（电路与系统专业论文）嵌入式系统在非球面加工中的研究与应用[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 非球面光学零件加工是当今国内外公认的难题。从发展历史看，大体上是从 手工加工方法，发展到轨迹成形的机械加工方法，再发展到当前的数控加工方法。 嵌入式的飞速发展给工业控制领域带来了深刻的影响。本文主要研究能够应 用在非球面加工中的嵌入式系统w i n d o w sc e n e t 。论文阐明了w i n d o w sc e n e t 的发展史，接着详细分析其系统结构、注册表、进程、线程和内存管理，因为这 些是深入研究基于w i n d o w sc e n e t 控制系统的基础，并介绍w i n d o w sc e n e t 的 开发工具和应用系统的开发过程。介绍了w i n d o w sc e n e t 的实时性、中断原理 和设备驱动程序的概念，分析了设备驱动程序的特点。 论文提出了基于w i n d o w sc e n e t 的数控系统的软件体系结构，并对非球面加 工软件进行初步研究。 关键词：非球面w i n d o w sc e n e t 驱动程序中断机制实时控制 a b s t r a c t t h ep a r to fp r o c e s s i n ga s p h e r i co p t i c a li sd i f f i c u l tp r o b l e ma sw ea l lk n o w a s p h e r i co p t i c a lp a n sp r o c e s s i n gm e t h o d sa r ed e v e l o p i n gh i s t o r i c a l l yf r o mt r a d i t i o n a l m a n u a lg r i n d i n ga n dp o l i s h i n gt e c h n o l o g yt om e c h a n i c a lp r o c e s s i n gw i t hl o c u s s h a p i n gm e t h o d sa n dm o d e mn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gp r o c e s sm e t h o d so nt h e w h o l e t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dh a sb r o u g h td e e pi n f l u e n c et oi n d u s t r yc o n t r o l l e d f i e l d t h ep a p e ri ss t u d i e dt h es y s t e m so fw i n d o w sc e n e tt h a ti sa p p l i e df o rt h e p r o c e s s i n go fa s p h e r i c a l t h ep a p e ri si l l u s t r a t e dt h ep h y l o g e n yo fw i n d o w sc e n e t a n dt h eo p e r a t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r e ，t h e r e g i s t r y , t h ep r o c e s s ，t h e t h r e a da n d m e m o r ym a n a g e m e n to fw i n d o w sc e n e ti se l a b o r a t e di nt h ep a p e rf o rt h er e a s o n u n d e rs t u d yo fc o n t r o ls y s t e mi nt h eb a s e do nt h es u c ho ft h e o r i e sa n di n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n tt o o l so fw i n d o w sc e n e ta n dt h ep r o c e s so fa p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t s y s t e m i n t r o d u c et h ec o n c e p to f t h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c e ，i n t e r r u p tp r i n c i p l ea n dt h e c o n c e p to fd e v i c ed r i v e ro fw i n d o w sc e n e ta n da n a l y s i so ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e d e v i c ed r i v e r t h i sp a p e rd e s c r i b e st h es o f t w a r es t r u c t u r eo fd i g i t a lc o n t r o l l i n gs y s t e r mb a s i n g o nw i n d o w sc e n e ta n ds h o w sap r