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基于 mcf52223 的 lcd 触摸屏功能程序设计及应用 中文摘要 i 基于 mcf52223 的 lcd 触摸屏功能程序设计及应用 中文摘要 触摸屏是一种集显示器、鼠标器和键盘等功能于一体的新型人机界面，不仅能显 示丰富的多媒体信息，而且集成触控和键盘输入的功能，体积小巧，特别适合嵌入式 设备特别是便携设备上应用。随着嵌入式技术的快速发展，触摸屏在工业控制、汽车 电子、消费电子等领域迅速流行起来。 本文以软硬件构件思想为指导，将触摸屏的外围部件分为 usb 构件、电源构件、 qspi 等构件，便于外围部件在不同项目间移植使用。硬件设计中选择飞思卡尔的 32 位高性能低功耗微控制器 mcf52223 为主控芯片，以 rsm1843 为触摸屏控制器，采 用四线电阻式触摸屏实现总体功能。软件上，本文编写了各构件的驱动程序以及四线 电阻式触摸屏控制器驱动程序；针对触摸屏产生系统误差和随机误差的问题，深入分 析了基于加速度模型减少随机误差的算法，并在此算法的基础上进行了改进，提出了 一种基于加速度模型的新识别笔事件并消除笔事件中随机误差影响的算法，包括落 笔、笔移动及抬笔的判断， “飞点” 、 “抖动”及“拖尾”现象的消除，断点的数据插 补等， 在大量的测试过程中实现了良好的效果， 实现了一套随机误差小、 运行速度快、 触控灵敏的触摸屏。 最后本文通过一个虚拟示波器的设计实现， 向用户展示了触摸屏的使用方法和成 效，体现了基于构件的软硬件设计思想在具体项目开发中指导作用。 关键字：mcf52223，lcd，触摸屏，功能程序，虚拟示波器 作作 者者：钟 铸 指导老师指导老师：王宜怀 abstract design and application of the lcd screen function program based on mcf52223 ii design and application of the lcd screen function program based on mcf52223 abstract touch screen is a new type of human-machine-interface with a collective performance of mouse, keyboard and screen, which can not only show rich multimedia information, but also integrate touch pad and keyboard input function. it is very small , so especially suitable for embedded equipment and portable devices. with the rapid development of the embedded technology, touch screens are used in industrial control, automotive electronics and consumer electronics, etc. based on the theory of software-and-hardware component, this paper is divided into usb component, power components, qspi component and so on, which facilitates the peripheral parts in different project. in the hardware design, freescale 32-bit mcf52223 mcu is chosen as the controller, rsm1843 as touch screen controller. in addition, the 4-wire resistive touch screen is adopted to achieve overall function. for software, this paper write drivers for components ,for touch screen generation system error and random errors, this paper analyze the algorithm of reducing random error based on statistical model, improve it and propose a algorithm of new recognition pen events and eliminating the effect of pen events in random errors based on statistical model, which include the judgment of resents, pen