硕士论文-基于arm的汽车节能控制系统设计.pdf

分类号： U DC ： 工学硕士学位论文 Y9 3 8 3 0 0 密级： 编号： 基于A R 嗄的汽车节能 控制系统设计 硕士研究生： 指导教师： 学位级别： 学科、专业： 所在单位： 论文提交日期： 论文答辩日期： 学位授予单位： 韦龙新 张仁忠教授 工学硕士 控制理论与控制工程 自动化学院 2 0 0 6 年2 月 2 0 0 6 年2 月 哈尔滨工程大学 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 本文以节约能源为切入点，针对城市公交车频繁刹车的特点，设计了一 种节能控制装置，通过该装置把汽车刹车时由原来通过摩擦片产生阻力停车， 改为带动空气压缩机工作，把汽车行驶时的动能转化为高压气能，利用能量 的转换使汽车停下来。在汽车启动时，利用储存起来的高压气能带动汽车行 走，从而达到节约能源的目的。 本文主要实现节能装置中控制系统的设计与应用研究。该控制系统主要 分为两大部分，即硬件部分和软件部分。在硬件电路上，考虑到执行多任务 的需要，需要嵌入式操作系统的支持，因此选用了可以运行嵌入式操作系统 的A R M 微处理器S 3 C 4 4 8 0 x ，同时配置存储芯片构成最小系统，在此基础 上增加了数据采集、控制执行、数据显示、通信以及电源模块等单元电路， 组成一个完整的控制控制系统。 在软件上，针对节能装置的控制要求，重点分析了汽车的启动和刹车程 序的控制流程，对实现其相应的功能所应注意的问题作了进一步的研究，并 编写了主要的控制程序。同时还对各外围器件的驱动程序如数据显示、通信 等程序的编写进行了具体的介绍。 另外，为了运行嵌入操作系统，本文还根据各种操作系统的特点，选择 出合适嵌入式操作系统uc l i n u x 作为对本控制系统的支持，同时对其特点作 了具体的介绍，分析了移植到本系统上的需要注意问题和应修改的内容，并 介绍具体的编译和移植过程。 。 此外，为了使系统能顺利启动，本文还对系统的启动代码B o o tL o a d e r 的功能、结构、操作模式以及针对特定硬件系统的编写等作了具体的介绍。 关键词：汽车节能；嵌入式系统；A R M ；uc l i n u x 喻尔滨T g 人学硕士学位论文 A b s t r a c t T h i sp a p c rs t e m sf r o mm et o p i co fs a v i n ge n e r g y A c c o r d i n gt h e 虹撕to f 触q u e n t l yb f a k i n go f b u s ，也i sp a p e rd e s i g n e dac 蚰t m ld e V i c e 讲d c hc h a n g i n g t h eb r a k i n gm o d e 疔0 md e p e n d i n go nt h eb r a k e st om a k ear e s i s t a n c et of o r c eb u s s t o pt od r i V i n ga i rc o m p r e s s o f T h ea i rc o m p r e s s o r 撇s l a e dt h ee n e r g yo f b u st o h i 曲p r e s s u r cg a sa I l ds t o r e di ti nat a n k T l l r o u 曲n l i sm o d e ，t h en m n i n gb u sc a I l b es t o p p e d W h e nt h eb u sr a na g a i n ，u s i n gt h eg a se n e 唱ys t o r e di nt 8 n kt od r 主V e 协eb u s ，t h u sc a ns a v i n gt h ee n e r g yo f b u s T h em a i np u r p o s eo ft 量l i sp a p e ri st od e s i g nac o n t r o ls y s t e mf o rs a v i n g e n c 瑁yd e v i c e T h i sc o m r o ls y s t e mi sm a i n i yc o n s i s t so ft w op a n s ：h a r d w a r ep a r t a 1 1 ds o f t w a r cp a n I nh a r d w a r ep a n ，i no r d e rt oe x e c u t em u l t i p l et a s k s ，n e e dt h e 圭l e l po fE r 赫b e d d e dO p e r a t i n gS y s t e m S ow ec h o s ea nA R Mc h i pS 3 C 4 4 B O X ， w h i c hc a I lr u nE m b e d d e dO p e r a t eS y s t e m ，a 1 1 dc o n f i g u r e dm e m o r yc h i pf o ri ti n o 砖e rt om 啦r ca 獭i n