e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o no nt h en o n - s p h e r i c a l m a c h i n i n gs o f t w a r e k e yw o r d s ：a s p h e r i cs u r f a c ew i n d o w sc e n e td e v i c ed r i v e r i n t e r r u p tm e c h a n i s m r e a l t i m ec o n t r o l i i 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，嵌入式系统在非球面加工中的研 究与应用是本人在指导教师的指导下，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，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 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。 作者签名：j 月上白 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 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，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：查盈蛰趔年立月世同 指导导师签- 月上炯 1 1 引言 第一章绪论弟一早珀 t 匕 自从1 6 3 8 年法国学者笛卡尔( r d e s c a r t e s ) 第一次提出，由一个凸椭球面和 凹球面构成的无球差非球面光学透镜理论以来【l 】，人们认识到在光学系统中采用非球面 光学零件，具有使光学系统的成像质量大大提高、光学系统的性能扩大，光学仪器的 体积和重量大大减少等球面零件无法比拟的优点。 所谓球面和非球面，主要是针对各种光学仪器的镜头或者眼镜的镜片几何形状而 占，即球面镜片与非球面镜片，图1 1 是球面与非球面的区别。球面是一种旋转曲面， 球面上每一点的曲率半径是相同的，球面镜片，其镜片呈球面的弧度，其横切面亦呈 弧状。当不同波长的光线，以平行于光轴的方向入射到镜片上不同的位置时，通过球 面镜片的折射作用，在菲林平面( 与镜片中心和镜片焦点联机相垂直的、通过焦点的平 面) 上不能聚焦成一点，而形成像差的问题，影响影像的质素，例如出现清晰度下降和 变形等现象。而非球面可以说就是没有一定曲率半径的曲面，非球面镜片，其镜片并 非呈球面的弧度，而是镜片边缘部份被“削去”少许，其横切面呈平面状。当光线入 射到非球面镜面时，光线能够聚焦于一点，亦即菲林平面上，以消除各种像差。例如 耀光现象，在球面镜作用下，使用大光圈会比细光圈下拍摄来得严重，但若然加入非 球面镜便可将耀光情况大大降低；又例如影像呈现变形( 枕状或桶状) ，是因为镜头内的 光线没有适当折射而产生，以变焦镜为例，短焦距时通常是桶状变形，而变焦至长焦 距时则为枕状变形，若采用非球面镜，则可以改善这方面的像差。 ( 8 ) 球暇透镜 ( b ) 非球面透镜 图1 1 球面与非球面的区别 随着天文、航天、航空、兵器、电子、激光、光通讯以及核聚变等技术的发展，在 许多高科技、国防和民用产品中的光学系统中都迫切需要大量采用非球面光学零件。 在民用产品的c d 、v c d 、d v d 、手机、光通讯、数码相机、可视电话、摄像机、变 焦镜头、激光打印机、条形码读头、照相机镜头、取景器、放映机镜头和各种检测仪 器，以及用于医疗上的激光手术刀、内窥镜等各种诊断和治疗仪器的光学系统也采用 了非球面光学零件。 由于非球面的加工比球面零件困难的多，因而要想广泛地将非球面应用于光学系统 中，首先必须解决的就是加工中的诸多问题。现在，我国对大型非球面光学零件超精 密加工技术的研究还处于起步阶段。另一方面，由于传统的加工方法效率低、精度难 以保证，因而一种既适合于单件小批量，又适合于大批量生产的灵活的非球面加工技 术成为一项紧迫的研究课题。 1 2 微处理器在数控系统中的作用 微处理器取代模拟电路作为电动机的控制器有如下作用： ( 1 ) 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂而采用微处理器后，绝 大多数控制逻辑可通过软件实现。 ( 2 ) 可以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有 能力实现复杂的控制，如优化控制等。 ( 3 ) 灵活性和适应性 微处理器的控制方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律，一般不必改变系统 的硬件电路，只须修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数， 非常方便。 ( 4 ) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量多大，都可以 保证足够的控制精度。 ( 5 ) 可提供人机界面，多机联网工作 现在可作为电动机控制器的元件有多种，例如工业控制计算机、可编程控制器、微 处理器等。 工业控制计算机可谓功能最强大，它有极高的速度、强大的运算能力和接口功能、 方便的软件环境，但由于成本高、体积大，所以只用于大型控制系统。 可编程控制器则正好相反，它只能完成逻辑判断、定时、计数和简单的运算。由于 功能太弱，所以它只能用于简单的电动机控制。 微处理器介于工业控制计算机和可编程控制器之间，它有较强的控制功能和低廉的 成本。人们在选择电动机的控制器时，常常是在先满足功能的需要的同时，优先选择 成本低的控制器。因此，微处理器往往成为优先选择的目标。 