moves and carrying the pen, the eliminating of the phenomenon of fly point, jitter and bad-tail and breakpoint data interpolation, etc. a lot of testing results in good effect. a set of touch screen with less errors, fast speed and sensitive touch is achieved. finally, this paper presents the users with the use and effectiveness of the touch screen by means of a designed virtual oscilloscope, which embodies the guidance of component-based software and hardware design thought in specific project development. design and application of the lcd screen function program based on mcf52223 abstract iii key words: mcf52223, lcd, touch screen, functions program, virtual oscilloscope written by: zhong zhu supervised by: wang yihuai 苏州大学学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 论文作者签名： 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 论文作者签名： 日 期： 日 期： 苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定，即： 学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信息情报 中心、中国科学技术信息研究所（含万方数据电子出版社） 、中国学术期 刊（光盘版）电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文档，允许论 文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存和汇编学位 论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 经校保密办审核批准，本学位论文属保密论文，在 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定，即： 学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献信息情报 中心、中国科学技术信息研究所（含万方数据电子出版社） 、中国学术期 刊（光盘版）电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子文档，允许论 文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存和汇编学位 论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索。 经校保密办审核批准，本学位论文属保密论文，在 年解 密后适用本规定。 论文作者签名： 年解 密后适用本规定。 论文作者签名： 日 期： 日 期： 导 师 签 名： 导 师 签 名： 日 期： 日 期： 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第一章 绪 论 1 第一章 绪 论 嵌入式系统是当前最热门最有发展前途的 it 应用领域之一。嵌入式系统不仅在 传统的工业控制、电信设施中发挥巨大的作用，而且其应用逐渐扩展到家用电器、医 疗保健设备、数码相机、多媒体播放设备、手机、pda、网络设备等各个领域。嵌入 式处理器（microprogrammed control unit，mcu）是嵌入式系统的核心，是控制、 辅助系统运行的硬件单元1。目前，嵌入式系统中使用的处理器主要有：8 位、16 位、 32 位、64 位嵌入式处理器和数字信号处理器（digital signal processor，dsp） ，而 32 位嵌入式处理器已成为主流。本文使用飞思卡尔的 32 位微控制器 mcf52223 作为液 晶和触摸屏的主控芯片。 液晶逐渐成为当今人机交互的重要界面。 液晶显示技术被广泛的用在一般的电子 产品中，例如，计算器、电子表、手机屏幕、医院仪器或数字相机上面的屏幕等。 今天，触摸屏逐渐代替了传统的人机接口。该技术带来了新颖的、富有吸引力的 简单易用的人机接口，该接口易于进行改进和更新以实现新的特性或系统功能。