 4 4 b o x ，时钟电路，复位电路， 电源电路，j t a g 接口电路，1 2 8 x 6 4 大小的点阵式单色s t n 液晶显示模块，c a n 总线模 块以及键盘扩展模块等构成。其中，c a n 总线模块采用s j a l 0 0 0 作为c a n 控制器，采 用p c a 8 2 c 2 5 0 作为总线收发器；丽键盘扩展部分采用7 2 9 0 作为扩展芯片来扩展6 4 个 按键。 匝西 叶 曜 匿耍斗 主控制器 芯片 陌藏习 s 3 c 4 4 b o x 匝西 叶 腓 图2 - 1 硬件组成电路框图 2 3 核心控制器模块介绍 2 3 1a r m 体系结构 s 3 c 4 4 b o x 微处理器采用0 2 5 u m c m o s 工艺制造，特别适合低成本、低功耗应用。它 的c p u 采用a r m 公司的1 6 3 2 位a r m 7 t d m ir i s c 结构“”。为什么a r m 构架的处理器这么受 市场的欢迎? 它到底有什么特别的地方? 下面简单地介绍下a r m 处理器体系结构的特点 和s 3 c 4 4 b o x 的硬件资源。 1 体系结构 a r m 7 采用三级流水线和冯诺依曼结构，提供0 9 m i p s l g l z 的性能。a r m 7 t d m i 是 世界上广泛使用的3 2 位嵌入式r i s c 处理器。作为一种r i s c 体系结构的微处理器，a r m 微处理器除了具有r i s c 体系结构的典型特征，还具有以下特点： ( 1 ) 每条数据处理指令，都控制算术逻辑单元( a l u ) 和移位器，以使a l u 和移位器 获得最大的利用率； ， 8 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环： ( 3 ) 同时l o a d 和s t o r e 多条指令，以增加数据吞吐量； ( 4 ) 所有指令都可以条件执行，以增大执行吞吐量； ( 5 ) 高端产品扩展了高级数字信号处理功能指令。 这些特性是对基本r i s c 体系结构的增强，使得a r m 处理器可以在高性能、小代码 尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。 2 处理器状态 采用a r m 芯片设计产品，如果应用简单，用户可以只需要编一些单个的控制程序 就能满足要求，这就类似单片机的开发，只需要做成前后台系统。但是如果应用很复 杂，就需要加载嵌入式操作系统，如w i n c e ，嵌入式l i n u x ，u c o s 。然后在嵌入式操 作系统之上开发用户的应用程序，通过嵌入式操作系统来完成用户进程的调度和相对 低层硬件的控制“。同时，嵌入式应用韵环境往往要优先保证实时性。为此，a r m 体系结构对采用操作系统和保证实时性都提供了强有力的支持，有些结构为了支持0 s 特别进行了优化。这从a r m 的程序模型可以看出，a r m 体系支持7 种处理器模式，大部 分应用程序都在u s e r 模式下运行。当处理器处于u s c r 模式下时，执行的程序无法访问 些被保护的系统资源，也不能改变模式，否则就会导致一次异常。对系统资源的使用 由操作系统来控制。 u s e r 模式之外的其它几种模式也称为特权模式，它们可以完全访问系统资源，可 以自由地改变模式。其中的f i q 、i r q 、s u p e r v i s o r 、a b o r t 和u n d ef i n e d5 种模式也被 称为异常模式，它们都有各自的额外寄存器，用于避免在发生异常的时候与用户模式 下的程序发生冲突嘲。在处理特定的异常时，系统进入这几种模式。还有一种模式是 s y s t e m 模式，任何异常都不会导致进入这一模式，而且它使用的寄存器和u s e r 模式下 基本相同。它是一种特权模式，用于有访问系统资源请求而又需要避免使用额外的寄 存器的操作系统任务。 2 3 2 8 3 c 4 4 b o g 的引脚分布及控制信号描述 考虑到体积，功耗等因素，本系统选择s 3 c a 4 b o x 的封装为l q f i 。