2 1 3 嵌入式实时操作系统及其应用 1 3 1 嵌入式系统 嵌入式系统一般指非p c 系统，既有计算机功能但又不属于通用计算机的设备或器 材，主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。 它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、 功耗等综合性严格要求的专用计算机系统【7 1 。简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件 与硬件于一体，类似于p c 中b i o s 的工作方式。与通用计算机系统相比，嵌入式系统 功耗低、可靠性高；功能强大，性能价格比高；实时性强，支持多任务；占用空间小， 效率高；面向特定应用，可根据需要定制。 嵌入式系统的硬件部分，包括处理器微处理器、存储器及外设器件和i o 端口、图 形控制器等。嵌入式系统有别于一般的计算机处理系统，它不具备像硬盘那样大容量 的存储介质，而大多使用e p r o m ，e e p r o m 或闪存( f l a s h m e m o r y ) 作为存储介质。软 件部分包括操作系统( 要求实时和多任务操作) 和特定应用程序软件。应用程序控制着系 统的运作和行为，而操作系统控制着应用程序之i 、日j 以及应用程序与硬件的交互作用。 1 3 2 嵌入式操作系统的发展及其现状 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包 括硬、软件系统) 极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱动程序、系统内 核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器b r o w s e r 等。嵌入式操作系 统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把硬 件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、 标准设备驱动程序、以及工具集等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统 实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出 的特点【引。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了4 个比较明显的阶段： 第一阶段是无操作系统的嵌入算法阶段，是以单芯片为核心的可编程控制器形式的 系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这种系统大部分应用于一些 专业性极强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇编语言编程对系统 进行直接控制，运行结束后清除内存。 第二阶段是以嵌入式c p u ( p i 】各种类型单片机) 为基础、以简单操作系统( 实际上是 监控程序) 为核心的嵌入式系统。单片机将整个计算机系统集成到一块芯片中，它一般 以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应用，在芯片内部集成了r o m e p r o m 、 r a m 、总线、总线逻辑、定时计数器、看门狗、i o 、串行口、脉宽调制输出、a d 、 d a 、f l a s hr a m 、e e p r o m 等各种必要功能部件和外设。 第三阶段是通用的嵌入式实时操作系统阶段，是以嵌入式操作系统为核心的嵌入式 系统。这一阶段系统的主要特点是：嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理 器上，兼容性好；操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性，i 具 备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能； 具有大量的应用程序接i h ( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段足以基于i n t e m e t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e m e t 之外，但随着i n t e m e t 的发展以及i n t e m e t 技 术与信息家电、工业控制技术等结合同益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着 嵌入式技术的真正未来。 1 3 3 嵌入式实时操作系统的应用 嵌入式实时操作系统在目f j 的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂的应 用中显得愈来愈重要【3 】。 首先，嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的 考虑，要求系统起码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高 系统的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的稳定性和健壮性，尽 可能地减少安全漏洞和不可靠的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰 时，使得运行的程序产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。