最重 要的是，最新的触摸屏产品即便在有射频干扰的环境下也能稳定可靠地工作。现在， 触摸屏技术不仅在手机中得到广泛应用，而且该技术正在迅速渗透到其它应用中，包 括 pda、pc、gps 系统和家用电器2。 本章给出了基于 mcf52223 的触摸屏应用的设计思路及本课题的意义， 总体设计 思路将整个设计过程划分为硬件设计阶段、软件设计阶段和应用实例分析等几个部 分。最后介绍本课题所做的研究工作内容及论文结构安排。 1.1 本课题的研究背景及意义 1.1.1 研究背景研究背景 1液晶触摸屏在嵌入式系统中的广泛应用 随着嵌入式系统技术的飞速发展，工业设备产品也越来越现代化，普遍要求可视 化操作。当今，广泛使用的液晶触摸屏具有耗能低、散热小、成本低、纤薄轻巧、外 形尺寸小、安装使用简单等优点。液晶触摸屏作为工业设备的输入输出设备不仅能达 到可视化的要求，方便现场操作，还能降低产品的成本。 第一章 绪 论 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 2 触摸屏技术应用于智能仪表中可以直接在液晶屏上进行触摸输入， 改善人机交互 方式，使用方便。因此，液晶触摸屏技术逐渐成为交互地进行信息存取和输出的集成 系统。在便携式的电子类产品中，触摸屏由于其方便、灵活、占用空间少等优点，已 经逐渐取代键盘成为嵌入式计算机系统中常用的人机交互输入设备。 2液晶屏的功能程序较少 目前，由于液晶屏幕材质不同，市场上的液晶屏种类繁多，然而目前液晶屏的功 能程序很少，液晶制造厂家仅仅根据自己使用的控制器来封装函数，没有统一的函数 可以使用。虽然液晶屏的主控制芯片不同，但除了液晶屏的驱动程序不同外，其余的 功能程序，如显示字符、汉字和图片等显示函数完全可以封装为相同的函数，以提高 功能函数的通用性。 1.1.2 课题意义课题意义 本文以目前市场上广泛使用的液晶屏控制器 ssd2119 和触摸屏控制器 rsm1843 为例，介绍了在嵌入式系统中液晶触摸屏控制器驱动程序设计的功能程序的编程方 法。同时，分析了影响触摸屏数据采集精度的若干因素，提出一种简单有效的数据处 理算法，并详细介绍了 lcd 坐标与触摸屏坐标的对应关系，并使用该功能程序实现 虚拟示波器的功能。 本文使用飞思卡尔的 32 位 mcu mcf52223 作为主控芯片，使用 16 位并行数据 通信实现液晶屏和主控芯片的通信，使用标准 spi 通信实现触摸屏和主控芯片的交 互。 mcf52223 作为整个系统的主控芯片， 当触摸屏控制器接收到触摸屏按键信息时， 将该信息显示在液晶屏上；同时，mcf52223 也会把 a/d 采集到的信息通过 usb 通 信发送到 pc 机上。本课题采用同时将信息发送到液晶屏和 pc 机这两种方法，是为 拓宽信息采集的应用范围。 如果只能与液晶屏连接， 利用 mcf52223 芯片的处理能力 也能完成液晶和触摸屏的交互功能；当 mcf52223 与 pc 机连接，借助 pc 机的强大 处理功能，通过编写相关高端程序，可以提高信息处理的速度和显示的精度。 1.2 本课题的总体设计思路 本课题的设计工作是编写 lcd 触摸屏的功能程序，并通过该程序实现虚拟示波 器的功能，将整个设计过程划分为硬件设计阶段、软件设计阶段和应用实例分析等几 个部分。 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第一章 绪 论 3 硬件设计阶段主要包含主控芯片的选型、液晶类型的选型、液晶控制器和触摸屏 控制器的选取，以及主控芯片最小系统、液晶触摸屏硬件电路的设计。硬件电路板使 用 coldfire 系列微处理器 mcf52223 作为主控芯片。本课题根据构件的原则，对硬 件原理图和硬件电路图进行封装，尽量让各个模块独立开来，以便以后的硬件原理图 的复用和移植3。 软件设计阶段主要包含主控芯片 mcf52223 的模块驱动程序的编写， 例如： 小灯 模块、 串口模块、 a/d （analog to digital， 模数转换） 采集模块、 usb （universal serial bus，通用串行总线）模块、qspi（queued serial peripheral interface，队列串行外设 接口）模块等。除此之外，还要编写液晶控制器 ssd2119 和触摸屏控制器 rsm1843 的功能程序、提高触摸屏数据采集精度的算法程序以及 lcd 坐标与触摸屏坐标的对 应关系的程序等。ide（integrated development environment，集成开发环境）使用 freescale 公司提供的 codewarrior 集成开发环境，它以工程的方式组织固件源文件程 序，方便用户编辑、调试及写入。codewarrior 已经比较成熟和完善，用户很容易上 手，因此本课题直接使用 codewarrior 作为软件开发工具。 应用实例分析通过一个综合实例触摸屏上虚拟示波器的设计， 很好地向用户 展现了前文所做的软硬件设计的合理性， 同时验证了基于构件思想所设计出的系统具 有很强的复用性和可移植性。 