i m H ms y s t e m A tt h es a m et i m e ，稚d e 硅s o m eu n i 括s u c h8 s d a t ac o l l e c t i n g ，d a t ad i s p l a y i n g ，c o m n m n i c a t i n g ，p e r f b n l l a n c ea l l dp o w e rc i r c u i t s ， t h u sc o n s i s t e dac o m p l e t es y s t e m I ns o R w a r ep a 兆a c c o r d i n gt h cc o n t r o l 如m a n dO fs “i n ge n e 曙yd e V i c e ， a n a l y z e dt h ec o n 打o lp m c e s sO fs t a r tp r o g f 锄sa n ds t o pp r o g r a m so ft 王l es a V i n g e n e 毽yo nb u sc a r e 最l l l y a n dm a d e 向r t h e rr e s e a r c ho nh o wt o 斑l 蠡l l r e l a t i v e 鼬c t i o na n dt h ep r o b I e m st h a ts h o l l l db ep a i da t t e m i o nt o A tt h es a m et i m e ， w f o 把m a 泌c o n 扛o lp r o g r 鼬sa n d 也e 由 V ep r o 秽a n 强o fp e r 主p h e 豫lc o 壬l 昀lc h 玲s s u c ha sd a t ad i s p l a y i n g ，c o m n l u 血c a t i n ge t c o t h e r w i s e ，i no 妇e rt om l lE m b e d d 醯O p e r a t i n gS y s t e m ，t 圭l i sp a p e ra l s oc h o s e 心l i n l l ) 【a p p r 0 砸a t c l y 矗o ma 1 1k i n d so fE m b e d d e dO p e r a t i n gs y s 钯mt oS u p p o r t t h sc o n t m ls y s t e ma c c o r d i n gi t st f a i t s ，i n t r o “c e dm et r a i t so fp C l i n l ，a n a l y z e d t h cp r o b l e m st l l a ts h o u l db ec o n c c m e da n dm ep a n s h a ts h o u l db er e 、v r o t ew h e n i tw a se x p l a n t c d T h i sp a p e ra l s os h o w e dt 1 1 ep r o c e s so f h o wt oc o m p i l et h ek e m e J 哈尔滨工程大学硕士学位论文 o fE m b e d d e d0 p e r a t i n gS y s t e ma n dh o wt oe x p l a n t “ F u r t h 肌n o r e ，mo r d e rt ob o o tm eE m b e d d e dO p e r a t i n gS y s t e ms u c c e s s 如1 1y m e 劬c t i o n ，l ec o n f i g u r a t i o n 肌d 1 eo p e r a t i n gm o d eo fB o o tL o a d e r 、v e r ea l s o i n t r o d u c e di nm i sp a p e LA tt h es 锄et i m e ，m i sp a p e ra l s os h o w e dh o wt ow r i t e B o o tL o a d e rc o d e sf o rt h es p e c 瑚b a r d w a r es y s t e mc o c t l y K e y w o r d s ：s a v i n ge n e r g yo nb u s ；e m b e d d e ds y s t e m ；A R M ；肛C l i l l u X 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的 引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明 引用的内容外，本论文不苞含任何其健个人或集体已公开发 表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者( 签字) ：垒兰叠 翻期：c 淞# 年泣胃丑 哈尔滨：程大学硕十学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 随着撼界经济的发展，全球经济体化进程的加速，地球资源自于遭到 过度的开采而日趋枯竭并受到严重破坏。