而实 时操作系统管理的系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个局部破坏，可以通 过运行的系统监控进程对其进行修复。通常情况下，这个系统监视进程用来监视各进 程运行状况，遇到异常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施，如把有问题的任务 清除掉。 其次，提高了开发效率，缩短了开发周期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一 个复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解祸原则将整个程序分解为多个任务 模块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了良好 的多任务调试环境。 再次，嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。3 2 位c p u 比8 、 1 6 位c p u 快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统而设计的，特别适于运行 多任务实时系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做 到不崩溃。例如，c p u 运行状态分为系统态和用户念。将系统堆栈和用户堆栈分开， 以及实时地给出c p u 的运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实 时内核的运行实施保护。如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥3 2 位c p u 的 优势。 4 从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的。在嵌入式应用中，只 有把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。 1 3 4 嵌入式实时操作系统在数控系统中的应用 数控系统的发展趋势，是为机床生产商和机床用户提供一个与硬件无关的系统平 台。用户可以根据自己的需要自由的选择硬件配置和系统功能，可以把计算机技术发 展的最新成果应用到数控系统中。开发适合于数控系统要求的实时多任务操作系统， 一直是数控系统研究的一个热点。在这一方面，有的白行开发实时操作系统内核，有 的对通用操作系统进行实时性改造，有的是应用市场上现有的商品化实时操作系统一j 。 嵌入式l i n u x 是一个强实时系统，系统响应时间( 中断响应时l 日j ) 在p 1 6 6 上小于1 0 u s ( 1 0 曲秒) ，任务切换时间小于3 0u s 。p i i l 6 5 0 上系统响应时间( 中断响应时间) 小于7u s ， 任务切换时间小于2 0u s 。这套系统可以驱动5 1 6 轴机床，使得进给速度提高到2 4 0 m 分，精度达到0 0 0 1 m i n p t 6 。 但由于l i n u x 不能兼容市场上各类w i n 3 2 软件，详细的技术及丌发文档也很难得到， 对很多硬件都不支持，因而开发基于l i n u x 的数控系统难度大，进入市场慢。虽然l i n u x 是开放源代码的操作系统，但正因为此造成了技术支持力度较弱。从以上几点分析得 知：l i n u x 也不适合作为快速开发数控系统的软件平台。故本论文并未选用l i n u x 作为 研究对象。而是选择了w i n d o w sc e n e t 操作系统。 1 4 课题来源及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题来源就是结合导师参与的科研课题“高次光学非球面零件加工技术”中的关 于非球面光学零件加工问题中嵌入式运动控制器的设计，解决嵌入式运动控制器的设 计问题就能解决非球面光学零件加工中的关键性问题。 1 4 2 本论文的工作主要包括如下几部分： 本论文主要研究嵌入式操作系统系统w i n d o w sc e n e t 的定制与移植，并对非球面 加工软件进行初步研究。具体内容如下： 第一章，绪论介绍了嵌入式系统的概念和研究意义，及嵌入式系统的发展方向。 第二章，对本论文的设计系统进行进行总体分析，主要是对微处理器和实时操作系 统的选择。 第三章，介绍了w i n d o w sc e n e t 操作系统的体系结构，并对进程和线程进行了详 5 细的叙述。 第四章，介绍了w i n d o w sc e n e t 操作系统的移植过程，主要是对各个文件的配置 进行了介绍。 第五章，介绍了非球面加工的数学模型。 第六章，对基于w i n d o w sc e n e t 操作系统的非球面加工软件进行了初步研究，主 要是对系统的结构模式和软件的调度机制及算法进行了叙述。 6 2 1 系统设计目标 第二章系统分析 系统设计目标为： 设计一台功能全面系能稳定的嵌入式系统，外围设备包括两个串口、一 个u s b 设备接口、一个u s b 主机接口、一个网卡接口、一个j t a g 调 试接口，一个l c d 接口及一系列调试按键。 把嵌入式w i n d o w sc e n e t 操作系统移植到硬件系统上。 根据需要，开发一系列驱动程序及应用程序。 要实现的任务： 实现o a l 层中断与调试代码。 实现串口驱动。 实现g p l 0 控制程序。 2 2 系统硬件设计 2 2 1m o t j 的选择 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 微处理器，由1 9 9 1 年成立于英国剑桥的 a r m 公司设计。