- 1 6 0 ，其引脚分 布见相关资料。该器件共有1 6 0 根引脚，去除电源线、数据总线、地址总线以及通用 l o 口等，只剩余少量控制信号，而这些也正是设计阶段需要特别注意的。尽管 s 3 c 4 4 8 0 x 引脚较多，但根据各自的功能，其分布呈现出一定的规律性。本节对芯片 9 华中科技大学硕士学位论文 引脚只做简单的分析介绍，在后续的单元电路设计里，将对其做详细的说明。 在硬件系统的设计中，应当注意芯片引脚的类型，s 3 c 4 4 b o x ( 也包括其他的微处 理器1 的引脚主要分为三类，即：输入( i ) 、输出( 0 ) 、输入输出( 1 ，o ) 。输出类 型的引脚主要用于s 3 c 4 4 8 0 x 对外设的控制或通信，由s 3 c 4 4 b o x 主动发出，这些引 脚的连接不会对s 3 c “b o x 自身的运行有太大的影响叫“1 。输入，输出类型的引脚主要 是s 3 c 4 4 b o x 与外设的双向数据传输通道。而某些输入类型的引脚，其电平信号的设 置是s 3 c 4 4 b o x 本身正常工作的前提，在系统设计时必须小心处理”。 s 3 c 4 4 b o x 的主要控制信号如下啪】： ， e n d i a n ：大、小端模式选择引脚。逻辑电平在复位期间由该管脚的上拉下拉电 阻确定。高电平= 大端模式；低电平= 小端模式。在实际应用中一般使用小端模式，因 此本系统中该引脚下拉接地。 o m 0 ：o 】：设置$ 3 c 4 4 b o x 测试模式和确定n g c s o 的总线宽度，逻辑电乎在复位 期间幽这些管脚的上拉下拉电阻确定。本系统选取的b o o tr o m 采用1 6 - b “的f l a s h ， 故设置为 o m = 0 1 ，即b a n k o 为1 6 位数据总线宽度。 o m o , 2 1 , 设置系统时钟模式。本系统设置时钟模式位o m 3 ：2 0 0 ，采用外接无 源晶振，由内部时钟电路产生时钟的方式。( 注：o m 【3 1 为测试模式位，高电平二芯 片测试模式；低电平二正常工作模式；一般不作芯片测试，该引脚下拉或接地，使芯 片处于正常工作模式。) p l l c a p ：如果使用p l l 倍频电路，在该引脚和地之间接8 2 0 p f 的环路滤波陶瓷电 容。在实际系统中，一般应使用p l l 电路，因此，该电容应连接。 t c k 、t m s ，t d i 、t d o 、n t r s t 、j t a g 接口引脚，根据i e e e 标准，t c k 应下拉， t m s 、t d i 和n t r s t 应上拉。但s 3 c 4 4 b o x 的t c k 必须接一个1 0 k 的上拉电阻。这些信 号将直接关系到j t a g 仿真器可否于目标板正常连结、通信等。 e x t c l k ：当o m 3 ：2 1 选择外部时钟时的外部时钟输入信号线，不用时须接高电 平( 3 3 v ) 。 n r e s e t ：系统复位引脚。低电平复位，当系统正常工作时，该引脚应处于高电 平状态。在电源打开已经稳定时，n r e s e t 必须保持低电平至少4 + m c u 【周期。 s 3 c a 4 b o x 的其余引脚为电源线、接地线、数据总线、地址总线以及其他功能模 块的输入输出线，对c p u 自身运行的影响相对较小，其连接方式也比较简单，在此不 详述。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 4 编程器辅助电路 2 4 1 电源模块 本设计采用双层p c b 板实现系统功能，由于考虑到电平转换的复杂度，设计中电 源电路应尽量简化。为简化系统电源电路的设计，整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电源。