1.3 本课题所做的工作及论文结构安排 1.3.1 论文工作安排论文工作安排 1硬件目标板的设计与制作 （1）硬件模块划分和芯片选型 （2）了解和确定各硬件模块的外围电路 （3）硬件目标板原理图设计 （4）绘制并制作 pcb （5）元件采购、焊接、测试、完成各模块单独调试 2软件设计与调试 （1）gpio 小灯驱动程序 （2）uart 串行通信驱动程序 （3）adc 采集与转换驱动程序 第一章 绪 论 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 4 （4）usb 通信驱动程序 （5）qspi 通信驱动程序 （6）ssd2119 驱动程序 （7）rsm1843 驱动程序 （8）触摸屏数据采集程序 （9）液晶触摸屏确定坐标程序 3虚拟示波器的设计与实现 （1）虚拟示波器硬件平台的搭建 （2）虚拟示波器固件的设计 1.3.2 论文结构论文结构 本文共分为六章，各章内容安排如下： 第一章介绍了液晶触摸屏功能程序的课题背景，以及本课题的写作意义及设计思路； 第二章为硬件设计部分，详细叙述了目标板的硬件设计与现实，介绍了主控芯片 的选型原则和各控制器的选取方法，详细描述了各芯片的主要特性，给出各个模块硬 件构件的设计思路、设计说明与相应电路设计图，最后阐述了硬件调试的测试过程及 体会； 第三章为软件设计部分， 详细阐述了本课题所需的 mcf52223 各模块的驱动程序 设计，以及液晶控制器 ssd22119 的功能程序设计和触摸屏 rsm1843 的程序设计， 并详细分析了设计要点； 第四章为液晶触摸屏综合应用示例虚拟示波器的设计与实现。 通过一个简单 的实例，展现了实际项目开发的全过程。 第五章为调试总结及开发体会，对整个开发过程中的调试工作进行总结，简述在 本功能程序开发过程中的设计体会和个人心得。 第六章对全文进行了总结与展望。 1.4 本章小结 本章简单介绍了本课题研究背景，在此基础上提出了本文的工作，即按照软硬件 构件的原则，编写 lcd 触摸屏的功能程序，并通过该程序实现虚拟示波器的功能， 将整个设计过程划分为硬件设计阶段、软件设计阶段和应用实例分析阶段。 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 5 第二章 硬件设计 硬件目标板采用基于 v2 coldfire 核的高集成度 32 位微控制器 mcf52223， 该主 控芯片有很多模块，本文主要介绍了该芯片的 gpio（general purpose input/output， 通用输入输出）模块、uart（universal asynchronous receivertransmitter，通用非 同步收发传输器）模块、a/d 采集模块、usb 模块、qspi 模块等4。液晶采用的材 质是 tft（thin film transistor，薄膜场效应晶体管） ，控制器是 ssd2119。触摸屏的 控制器是 rsm1843。本章首先详细阐述了目标板的设计目标和制作过程，包括芯片 选型、各模块介绍以及相关电路设计。其次，介绍了液晶及触摸屏控制器的选取，以 及相关硬件电路的设计与实现。最后，简述了硬件测试方法以及测试体会。 2.1 系统总体设计目标 2.1.1 系统结构系统结构 整个系统主要包括三部分，分别为：mcf52223 微处理器、lcd 模块和触摸屏模 块，系统结构框图如图 2-1 所示。mcf52223 作为整个系统的主控芯片，它的作用是 实现液晶和触摸屏的交互。当触摸屏控制器 rsm1843 接收到触摸屏按键信息时，通 过标准的 qspi 通信将经过 rsm1843 转换的数字信息传递给 mcf52223，mcf52223 根据程序处理结果，把要显示在液晶屏上的信息通过并口发送到 ssd2119，最后， ssd2119 将该信息显示在液晶屏上。同时，mcf52223 也会把 a/d 采集到的信息通 过 usb 通信发送到 pc 机上。 图 2-1 系统结构框图 第二章 硬件设计 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 6 2.1.2 系统硬件总体设计系统硬件总体设计 mcf52223 与触摸屏控制器 rsm1843 通过 qspi 进行通信。使用该接口，用户 可以一次性传输多达 16 个 816 位的数据队列。一旦启动传输，直到传输结束，都无 需 cpu 干预， 极大地提高了传输效率。 mcf52223 与液晶屏使用 16 位并行数据传输， 当其接收到触摸屏的信息后，会把相应的处理结果由并行接口发送给液晶屏，16 位 并行数据传输可使得每次可传输 2 个字节的数据，加快了数据传输速率；同时，通过 usb 把处理结果发送给 pc 机，在 pc 机上显示。系统硬件框图如图 2-2 所示。 图2-2 系统硬件框图 2.2 mcu 选型 2.2.1 coldfire 系列微处理器简介系列微处理器简介 coldfire 系列微处理器是 motorola 半导体部（现 freescale 半导体公司）于 1996 年推出的 32 位微处理器。