然而在当今的2 1 世纪，石油对备国 来说不仅怒一种重要的战略储备物资，而且制约着各国网民经济的发展。我 国石油资源比较紧缺，只拥有全球石油储备的2 。蹁，天然气资源只占全球酶 1 ，然而国内的石油消费总爨却占全世界消费总额的6 以上。我国石油目前 探瞬产量2 l 亿吨，按现在的开采速魔足够开发1 3 年，全球已探明救石油储 量只能维持4 0 年，我国必将在3 0 年内出现能源紧缺的情况。为了有效利用 臻有地球资源，我簪各个行渡都采取了备秘各样豹节能措慈，以提离能源豹 利用率，降低能源的消耗。在交通方面，各汽车工业厂商大量使用轻型铝合 金树料，以减轻汽车的重量，降低行驶的阻力和燃油消耗。因此，从节约资 源、资源羁生、以及环境保护与改善出发，考虑能源的有效利用其有重要的 意义。 众所周知，我国是个人口大国，因此旅客驰运送在交通运输中占据重要 的位置。而在城乡的交通系统中，公交车仍承担着主要的运送旅客任务。然 悉现骞豹公交车技零相对葵窀汽车来说比较落看，面显能耗离，嗓音大，如 何在现有公交车系统上增加一些装置来提高能源的利用率，是备大汽车生产 厂家热衷研究的问题。本课题正是从节能的角发出发，通过绘公交车增加节 能控制装鬣，来提高汽车能源的利用率。 城市的公交车运输中，出于公交车经常停靠各个车站，在到站时，汽车 必须减速，通常汽率减速是通过刹车来实现的。当汽车进行紧急制动时，驾 驶员踩下制动踏板，此时汽车的动能主要是通过制动机构的摩擦，最终转换 为热能损耗掉。本课题正是纂予这年孛臻实问题提出豹，帮如何把逸部分麓曩 通过压缩的方式变为高压势能储存起来，在汽车启动时利用储存起来的能量 驱动汽车行走。这样可以使能源再生利弱，从嚣达到了节毙豹目的。 哈尔滨 ：稀入学硕+ 学位论文 1 。2 国内外相关磺究现状 由予本课题的立意新颖、方向明确、针对性强，因此目前尚未发现与本 课题专彝同的研究。在国外，与此相关的一些硪究压缩空气汽车已经研制 出来。它最初是由法国公司M D I ( M o t e u rD e v e l o p m e n tI n t e r n a t i o n a l ) 的工 程师G u yN e g r e 耗时6 年研制出的瓤式汽车。该车是通过压缩空气来推动汽 车的，它可以说是汽车代用燃料技术的一个重大突破。 它的工作原理很简单：压缩空气储存在个纤维容器内，利用其压力来 推动发动机的活塞。在整个过程中，不需要燃烧，所以不会给城市带来热岛 效应( 指城市中的气温明显高于外围郊区的现象) ；无有害气体排放，不会对 环境造成污染；不需要高震量燃、溶发动枫，艇以有较大韵降低成本的空潮； 并且粕I 称因为使用空气，润滑油每3 】o o O 英罩才霈要更换一次。压缩空气 动力汽车主要是靠电能把空气压缩成高压势能，空气可循环使用，需要的能 源( 电能) 不高，而且它安全、无污染、成本低，减轻城市热岛效应，越用 空气越清洁。 在国内，浙江大学流体传动及控制圈家重点实验室研究的气动汽车项目 日裁已取得重要进展，以愿缩空气为动力的发动丰几原理性试验已经完成，目 前距生产出首辆气动汽车尚有一定距离。 因此，从原理性来说，本课题的节能装置所使用的原理、方法已经褥到 了证明，是切实可行的，而盈谋题的研究对于我国的能源的节约利用其有深 远的意义。 1 3 课题的主要研究内容 城市公交车的特点是起动和停止比较频繁，制动方法一般是经摩擦片的 摩擦产生阻力使公交车减速或停车，这样不仅造成汽车能源( 动能) 的浪费， 而且摩擦件的消耗也很大。本项目加装一种装置，该装置主要由4 个高效空 压高压气动体极、电磁魍、电磁离台器以及控制电路等缨成的机电一体化 集成系统。 出于各神原因，公交车总是不断重复加速减速或停车再加速的 哈尔滨工程人学硕士学位论文 过程。通过加装本节能装置，当汽车需要制动时，在主控单元的按制下，可 将汽车行驶时具有的巨大动能通过空气压缩机转化成高压气体的辫能并储存 起来，从而实现汽车减速或停车。当汽车需要启动或加速时，用储存起来的 高压气体势能代替燃泊来驱动汽车，从而实现汽车能量的圈收荐利用，达到 节能的效果。 出予汽车在起动或女速对能耗最大，始果汽车是您燃漓驱动，则魏时漓 料燃烧不充分，燃烧效果最差，而且产生的噪音最大。加装了能爨回收再利 用装置后，当汽车在加速或重凝起动初期，是利用存储的精压气体驱动汽车， 不需要燃料，可以较少汽车尾气对环境的污染。因此，该装最不仪可以节约 能源，而且有刹于环保。 1 4 系统工作原理及工作过程简介 本系统主要由三部分组成，郎检测部分，控制部分和执行机构。检测部 分包括踏板位置传感器、曲轴位置传感器、压缩机活塞位置传感器、汽车运 行速度传感器、储气罐压力传感器等信号的检钡l 。执行橇构主要键括双蠢可 控电磁阀和电磁离合器。控制部分主要由A R M 微处理器组成的控制系统及一 些夕 围电路构成。本文将在以震豹章节墨对上述各部分遴嚣翼钵介绍。 该装置的作用就是将刹车时本应由摩擦来消耗掉的汽车动能，改为由气 体的势能柬消耗，在启动时，剥用刹车聪诒气镶内储存的高压气体势能来驱 动汽车行走，当车速到达一定值如2 0 k m h 时，蒋切换到由汽车发动机驱动的 模式。 在描述该装置的其体工作过程之前，先来简单介绍一下政装嚣的主要结 构。该装置的结构示意图如图1 _ 1 所示。