在本测试系统中，有c p u 、d r a m 、f l a s h 、l c d 等，需要使用5 v 、 3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源，系统不但有静态功耗而且有动态电流。根据系统的实 际功耗，选择l d o ( l o w - d r o p o u tl i i l e a rr e g u l a t o r ) c m l1 1 7 2 5 和c m l1 1 7 3 3 为系统提 供直流稳压电源，系统电源电路如图2 - 2 所示： 图2 - 2 系统电源电路图 2 4 2 时钟电路 时钟电路分为系统主时钟和r t c ( r c a lt i m ec l o c k ) 。系统主时钟用于向c p u 及其 它接口电路提供工作时钟，r t c 为系统提供确切的时问信息。系统主时钟通过设黄 时钟模式位o m 3 ：2 1 = o o ，采用外接无源晶振、由内部时钟电路产生时钟的方式，c p u 原有的外部时钟直接输入功能被禁止。外部无源晶振的频率是8 m h z ，系统时钟频率 可由软件设置，最高能到6 6 m h z ，这样就提高了该系统的灵活性。因为系统时钟是由 内部p u 鹿路产生的，为了在启动后得到正确的频率，需要对p i 胧 行一定设置，主 要有三个参数m 、p 和s ，分别在m d 、p d i v 和s d i v z 个寄存器中设置。p l l 的输 出时钟跟外部无源晶振的输入频率之间的关系由下面的公式给出： 华中科技大学硕士学位论文 。f p i l = 器2 ，( 2 i ) ( p + 2 ) 6 ， f 在2 0 - 6 6 m h z 之问。在一对给定的f i n 和f p l l 下，必定有许多m 、p 和s 参数组合 符合上式的数学关系，选择时需要遵循下面几个原则： ( 1 ) ( f p u x 2 s ) 1 7 0 m h ； 但) s 尽可能地大； ( 3 ) 1 m h z s 6 4 ，如同时按下s 2 和s 1 8 时采样n s 2 。 3 连击键处理：当某个按键按下时，输出一次键值后，如果该按键还未释放， 该键值连续有效，就像连续压按该键一样，这种功能称为连击。连击次数计数器 r e p e a t c n t 可区别出单击【某些功能不允许连击，如开关】或连击。判断连击次数可以 检测被按时间，以防止某些功能误操作f 如连续按5 秒经入参数设置状态】。 4 功能键处理：功能键能实现2 个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特 殊功能。如p c 机上的“s h i f ”、“c t r l ”、“a l t ”键。典型应用图中的s 5 7 $ 6 4 为 功能键。 如前所示，z l g 7 2 9 0 是一块1 2 c 总线模式的芯片，则所有数据的传输都是依靠这样 的方式，那么要控制这样的器件，就也要有 1 2 c 的接口方式。 而s 3 c 4 4 b o x 处理器支持多主模式的 1 2 c 总线串行接口。s 3 c 4 4 b o x 采用专门的 串行数据线 s d a l 和串行时钟线 s c l ，与总 线上的其它外设传输信息。 s 3 c 4 4 b o x 支持的操作模式有：主设备发送 模式、主设备接收模式、从设备发送模式、 图2 - 47 2 9 0 与s 3 c 4 4 8 0 x 连接图 华中科技大学硕士学位论文 从设备接收模式。 所以，用s 3 c 4 4 b o x 可以很简单对7 2 9 0 进行控制，其电路连接图如图2 4 所示。 在这里7 2 9 0 的d i 9 0 d i 9 7 和s e g a s e 9 7 l - 1 分别作为6 4 6 4 矩阵式键盘的行扫描线和 列扫描线使用。而7 2 9 0 的1 2 c 数据地址线s d a 与s 3 c 4 4 b o x 的相应引脚p f i 连接：i 2 c 时 钟线也与对应的p f o 连接。另外，中断信号线与s 3 c 4 4 b o x ，f 部中断0 与p g - 0 i 连接。 那就可以通过该引脚来触发相应的键盘处理程序了。 