coldfire 延续了著名的 68k 体系结构，继承了该系列的精 华，精简了部分 68k 的指令，降低了生产成本。经过多年的发展，coldfire 已经开 发出大量的微控制器系列产品，集成了各种外设和不同大小的存储器，成为许多低成 本、高可靠、高性能的嵌入式应用的理想解决方案5。 coldfire 系列具有变长精简指令集计算机（reduced instruction set computer， 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 7 risc） 架构， 集成了高代码密度的高性能内核和大量外围接口， 包括 10/100 以太网、 usb2.0、 can 和 qspi 等。 coldfire 系列微处理器最初的版本是 v2， 以 coldfire v2 微处理器为核心各类微控制器产品达上百种之多。后续版本发展到 v3、v4，v5、 v6 也在继续发展中。 v2 内核基于存储器可配置分层架构， 利用带有 32 位地址和数据总线与集成调试 模块的单线程、基于标准单元的设计，内核可以支持高达 166mhz 的性能。内核采用 长度可变的 risc 架构，允许的指令长度有 16、32 和 48 位。这样能更有效地将代码 存储到存储器中，从而降低了存储器的要求，并降低了系统总成本。 v3 内核包括优化的指令预取流水线，分支预测能力和更高的操作频率。该内核 性能比 v2 内核提高了 300%，而系统操作频率仅增加不到 50%。另外还包括一个高 速的乘法累加单元，专用的硬件除法和增强的调试功能。 v4 内核的微体系结构和 v3 内核相比， 性能提高了 2.8 倍， 拥有更加广阔的应用。 改良的微体系结构拥有更高的性能：大于 200 dhrystone 2.1 mips150mhz。 对于以 coldfire 微处理器不同版本为内核生产的微控制器（mcu） ，freescale 一般采用如下命名方法：coldfire v1 内核的产品以 mcf51xx 命名；coldfire v2 内 核的产品以 mcf52xx 命名； coldfire v3 内核的产品以 mcf53xx 命名； coldfire v4 内核的产品以 mcf54xx 命名， 从而形成各自的 mcu 子系列。 这些不同型号的 mcu， 因内部模块数量、i/o 口数目、封装形式等不同形成区分出具体型号的产品6。 2.2.2 mcu 选型要求选型要求 一般来说， mcu 是一个嵌入式系统的核心。 一切外围电路的设计都是围绕 mcu 的特性来考虑的。因此，选择一个合适的微控制器是非常重要的。选择微控制器时， 除了考虑技术方面的因素，还要考虑非技术方面的因素。表 2-1 所示为选择微处理器 要考虑的问题。 第二章 硬件设计 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 8 选取微控制器作为目标板的 mcu 其最终目的是使系统稳定、可靠地运行，并且 使软硬件设计具有通用性，方便用户移植和复用。有利于用户通过该系统对其或者同 系列其它相似的微控制器进行学习和开发， 所以在选择评估系统的微处理器时还要重 点考虑两点： 一、 该处理器在同系列成员中是否具有代表性； 二、 该处理器的性价比、 功耗和封装以及是否具有较好的应用前景。综合上述选型思路不难发现，freescale 推出的 mcf52223 微处理器就是非常理想的选择。 其综合性能较以前的产品有了大幅 度提高，而功耗和价格却更低，为用户提供了更多的选择，并且其内置的功能强大的 网络模块，具有丰富的 i/o 引脚，可进行多位数据通信。而且 mcf52223 是飞思卡尔 主推的 32 位微控制器， 在同类 coldfire mcu 中具有显著的代表性。 结合第一章的内 容综合考虑，本课题选用 mcf52223 作为目标板的微控制器（mcu） ，考虑到方便布 线及便于焊接等因素，所以选择其 lqfp（薄形四方扁平封装，low profile quad flat 表 2-1 选择微处理器需要考虑的几个问题 序号 影响 因素原因 1 价格 在产量和成本约束相当严格的场合，价格是非常重要的因素。在嵌入式产品设计过 程中，要充分考虑产品的性价比。 2 性能 仔细评估 mcu 的性能能否满足系统的处理需求（满负荷运行时） ，最好使用评估板 评估一下实际的处理能力。只有性能满足要求，才能是产品更稳定，可靠的运行。 3 封装 目前，芯片封装以 qfp、bga 具多。根据产品生产条件的不同，选择不同芯片封装。 4 功耗 对于电池供电的产品，需要非常重视 mcu 的功耗问题。 5 指令集 risc 的主频高，但代码密度和运行效率稍低。cisc 有时也是不错的选择。 6 emc 应优先选用对 emc（电磁兼容）作过优化设计的 mcu。 7 工具支持 包括编译、调试环境、操作系统支持等。 8 市场定位 了解芯片的定位，低端还是高端，消费电子还是工业用。 9 生命周期 芯片更新换代比较快。因此，选用一种处理器之前，要对它的 roadmap 有很清楚的 了解。尽量选用生命周期较长的产品 10 mmu mmu 内存管理单元对于有些操作系统是必需的。 