世界各大半导体生产商购买a r m 微处理器核，根据各自不同 的应用需求，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片。a r m 处理器已经遍布工业控制，消费类电子产品、通信系统，网络系统等各类产品市 场，约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r m 技术正在渗入我 们生活的各个方面。采用r i s c 架构的a r m 微处理器一般具有如下特点： 体积小、低功耗、低成本、高性能； 支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 1 6 位器件； 大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成； 寻址方式灵活简单，执行效率高； 指令长度固定： a r m 微处理器目前包括几个系列，除了具有a r m 体系结构的共同特点以 外，每一个系列的a r m 微处理器都有各自的特点和应用领域。其中a r m 9 系列 7 微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能，具有以下特点： 5 级整数流水线，指令执行效率更高； 提供1 1m i p s m h z 的哈佛结构； 支持3 2 位的高速a m b a 总线接口； 全性能的m m u ，支持w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s 等多种主流嵌入 式操作系统； m p u 支持实时操作系统； 支持数据c a c h e 和指令c a c h e ，具有更高的指令和数据处理能力； 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 a 微控制器，采用a r m 9 2 0 t 内核，实现了存储器管理 单元m m u 以支持w i n d o w sc e 和l i n u x ，支持n a n d f l a s h 4 k 启动，提供了 一套完整的通用外围设备接口，如下： 外部存储器控制器； l c d 控制器( 支持4 k 色彩s t n 和2 5 6 色彩t f t ) ； 3 c hu a r t ( i r d a1 0 ，16 b y t et xf i f o ，16 - b y t er xf i f o ) 2 一c hs p i ： 1 c h 多主i i c b u s 1 c hi i s b u s 控制器； 2 p o r tu s b 主接i s l 1 p o r tu s b 设备接口( 版本1 1 ) ； 4 c hp w m 定时器及1 c h 内部定时器； 看门狗； 11 7 b i t 通用i o 接口2 4 c h 外部中断源； 电源控制( 支持标准、慢速、空闲及断电模式) ； 8 c h a d c 和触摸屏接口； 片上时钟产生器( 具有p l l ) ； $ 3 c 2 4 1 0 x 逻辑框刚7 j 如图2 1 所示： 图2 1s 3 c 2 4 1 0 x 逻辑框图 8 求。 a h b ( a r mb u sh i g hp e r f o r m a n c eb u s ) ：a r m 高性能总线； a p b ( a r mp e r i p h e r a lb u s ) ：a r m 外设总线。 $ 3 c 2 4 1 0 x 总线框图如图2 2 所示： 匿团 冈 匿飘蜀 = = = =lh | = 二= = = = 卜8 h o 孳ic o n tf 令lb | g 令ii n t e r r u p tc o n t 1 = 1 = 二= = = = 1ll = = = = = = ： o _ _ _ _ 一 _ o - _ _ _ 一 l 。竺竺| l 8 li嘲a嚣篡州lu 匿nand f l a s hb o o t lsli蕾fcemcr，contam ll ：isl 肛all ll o 列亡rl 广yl 。l r 夕l s 爱a 吖j n o s d r l 司a 毗豁豫幻。k 面而 u a r t0 k 岭 u s s 。e v c el e 冷 a s 。e | g p 8 w 鬟磐l 8 l l 魏1 e ri y a 慧s 簇n t t t o r e c o d e | a 心cl 1 s s p lo , 1 除 | 竺l 习 巫 | ! 二三 卫 匿雪| 昌= = = = = = = = = = = = = 昌蟹 图2 2 $ 3 c 2 4 1 0 x 总线框图 $ 3 c 2 4 1 0 a 控制器功能强大，片内外围电路丰富，完全满足本课题的设计需 2 2 2 外围电路的设计 本系统总体框图如图2 3 所示，用于键盘输入、液晶显示、串口及网络通信 等管理调度工作，并完成复杂的运动控制。扩展的f l a s h 和s r a m 用于存储 程序和数据。输入输出的i o 口、键盘、液晶、显示网络等都是通过总线来控制 的。 9 f l a s hs r a m键盘6 4 0 x 4 8 0 液晶显示 ： l： a r m 处理器 $ 3 c 2 4 1 0 ， 各轴伺服驱动器串行口以太网接口 ： 伺服电机 图2 3 表不了嵌入式数控系统的总体结构 具体设计如下： 微处理器的复位电路及j t a g 接口 j t a g 接口常用于实现i s p 在系统编程的功能，如对f l a s h 器件进行编程等。通 过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试嵌入式系统 的一种简洁高效的手段。