2 7 本章小结 本章在介绍a r m 系统基本结构和特点的基础上，设计了基于s 3 c 4 4 b o x 为主控制 器的编程器硬件框图，并对系统的电源电路、复位电路、时钟电路以及人口接口的显 示模块和键盘模块接口电路进行了设计的说明。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 编程器通信模块的设计 c a n 现场总线是德国b o s c h 公司在2 0 世纪8 0 年代为解决现代汽车中众多的控 制与检测仪器之闻的数据交换而开发的一种高性能串行通讯协议。c a n 总线是一种 多主总线，任意节点都可以在任意时刻向其它节点发送信息，而不分主从，通信十分 灵活；废除了传统的地址编码方法，并代之以标识( i d e n t f i e r ) ，对信息进行优先 级仲裁；总线上各节点依据优先级进行访问，以广播的形式进行通讯；有效的支持分 布式控制或实时控制的串行通讯网络。由于c a n 总线通信速率高( 最高可达1 m b p s s ) ， 价格低廉，因而被广泛应用于运载工具或仪器仪表的电气系统互连及中小规模的工业 监控设备组网，并被公认为最有前途的现场总线之一。 3 1c a n 控制器及收发器 3 1 1c m 控制器s j a l 0 0 0 虽然目前部分类型的a r m 内部已经集成有c a n 控制器的功能，但这类芯片的价格一 般比较贵。由于在本次课题中选用的a r m 7s 3 c 4 4 b o x 尚未集成有c a n 控制器的功能，所 以选用了芯片s j a l 0 0 0 来扩展c a n 通讯口。s j a l 0 0 0 是p h i l i p s 公司生产的独立c a n 总线 控制器，它是早期的p c a 8 2 c 2 0 0 的替代产品。它与p c a 8 2 c 2 0 0 在管脚、电气特性上完全 兼容，不仅有和p c a 8 2 c 2 0 0 - - 样的基本c a n ( b a s i cc a n ) 工作模式，而且新增加了增强 c a n ( p e l ic a n ) 工作模式，这种模式支持具有很多新特性的c a n 2 o b 协议。经过简单 连接和正确设置的s j a l 0 0 0 ，能自动完成c a n 总线物理层和数据链路层的封装拆封， 出错检测、串并转化等所有功能，对于系统编程者来说，只要把它看成一个基本的 i o 设备即可，使用非常简单、方便。当要发送信息时，只要把信息写入s j a l 0 0 0 p 可， 当有信息传送过来时，s j a l 0 0 0 会给出提示信息，a r m 只要直接读取即可。s j a l 0 0 0 有 d i p 2 8 和s 0 2 8 两种封装形式，它的内部功能模块图如图3 - i 所示。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 圈3 1c a n 网络控制器s j m 0 0 0 的内部结构及对外接口原理 1 接口管理模块( i 札) ；接口管理逻辑解释来自c p u 的命令，控制c a n 寄存器的寻 址，向主控制器提供中断信息和状态信息。 2 发送缓冲器( t x 8 ) ：发送缓冲器是c p u 和b s p ( 位流处理器) 之问的接口，能够存 储发送到c a n 网络上的完整信息。缓冲器长1 3 个字节，由c p u 写入，b s p 读出。 3 接收缓冲器( r x b ，r x f i f o ) ：接收缓冲器是验收滤波器和c p u 之间的接口，用 来存储从c a n 总线上接收的信息，接上缓冲器( r x b ，1 3 个字节) 作为接收f i f o ( r x f i f o ， 长6 4 个字节) 的一个窗口，可被c p u 访问。c p u 在此f i f o 的支持下，可以在处理信息的 同时接收其它信息。 4 验收滤波器( a c f ) ：验收滤波器把它其中的数据和接收的识别码的内容相比较， 以决定是否接收信息。 5 位流处理器(