11 总线形式 最好能与大多数外围器件实现无缝连接。 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 9 package）的封装形式。 主控芯片使用的是 100 引脚 lqfp 封装的 mcf52223，该芯片有丰富的 i/o 足以 为系统提供丰富的引脚， 并且每个引脚都有多个复用功能， 有的引脚有两个复用功能， 有的有四个复用功能，系统设计时必须注意只能使用其中的一个功能7。进行硬件最 小系统设计时，一般以引脚的第一功能作为引脚名进行原理图设计，100 引脚 lqfp 封装的 mcf52223 的引脚分配图请参考附录 1。 100 引脚 lqfp 封装 mcf52223 的引脚功能丰富，主要包含以下基本功能信号： 电源类信号、复位信号、pll 和时钟信号、调试支持信号、模式选择等。此外，主要 功能模块引脚包含： （1）uart 信号：包括串行数据输入 urxd2-0、串行数据输出 utxd2-0、 请求发送 urts2-0、清发送 ucts2-0。 （2）adc 信号：包括 an7:0，adc 模块的输入引脚。 （3）qspi：包括串行数据输入 qspi_din、串行数据输出 qspi_dout、串行时 钟 qspi_clk 和片选 qspi_cs0、qspi_cs1、qspi_cs2、qspi_cs3。 （4）dma 定时器信号：包括 dtin/dtout3-0，32 位定时器，产生 dma 请 求。 （5）通用定时器信号：包括 gpt3-0，16 定时器。 （6）i2c 信号：包括串行时钟信号 scl 和串行数据信号 sda。 （7）usb 模块：该模块支持 usb2.0 协议中定义的全速和慢速模式及 otg （on-the-go）协议，使用两个引脚进行通信，分别为：usb_dp，usb_dm。 （8）外部中断信号：包括 irq1、irq2、irq3、irq4、irq5、irq6 和 irq7， 可以作为外部中断源。 2.2.3 外围器件的选取外围器件的选取 外围器件决定着 mcu 能否完成其相应的功能扩展8，本课题在外围器件的选择 上重点考虑了以下几个因素： （1）能否完成系统的要求。在选择时，一定要仔细阅读芯片的参考手册以及一 些应用实例，充分了解器件的性能及应用场合。 （2）接口电压与形式。外围器件的电压最好能够从电路板上直接获取，避免为 第二章 硬件设计 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 10 此新增电压转换芯片，最好能选用与系统总线无缝相接的芯片。 （3）尽量选用标准产品。选用引脚、封装、功能兼容的产品会降低采购的风险。 基于以上考虑，本目标板根据功能需求，选择的外围器件如表 2-2 所示。 表 2-2 外围器件选取 模块名 功能 电源 lm1085 将输入电压 5v 转为 3.3v 串行口 max232 芯片，用于 uart 串行通信接口 a/d 转换 12 位转换精度，时钟频率最高为 5mhz qspi 用 80 字节的静态 ram 取代了 spi 的发送和接收数据寄存器 usb 模块 使用 usb-otg 协议，可以实现主机和从机切换功能 2.3 mcf52223 硬件构件设计 本目标板采用上下 2 层 pcb 板设计，目标板上仅仅把串口、网络接口、小灯模 块扩展出来，其余的引脚均引出并预留在目标板上，以便外接液晶和触摸屏。其实物 图见附录 2。 2.3.1 基于构件的硬件设计思想基于构件的硬件设计思想 1硬件构件概述 为了更好的解决嵌入式系统设计中硬件可重用性不高、可移植性较差的问题，提 出了基于硬件构件的设计思想。 该思想的基本原则是将可独立编程的实体作为一个硬 件构件来处理9。硬件构件是指将一个或多个硬件功能模块、支撑电路及其功能描述 封装成一个可重用的硬件实体，并提供一系列规范的输入/输出接口，能够被独立使 用10。我们常说的“硬件模块”是硬件构件的组成部分，一个硬件构件可能包含一个 或多个硬件功能模块。从软件的角度来说，为其编写的具有较强通用性的驱动程序也 是硬件构件的组成部分11。 2硬件构件设计的要点 在进行硬件构件设计的时候，必须注意以下几个方面的问题： （1）封装要规范 一些与系统性能相关的可变参数和设置参数要设计成函数参数， 这样只要传递不 同的参数就可以调整构件的功能。 （2）每个硬件构件要编写独立的驱动程序 每个构件的原理图和 pcb 板要封装成一个独立的整体，每个构件都要有独立对 应的头文件和源文件及宏定义以及底层通信子函数。 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 11 （3）封装要完整 对一个构件的封装要实现此构件预定的全部功能。 （4）封装的模块功能不可以交叉 2.3.2 mcu 硬件最小系统电路设计硬件最小系统电路设计 mcu 的硬件最小系统是指可以使内部程序运行的所必须的外围电路，由电源、 晶振和 pll 及复位等电路组成。由于 flash 存储器制造技术的发展，大部分芯片提供 了在板或在系统（on system）写入程序功能，因此硬件最小系统还包括写入器的接 口电路12。