其主要由电磁离合器、压缩机和储 气罐三部分缝成，其中D C 己一A 为电磁离合器，D e F A 为压缩极吸气阀，D e F B 为储气罐进气阀，D C F C 为储气罐出气阀，z Y F A 、z Y F B 及Z Y F C 为储气罐 内部的三个自由澜。粥F 表示可控的电磁阙，它在没有加电的情况下仍是自 由阀：z Y F 表示自由阀。该装臀的储气罐被分成4 个部分，目的是为了储气 和放气过程中罐内压力的变化梯度尽量小些，由z Y F A ，z Y F B 和z Y F c 控制， 只有在较小的压差下才能打开，这样就很好的解决了单罐储气和供气带来的 哈尔滨 ：程大学硕七学位论文 罐内压力变化过大的问题，从而使刹车及启动过程的动作尽量平缓，减少了 因加速和减速给乘客带来的不舒适感。 1 4 1 刹车过程简介 图1 1 节能装置结构示意图 当接收到刹车信号时，在正式进入到稍车状态蓊，首先应检测储气罐内 的压力情况，如果压力未超出所设定的压力的上限，则可以进行压缩制动， 进入压缩钢动控制程_ 孛；如果气罐内的压力已接近或超出设定豹上限德，则 不进入压缩制动，由常规摩擦片进行制动。禚进入压缩制动之后，首先应该 砖系统进行刹车初始化。实际上，刹车过程就捆当于一个普通压缩极的工作 过程，所以应该将D C F A ，D C F _ B 断电，使之工作在自幽阀状态，D c F C 在刹 车过程中始终应该通电吸合，以防止高压气体从输出端进入。待完成以上初 始化工作后，D c L A 电磁离合器刁4 通电吸合，进入到刹车状态。刹车过程中 控制系统将一直监视是否肖启动信号，并监视储气罐内压强值是否超过储气 罐的储气压强上限。如有稿动信号剿转入到雇动方式，如超过压强上戮则系 统报警，同时转入到常规的刹车方式。 工俸状态一切羹三常薅，当压缩桃中蛉活塞运动到上止点滩逐，D e F B 在 内外压差的作用下打开，储气罐被压进高压气体并储存起来。活塞运动到回 程阶段时，压差不足阻打开D c F B ，此时D c F B 闭合。活塞运动到一定位置 哈尔溟1 1 ：程人学预十学位论文 后腚内产生负压，D C F A 打开，气体重新充满腔内，压缩机继续重复压缩过 程。当系统通过速度传感器梭测到汽车的速度臻近为零时，D c L A 断电以释 放电磁离合器，而D C F A 此时要通电，其原因是：当活塞处于压缩阶段时， 可以通过控裁排气阀打开霞活塞尽量靠近上止点：当活塞处于嚣程输段时， 可以减少腔内负压以利于下次启动。 1 4 2 启动过程简介 在此过程中，主要是将储气罐内部豹高压气体势能重新转换为汽车的动 能。同刹车过程一样，启动时也要对系统进行初始化。此时压缩机的作用如 同发动机，艏动的过程比刹车的过程稍微复杂些。初始化时首先通过D c 卜c 开启段时间来给汽车一个扁动力矩。系统同时对各个控制执行单元进行初 始化。执行启动程序的过程时应先检测储气罐内压力值，如果检测到储气罐 晦的压力馕低于设定傻，剩汽车转入到普通的癌动方式，如栗压力在正常范 围则可以利用本装置进行启动。 给出启动力矩露，当活塞运动到下止点辩，控制执彳亍单元搜9 e F A 逶电， 使其进入到电磁阀工作状态。开启D c F A 的目的是使腔内压力同外界保持一 致，以减少运动到上止点的飘力，提高系统的运行效率。当活塞运动到上止 点时，D c 卜A 断电，处于自由阀状态，与此同时，D C F C 放出储气罐内的高压 气体并持续一段时间。当活塞再次运动到下止点时又重复上述过程。在加速 过程中，系统始终濂褫速度和压力信号。速度到达设定值时，转为普通的驱 动方式；当气罐内压力过小不足以用来驱动汽车启动时，则转入普通的的启 动方式，并给出报警信号。 1 5 课题的研究结果 控制系统的数据采集单元完成了聚集压力数据、速度数据和位置数掘的 全过程。以这些数据为参考，控刽电路执霉亍压缩机阀门的开癌与阈合、各个 传动机构的控制等，从而基本完成利用A R M 微处理器来设计和调试的工作 计划。另外完成了控制系统与上位机的通信，与汽车系统接口的通信，数据 显示，以及嵌入式操作的裁减，编译和移植的任务。 哈尔滨 犟火学硕十学位论文 第2 章基于A R M 的硬件系统设计 根据节能装嚣的控制要求，在进行系统设计时，酋先应对系统的总体做 一个整体规划，包括芯片的选择，功能模块的划分，以及为配合硬件所选用 的软件等。只有在系统的总体方案确定之后，彳能对具体的电路进行设计。 2 1 系统总体设计 由于该节能装置需检测的模拟量较多，如储气罐内的压力、制动踏板的 位置、车速、活塞运行位黄和油门踏板位簧等数据，而且有些是需实时监控 的，懿储气罐内的噩力等，蒿要使用多任务执行方可实现，而普通单片梳无 法满足这一要求。因此需根据实际情况，选用合适的处理器芯片，加上各融 数据和程序存储芯片构成最小系统。同时，增加数据采集、显示、通信接口、 控希l 虢行单元和电源管理模块等，来组成一个完蕤的控制系统。由于弱前汽 车应用c A N 现场总线艮较广泛，因此，为了与汽车翡控制系统连接淞方便， 还增加了c A N 总线接口，由此构成了整个硬件系统。系统的总体框图如图 2 ，l 所示； 图2 1 系统总体框图 在软件方面，由于普通的控制软件只能按步骤执行，无法实行多任务要 求，因此，根据本课题的要求，同时考虑成本因索，选用免费的嵌入式揉作 哈尔溟：L 程火苷：硕十学位论文 系绕。