电源电路保证了系统有符合要求的稳定的工作电压；晶振电路提供 mcu 工作所需的外部时钟信号；复位电路则提供不掉电情况下 mcu 重新启动的手段。 1电源及其滤波电路 电路中需要大量的电源类引脚用来提供足够的电流容量。 所有的电源引脚必须外 接适当的滤波电容抑制高频噪音。有些电源与地引脚仅用于外接滤波电容，内部已经 连接到电源与地，不需要再外接电源。电源滤波电路，用于改善系统的电磁兼容性， 降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。 2复位电路 mcu 的复位后，mcu 重新进行初始化，一切工作重头做起。复位引脚包含复位 输入引脚和复位输出引脚 。若信号有效（低电平） ，mcu 复位，此时会产生一个低 电平脉冲，图 2-3 中复位电路的发光二极管会闪一下，表明 mcu 正常复位。复位电 路原理如下：正常工作时复位输入引脚通过 4.7k 欧姆电阻接到电源正极，所以应为 高电平。若按下复位按钮，则rsti脚接地，为低电平，导致芯片复位。若芯片能正 常复位， 应该输出rsto低电平，发光二极管亮。需要注意的是，如果rsti或rsto引 脚被一直拉低，mcu 将不能正常工作。 图 2-3 mcf52223 硬件最小系统的复位电路 第二章 硬件设计 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 12 3晶振电路及pll滤波电路 晶振电路和 pll 锁相环电路为芯片提供准确的工作时钟。 晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。芯片引脚中与晶振有关的引脚 为： 晶体振荡器或外部时钟输入 extal 引脚， 晶体振荡器输出引脚 xtal。 mcf52223 使用的是 48mhz 的有源晶振，四个引脚分别为：外部时钟输入 extal 引脚，电源 引脚和地，另外一个引脚悬空。如图 2-4 所示。 图2-4 有源晶振电路 freescale 公司生产的 mcu，其内部大多含有锁相环（phase-locked loop，pll） 电路。锁相环 pll 电路兼有频率放大和信号提纯的功能。通过内部 pll 系统可以通 过较低的外部时钟信号获得较高的内部工作频率， 以降低因高速开关时钟所造成的高 频信号干扰，提高系统抗干扰性。 4写入器接口电路 bdm 即后台调试模式（background debug mode，bdm）的简称，是 mcf52223 支持的两种调试模式之一13。另外 mcf52223 还支持 jtag（joint test action group， 联合测试行动小组）调试模式。bdm 后台调试模式是由 freescale 半导体公司自行定 义的片上调试规范，这种调试方式为开发人员提供了底层的调试手段，开发人员可以 通过 bdm 调试器对目标板上 mcu 的 flash 进行写入、擦除等操作。用户也可以通 过它进行应用程序的下载和在线更新、在线动态调试和编程、读取 mcu 各寄存器的 内容和状态、mcu 内部资源的配置与修复、程序的加密处理等操作。而这些仅需要 向 mcu 发送若干简单的指令就可以实现，从而使用户自己就可以编写调试软件14。 在 mcf52223 100 引脚 lqfp 封装的 bdm 电路中，bdm 调试主要使用了 dsclk， dsi， dso， bkpt， pstclk， allpst 信号， 未使用 data3:0和 pst3:0。 当 jtag_en=0，选择 bdm 模块。 在设计 bdm 模块时采用 26 针双排短插针，一端连接 bdm 写入器，一端连接 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 13 mcf52223 的相应引脚。本目标板使用 bdm 并口写入器完成从并口到 bdm 调试端 口的操作时序的转换。bdm 后台调试模块使用的 26 脚 bdm 调试引脚的信号定义如 表 2-3 所示。 表 2-3 bdm 调试引脚的信号定义 所在引脚 信号 功能描述 方向（相对于 mcu） 1 处理器状态时钟 pstclk （processor status clock） 处理器状态时钟信号。它指示外部开发采样 dsi 和 dso 信号的时刻。 输出 2 断点 bkpt（breakpoint） 中断请求输入信号。在当前指令执行完后处 理器进入停机状态，停机状态在 pst3:0上 对应的值是 0 x0f。 输入 6 开发串行时钟 dsclk （development serial clock） 开发系统的串行时钟信号。在串行通信端口 的 数 据 传 送 计 数 。 最 大 的 工 作 频 率 是 pstclk 的 1/5。在上升沿，dsi 信号线的数 据被采样，dso 则改变状态。 输入 4 开发串行输入 dsi （development serial input） 串行通信口到调试模块的数据输入信号。 输入 5 开发串行输出 dso （development serial output） 调试模块的应答信号。 