系统主要控制原理妇下：系统实辩监控气罐中气压的变恍，以及臻板 的位置转变，当需要停车时，根据踏板的位置、汽车的转速以及气压值控制 气阀开关的数量，使汽车剖动；启动时，需要检测气罐中的气压，并判峨能 否用气能启渤，同时还要检测压缩机活塞的位鼢，以免出现倒车运行。 2 2 硬俘电路设计 按照汽车节能装髓控制系统的要求，考虑到成本因紊，将系统分为以下 凡大模块，邸主控翩模块，数据采集单元，控制执行单元，通信接臼单元， 数据显示模块和电源管理模块等。下丽分别就各个模块进行介绍： 2 2 1 主控制模块 主控制模块主要由主处理器芯片和存储芯片_ 柬构成。主控模块设计主要 是根据系统的实际要求选择处理器芯片，以及根据数据量的大小、运行软件 的大小、数据的存继方式来确定存德器芯片，出这些芯片构建最小系统。在 主控制模块中，主要的器件就是微处理器，因此，在选择之前应该对目前常 用的嵌入式微处理器肖所了解。 2 2 1 1 微处理芯片的选择 嵌入式微处理器在目前的嵌入式系统硬件设计中处于核心地位。从嵌入 式微处理器的市场占有率来看，8 位产品占了一半左右的市场，其次是1 6 位 及3 2 位的产糕，丽4 位和6 4 位的产品市场占有率最低。晷前，据不完全统 计，全世界嵌入式处理器的品种总量已- 超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，其中8 0 5 l 体系的鑫有趣过半的份额。嵌入式处理器 孽寻址空闯 一般从6 4 K B 到6 4 M B ，处理速度从0 1 M I P S 到2 0 0 M I P S 。根据目前现状，嵌入 式处理器可以分成下逝几类： ( 1 ) 嵌入式微处理器( M P U ) ，嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的 C ) U 。在应用中，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 用有关的模块，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，M P u 虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但在工作温 哈尔滨工程人学硕士学位论文 度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。M P u 目前主要有x 8 6 、 P o w e r P C 、6 8 K 、M I P S 、A R M 系歹0 等； ( 2 ) 嵌入式微控制器( M c u ) ，嵌入式微控制器又称单片机，它将整个计 算机系统集成到一块芯片中。M C U 一般以某种微处理器内核为核心，j 枣片内 部集成R o M E P R o M 、E E P R O M 、F L A s H 、R A M 、总线、总线逻辑、定时计数器、 w a t c h D o g 、I O 、S P I 、P w M 、A D C 等各种必要功能和外设。目前M C U 占嵌入式 系统约7 0 的市场份额； ( 3 ) 嵌入式D s P 处理器( D s P ) ，D S P 处理器对系统结构和指令进行了特 殊设计，使其适合于执行D S P 算法，编译效率较高，指令执行速度也较快， 在数字滤波、F F T 、谱分析等方面具有明显的优势。D s P 的应用F 从通用单片 机中以普通指令实现D S P 功能，过渡到采用嵌入式D s P 处理器。嵌入式D s P 处理器比较有代表性的产品是T I 的T M s 3 2 0 系列和M o t o r o l a 的D s P 5 6 0 0 0 系 列。T M S 3 2 0 系列处理器包括用于控制的c 2 0 0 0 系列，移动通信的C 5 0 0 0 系列， 以及性能更高的C 6 0 0 0 和C 8 0 0 0 系列。D S P 5 6 0 0 0 目前己经发展成为D s P 5 6 0 0 0 、 D s P 5 6 1 0 0 、D S P 5 6 2 0 0 和D S P 5 6 3 0 0 等几个不同系列的处理器。 ( 4 ) 嵌入式片上系统( S O C ) ，随着E D A ( E e c t r o n i cD e s i g nA u t o m a t i o n ) 技术的推广和V L s I ( V e r yL a r g es c a l eI n t e g r a t i o n ) 设计的普及化，以及 半导体工艺的迅速发展，已经可以在一个硅片上实现一个复杂的系统，即 S O C 。用户只需定义出其整个应用系统，仿真通过后就可以将设计图交给半导 体工厂制作样品。这样除个别无法集成的器件以外，整个嵌入式系统大部分 均可集成到一块或几块芯片中去，应用系统电路板将变得很简洁，对于减小 体积和功耗、提高可靠性非常有利。 因为本课题所涉及的数据处理量不是很大，因此，不适合于采用D s P 处 理芯片，而8 位的M c u 单片机很难运行一个嵌入式的操作系统，采用s O c ：芭= 片无论是在成本上还是在开发周期来说都不适合。综合考虑之后，唯有嵌入 式微处理器才是理想的选择。然而，在众多的嵌入式为处理器中，又如何选 择出合适架构的芯片呢? 这不但需要对芯片的架构、种类、性能有所了解， 同时应考虑其所支持的嵌入式操作系统是否与实际需要相符合，还有其实际 使用情况和成本等因素。综合考虑，最终确定了目前流行的A R M 架构的处理 哈尔滨：r 程大学硕士学位论文 器。 2 2 1 2A 洲处理器介绍 A R M 公司自1 9 9 0 年成立以来，一直以I P ( I n t e l l e c t u a lP r o p e r t y ) 提 供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介入芯片的生产 销售，加上其设计的芯核具有功耗小，成本低等显著优点，困此获得众多的 半导体厂家和整机厂商的大力支持，在3 2 位嵌入式应用领域获得了巨大的成 功，鞫前已经占据3 2 位嵌入式产晶市场的7 5 黻上，在低功耗， 氛成本的嵌 入式应用领域确立了市场领导地位。A R M 公司通过转让高性能、低成本、低 功耗的R I s c ( R e d u c e dI n s t r u e t i o ns e tc o m p u t i 嘴) 微处理器、外围和系 统芯片设计技术给合作伙伴，使他们能用这些技术来生产各具特色的芯片。 A 蹦已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费嵌入式解决方案豹R I S C 标 准。A R M 处理器具有三大特点：小体积、低功耗、低成本而高性能；1 6 3 2 位双指令集；全球众多的合作伙伴。 A 勰公司自正式成立以来，在3 2 位的R I S cC P u 开发领域不断敬得突破， 其结构已经从V 3 发展到V 6 。A 脯处理器目前有五个系列产品：A R M 7 、A R M 9 、 A R M 9 E 、A 翮l O 和S e c u r e o r e 。垂V 5 激爱，A 勰公司提供P e c 0 L O 粥P 的芯拔 给芯片设计者，用于设计A R M + D S P 的S o C 结构的芯片，同时也提供支持J a v a 的A 渊7 叮等。目前设计、生产A 羟鹾芯片的国际大公司己越过5 0 多家。 在选择具体微处理器时，主要考虑芯片的技术性能、售后服务、技术支 撑等，在本文论述的项目中，采用了A 蹦7 T D M I 微处理器核，是因为它具有如 下优点：处理速度快，A 雕7 了黼I 是R I S e 结构的处理器，而盈内都集成了3 级流水线，大大提高了处理速度。超低功耗，A 肼7 T D M I 的功耗在同档次的 其它嵌入处理器中是较低的，且处理器的散热闻题不用考虑，并使舔低电压 供电，这些都无疑是车载设备的理想选择。应用前景广泛，因为A R M 公司 不是生产处理器的，糍是为I C 厂商提供各转处理器的鼹决方案。掰以，在上 述的微处理器中，A R M 的使用最广，同时应用前景广阔，开发资源丰富，有 利于缝短产品豹研发周期。成本优势，在各穆嵌入式处理器中，A R M 产量 最大，价格适中，容易购买。 9 啥尔滨工程大学硕士学位论文 由于设计要求系统能随车采集信号，并进行实时监控，对主控模块的要 求较高，剿此主控制模块应当是以高性能的微处理器为核心丽组成的一个最 小系统。根据具体应用的要求，实际应用的反映情况，选用了S a m s u n g 公司 的A R M 芯片S 3 C 4 4 B O X ，其主要性能如下： S 鲫s u n g 公司推出豹1 6 3 2 位R I S C 处理器s 3 C 4 4 8 0 X 为一般类型的应用 提供了高性价比和商性能的微控制器解决方案。为了降低成本，S 3 c 4 4 8 0 x 提 供了丰富的窿置部传，包捂：8 玛的C a c h ，内部S R 勰，l 。c D 擦制器，沓自 动握手的2 通道u A R T ，4 通道D M A ，系统管理器( 片选逻辑，F P E D O S D R A M 控制器) ，带有P w M 功能的5 通遥定时器，I O 端口，R T e ，8 通遴l O 位A D C ， I I C B U S 接口，I I S B U S 接口，同步S I O 接口和P L L 倍频器。 S 3 c 4 4 B O X 的突出特性是它的c P U 核，是出A R M 公司设计的1 6 3 2 位 A 麟7 T D M IR j S c 处理器( 6 6 M z ) 。A R M 7 T D M I 体系结构的特点是它集成了孙u 玎1 b 代码压缩器，I C E ( I nC i r c u i tE m u l a t o r ) 断点调试支持，和一个3 2 位的硬 孛乘法器。 s 3 c 4 4 B O x 通过提供较全丽的、通用的片上外设，大大减少了系统电路中 除处理器以岁 的元器件配置，以降低系统豹成本。其配罱如下： 2 5 V 的A R M 7 丁D M I 内核，带有8 K 高速缓存器( s A M B AI I 总线体系结 构，主频离至6 6 M l z ) ； L e D 控制器( 最大支持2 5 6 色S T N ，L C D 具有专用D M A ) 2 通道通用D M A 、2 通道外设D M A 并具有外部请求引脚； 2 通道U A R T 带有箍手协议( 支持I r D A l O ，其有1 6 岫y t eF I F O ) l 通 道S I O ； l 逶遂多主I l C B U S 控制嚣： 1 通道I I S B U S 控制器； 5 个P w M 定时器和l 通道内部定露器；覆门狗定时器 7 1 个通用I O 口8 通道外部中断源； 功耗控制：具有普通，慢速，空闲和停止模式； 8 通道l O 使A D C ； 具有日历功能的R T c ； 哈尔滨。