输出 7 所有处理器状态 allpst （all processor status outputs） 处理器状态 pst3:0的逻辑与。 输出 2.3.3 电源设计电源设计 本目标板的外部输入电源为 5v。电源构件的原理图如图 2-5 所示。本构件中的 芯片 lm1085 主要用于电压转换，电容的主要作用是滤波，电阻主要用于分流，小灯 作为电源指示灯使用。当开关按下时，整个目标板上电。它的输入电源是 5v，经过 lm1085 转换成 3.3v 的电压。5v、3.3v 电源分别连接 2 个电源指示灯，通过相应的 指示灯可以判断这两种电压是否被正常转换。基于构件的设计思想，本模块能够作为 一个通用的电源构件使用，提供 5v、3.3v 电压。 第二章 硬件设计 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 14 图2-5 电源构件原理图 2.3.4 小灯构件的设计小灯构件的设计 本目标板设计了四个小灯构件，其原理图如图 2-6 所示。 图2-6 小灯构件原理图 小灯直接与 mcf52223 的通用 i/o 口（portta 口）相连，用户可以通过设置该 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 15 口控制小灯的亮和闪。本构件中的电阻在电路中起分流作用，减小流过小灯的电流， 以免烧坏小灯。 2.3.5 uart 构件的设计构件的设计 1uart构件功能概述 该构件用于实现芯片的异步串行数据收发。常用的串行通信只需要 3 根线：发送 线、接收线和地线。 2uart通信过程中的电平转换 mcu 引脚的输入输出数据信号一般使用 ttl 电平。 其 0 和 1 的特征电压分别为 0.4v 和 2.4v。如果电压大于 2.4v 就识别为 1，如果电压低于 0.4v 就识别为 0。而目 标板和外部设备进行串行通信的标准接口是 rs232c 接口，其标准定义-15v-3v 为 “1”，+3v+15v 为“0”。因此需要外接电路实现电平转换。本目标板使用 max232 芯片来实现电平的转换。 （1）硬件连接 mcf52223 的 uart 模块的外部引脚有发送数据引脚 utxd、接收数据引脚 urxd、请求发送引脚 urts 和允许发送引脚 ucts。本目标板在通信过程中用到 rs232 插头的 rxd（接受数据线） ，txd（发送数据线）和 gnd（地线） 。实际使用 中 mcf52223 的 utxd0 接 max232 的 t1in，将串口接收引脚 urxd0 接 max232 的 r1out。 （2）电平转换的工作过程 发送过程：mcf52223 的 utxd 把 ttl 电平从 t1in、t2in 送入到 rs-232 内 部，在其内部 ttl 电平被“提升”为 232 电平，再通过 t1out、t2out 把 232 电平发 送到电脑 dp9 插头； 接收过程： dp9插头的rs-232电平经过max232的r1in、 r2in进入到max232 的内部，在其内部 232 电平被“降低”为 ttl 电平，再通过 r1out、r2out 送到 mcf52223 的 rxd，进入 mcf52223 内部。 3uart构件的设计说明 本设计的 uart 构件使用 max232 芯片实现两路数据的收发。设计中电容的主 要作用是滤波，小灯的作用是指示是否正在进行串行数据通信，若数据正在通信，则 小灯会亮。uart 构件的原理图如图 2-7 所示。 第二章 硬件设计 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 16 图2-7 uart构件原理图 2.3.6 adc 构件的设计构件的设计 mcf52223 的 a/d 转换模块由 5 个主要的功能模块组成， 包括： 输入多路复用器、 采样和保持单元、转换器单元、结果寄存器和控制单元15。虽然 adc 是 mcf52223 上的一个独立模块，但它包含了 2 个独立的转换器 a 和 b，它们共享一个公共参考 电压和数字控制模块， 但各自有独立的输入多路复用器、 采样和保持单元以及转换器。 2 个独立的转换器可以实现同时采样 2 路模拟值。 adc 有 2 个基本扫描模式：顺序扫描和并行扫描。顺序扫描过程，以采样通道 0 7 的顺序进行采样。并行扫描又分为同步并行扫描和非同步并行扫描。每个通道都 可以被编程为对应 8 个模拟输入中的任意一路，也可以被禁止。adc 支持单端和差 分信号输入转换模式。在单端模式中需测量一个单端模拟输入，在差分模式中需测量 2 个模拟输入的差值，两种输入模式与提供的参考电压有关。 mcf52223 的 adc 主要特性总结如下： （1）12 位的转换精度； （2）a/d 转换的时钟频率最高为 5mhz； （3）采样速率高达每秒 1.66msps； （4）一次一路的 a/d 转换时间为 8.5 个 adc 时钟周期，后续每路为 6 个 adc 基于mcf52223的lcd触摸屏功能程序设计及应用 第二章 硬件设计 17 时钟周期； （5）有并行和顺序两