L 稗大学硕十学位论文 i i i i i i i i i i i ；i i i ；i i i i i ；i i ； ； 具有P L L 的片上时钟发生器。 由此可见，S 3 C 4 4 8 0 X 的功能非常强大，性价比较高，可以满足本设计的 需求。 2 2 1 3 存储芯片的选择与最小系统构建 在确定处理芯片之后，应该为其配置存储器，以便组成最小系统。在众 多的存贮芯片中，选择时应考虑操作系统和应用程序的大小，以及处理器芯 片的支持程度。 一般说来，应用程序和操作系统应存放在f l a s h 中，以利于丌发时的下 载和调试。在系统启动时，操作系统及应用程序才4 由f l a s h 加载到R A M 芯片 上运行。 1 F 1 a s h 类型与技术特点 F l a s h 存储器是一种可在系统( I n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不 丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系 统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作， 因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器， F l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要 保存的用户数据等。常用的F l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为 3 3 V 。 F l a s h 主要分为N O R 和N A N D 两类。F l a s h 闪存是非易失存储器，可以对 存储器单元块进行擦写和再编程。任何F 1 a s h 器件进行写入操作前必须先执 行擦除。N A N D 类型的F l a s h 执行擦除操作十分简单：而N O R 类型的F 1 a s h 则 要求在进行擦除前，先要将目标块内所有的位都写为0 。擦除N O R 器件时是 以6 4 1 2 8 K B 的块进行的，执行一个写入擦除操作的时间为l 5 s ；擦除N A N D 器件是以8 3 2 K B 的块进行的，执行相同的操作最多只需要4 m s ，N A N D 器件 擦除速度远比N O R 器件快，写入速度也比N O R 器件快很多，但其读取速度比 N O R 器件要慢。 两者接口也有差别，N O R 器件带有S R A M 接口，有足够的地址引脚来寻址， 可以很容易地存取其内容的每一字节。N A N D 器件使用复杂的I 0 口来串行地 哈尔滨工程大学硕士学位论文 存敬数据，各个产品绒厂商的方法可能各不耜阉。8 个引麓嗣来传送控制、 地址和数据信息。N A N D 器件的读和写操作采用5 1 2 字节的块，这一点有点像 硬纛管理此类操作。 综合考虑，芯片的读取速度要快，而擦除的速度可以慢些，并且接口要 求简单，因箍选用N O R 类型的f l a s h 较为合适。根据系统的要求以及应用程 序的大小，域后选定了H Y 2 9 L V l 6 0 。它单片存储容量为1 6 M 位( 2 M 字节) ，工 作电压为2 7 V 3 6 V ，1 6 位数据宽度，可以使用8 位( 字节模式) 或1 6 位 ( 半字模式) 数据宽度的方式工作。 H Y 2 9 L V l 6 0 仅需3 V 左右的单电源供电即可完成在系统的编程与擦除操 捧，逶过对其内部的命令寄存器写入栎准的会令序列，露霹对F l a s h 进行编 程( 烧写) 、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。H Y 2 9 L V l 6 0 信号描述见表 2 1 所示： 表2 1H Y 2 9 L V l 6 0 信号描述 g l 脚 类銎功能接述 A 1 9 ：0 I 地址总线。在字节模式下，D Q 1 5 A 一1 用作2 1 位 字节地址的最低位。 D 奄 1 5 A I O数据总线。在读写操作时提供8 位或1 6 位豹数据宽 一1 三态 度。在字节模式下，D Q 1 5 A 一1 用作2 l 位字节地 D Q 1 4 ：O 址的最低位，丽D Q 1 4 ：8 处于高照状态。 B 1 盱E 莓王 模式选择。低电平选择字节模式，嵩电平选择字模式 C E #I 片选信号，低电平有效。在对H Y 2 9 L V l 6 0 进行读写操 作时，该引脚必须为低电平，当为高电平时，芯片处 于高阻旁路状态。 O E #I 输出使能，低电平有效。在读操作时有效，写操作时 无效。 W E #I 写使能，低电平有效。在对H Y 2 9 L V l 6 0 进行编程和擦 除操作时，控制相应的写命令。 R E S E T #I 硬 牛复位，低电乎有效。对H Y 2 9 L v l 6 0 进行硬件复位。 当复能时， Y 2 9 L V l 6 0 立即终止正在进行的操作。 R Y B Y #0 就绪忙状态指示。用于指示写或擦除操作是否完成。 当H ￥2 9 L v l 6 0 露在进行编程或擦涂操4 乍时，该弓l 脚位 低电平，操作宪成时为高电平，此时可读取内部的数 据。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 F l a s h 移储嚣在系统中逶常闫予存放程序代码，系缓上电或复位露从此 获取指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的F l a s h 存储器配置到 R O M s R A M F L A S l 的第一区( B a n k O ) ，即将S 3 C 4 4 B O X 的n G c s 0 接至H Y 2 9 l 。v 1 6 0 的e E # 端。 Y 2 9 H 1 6 0 的R E S 酣# 端接系统复位信号；# 端接S 3 e 4 4 8 0 x 酌 n o E ；峨# 端接s 3 C 4 4 B O X B 的n w E ；B Y T E # 上拉，馒H Y 2 9 L v l 6 0 工l 乍在半字模 式( 1 6 位数据宽度) ；R Y B Y 埘旨示H Y 2 9 L V l 6 0 编程或擦除操作的_ I 作状态， 但其工作状态也可通过查询片内的相关寄存器来判断，因此可将该引脚悬空； 遗址总线 A 1 9 A O 】与s 3 c 4 4 B O x 的地簸总线 A D 豫1 9 一A D D 鹳】相连；1 6 伎数据 总线 D Q l 5 D 与s 3 c 4 4 B O x 的低1 6 位数据总线 D A T A l 5 一D A T A O 相连。 2 R A M 类型与技术特点 R 埘有两大类，一种称为静态R A M ( s t a t i cR A M ) ，简称S R 捌。S R 圳速度 非掌抉，是器蘸读霉速度最挟的存储设备，但是它也非零昂贵。另一种称为 动态R A M ( D y n a l I l i cR A M ) ，简称D R A M ，动态R A M 的速度比s R A 】l l 慢，不过比任 何R O M 都要快。D R A M 也有很多类穗，限于篇幅这里不作一一介绍。最常用的 有E D O R A M 、S D R 脯和D 持R A M 。 ( 1 ) E D O R 删( E x t e n d e dB a t ao u t p u tR A M ) ，扩展数据输出动态内存， 这是一种很快的读取方式，但内存的时钟和C P U 外部时钟不是同步的，这就 会导致在每次读写数据的对候有个协同时间，效率不离，最侠存取速度只有 1 5 n s 。 ( 2 ) S D l A M ( S y c h r o n o u sD R 脒) ，同步动态F q 存，可以和C p U 的外部时 钟同步运行的，因此读写效率很高，存取速度高达7 5 n s 。 ( 3 ) D D R R 醐( D o u b l eD a t e R 8 t eR 觚) ，双数据率动态内存，这种改进 型的鼗勰和S D R 碰是慕本一样的，不固之处在于它可以在一个时钟读霹嚣次 数据，这样就使得数据传输速度加倍了，但价格也比s D R A M 贵。 S D R A M 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，己广泛应用在各种 嵌入式系统中。由于S D R 础可以与e 跚同步工 乍，无等待屑期，减少数据传 蟪延巡，两且徐格低廉，医此选雕了该类型的R 删。S D R A M 的存储单元可以理 解为一个电容，总是倾向于放电，为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 。 哈尔滨工稷大学硕士学位论文 因此，要在系统中使用s D R A M ，就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在 系统中另外加入刷新控制逻辑电路。s 3 C 4 4 B O x 及其他一些删芯片在片 内其有独立的s D R A M 刷新控制逻辑，可方便的与s D R A M 连接，假有些 A R _ M 芯片则没有s D R A M 刷新控制逻辑，麟不能直接与S D R A M 连接，在 进行系统设计时应注意这一点。 根据运算的数据量和程序的大小，最后确定采用H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 。 Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 存铸容量为4 缎1 6 赫位( 8 M 字节) ，工作电压为3 3 V ，鬻见封 装为5 4 脚T S O P ，兼容L v T 盹接口，支持自动届I 新( A u t o R e f r e s h ) 和自刷 新( s e l f R e f r e s h ) ，1 6 位数据宽度。 H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 信号描述如表2 2 所示： 表2 2H Y 5 7 V 6 4 1 6 2 0 信号描述 引脚名称功能描述 e L K 时钟芯片时钟输入 C K E 时钟使能 片内时钟信号控制 C S 片选禁止或使能除c L K 、c K E 和D Q M 外的所有输 入信号 强O ，B A l 缀建蛙选择用于片内4 个组的选择 A 1 l A O 地址总线行地址：A 1 l A O ，列地址：A 7 A 0 ，自动 预充电标志：A 1 R A S ，行地址锁存参照功能真值表，R