标准j t a g 接口信号有4 个：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ， 分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。本系统的j t a g 接口主要是用于下载b o o t l o a d e r 程序，和初始化内存及加载以太网的驱动程序， 便于以后下载操作系统镜像文件。 复位电路使用i m p 8 11 t ，提供手动复位功能。来自j t a g 的复位信号接到了 i m p 8 11 t 的输入端上，提供可靠的复位并避免电平冲突。低电平有效的n r e s e t 经过三极管反相后产生高电平有效复位r e s e t 信号。复位电路及j t a g 接口如图 2 4 所示。 l o 图2 4 复位电路及j t a g 接口 系统的时钟电路 时钟电路是嵌入式系统必不可少的部分。有两个时钟源模式：外部时钟输入 和片上锁相环( 晶体振荡电路产生的时钟) 。时钟模式是由$ 3 c 2 4 1 0 外部引脚 o m 3 2 】来选择的。在系统复位信号n r e s e t 的上升沿外部引脚o m 3 ：2 】的状 态将被锁存进系统中，决定了时钟源的选择。 1 2 m h z 晶振电路与$ 3 c 2 4 1 0 的p l l 时钟发生电路芯片的主时钟和外围器件 工作时钟信号，3 2 7 6 8 k h z 晶振电路提供r t c 的时钟信号，具体电路如图2 5 所示。 疆 一 图2 5 时钟电路 系统电源电路 嵌入式系统的稳定运行需要一个良好而稳定的电源，整个系统需要的电源有 5 v 、3 3 v 、1 8 v 三种。其中，大部分接口需要5 v 电压，微处理器处理器则需 要两种电压，其中内核需要1 8 v ，其它模块电压都为3 3 v 。由于逻辑电路部分 功耗很小，因此本系统采用线性稳压电源方案，5 v 直流电压经过l m l1 1 7 3 3 v 得到3 3 v 电压提供给c p u 外围器件使用，3 3 v 电压再l m l l l 7 1 8 v 得到1 8 v 电压提供给微处理器内核。具体的电源电路设计如图2 6 所示。 + 2 4 v 电i 8 袅输入 6 m 】 譬声一谴争p 千p11 。 j o 、，、k t 一- 1 l 【 1 。： d i i ) i j i s m b b o al ：? u r 图2 6 电源电路 扩张存储器电路 ( 1 ) n a n df l a s h 接口电路 系统所使用的n a n df l a s h 是三星公司生产的6 4 mn a n df l a s h 存储器芯片 k 9 f 1 2 0 8 。该芯片只有8 个i o 接口，而且是数据、地址、命令复用。这样设计 不仅可以减少引脚数量，而且允许系统在电路板设计不更改的基础上进行系统进 一步的更新。 k 9 f 1 2 0 8 的引脚包括：i o 7 ：o 】输入输出接e l ；该接口可以对命令数据地址 进行输入输出；r e 读信号，低电平有效；孕己片选信号，低电平有效；c l e 命令 锁存信号，高电平有效；a l e 地址锁存信号，高电平有效；w e 写信号，低电平 有效；船准备好或忙信号，该信号为高电平时表示该芯片处于准备好状态，若 为低电平表示该芯片处于忙状态，需等电平为高才能进行操作【8 1 。具体的连接电 路如图2 ，7 所示。 1 2 v d l ) 3 3 g n d 图2 ，7k 9 f 1 2 0 8 的连接电路 ( 2 ) s d r a m 接口电路 目前很少有3 2 位的单片s d r a m ，所以本系统采用两片1 6 位的s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 并联构成3 2 位的s d r a m 存储器系统，这样就可以满足嵌入式操 作系统及各种相对较复杂的算法的运行要求。由于$ 3 c 2 4 1 0 芯片内部集成了 s d r a m 控制模块，所以不需要外加s d r a m 控制器，只需要将相关信号与 s d r a m 芯片相连即可。h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 与微处理器的连接电路如图2 8 所示。 阁一 l a 22 3 l a 3 2 4 l a 425 l a 52 6 l a 6 2 9 l a 73 0 l 83 l l a q3 2 l 1 03 3 l a l l3 4 l a l 2 2 2 l aj 33 5 i | a 1 4 3 6 l a 2 42 0 丝! ! 坠i i u 6 l i j l 4 3 ，d t k 2 j da 、1 址2 d 1 u ，d a t 1 6 图2 8sh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 的连接电路 1 3 粼一 5 4 3 2 0 g s_，-bio姒附川洲钟雠阱蹦掰阱耵皿跏脚 群一一一 串行口电路 串行通信技术在现如今的数据传输领域仍有很大的占有空间。嵌入式系统的 调试也使用串行口，利用计算机的超级终端作为自身的显示终端设备。采用单端 双极性电平信号，传输距离可达几十米。所以，串行口通信仍是系统不可缺少的 接口。 $ 3 c 2 4 1 0 a 本身带有3 个全双工异步串行口( u a i 玎) ，用其中2 个串口通过 r s 2 3 2 电平转换器得到t t l 电平。串行口的典型电路如图2 9 所示。 1 6 鬏l 。_ l ( ：一3 0 = c 3 =蝣4 t 上 a 净蠢l 一 黧厂 ( 2 一u c 4 1 。4 宁51 5 t 璐 c ：q 囝 f ：；：玎：0l j - f l o l r- f ln 1 l酾 弛j e 翻 j r ：nr 玉q l 、夸弋h t 馥r弧 l oi 疆 飓：，89娜 融鞑值一 、d s 3 c 5 1 0 ； ，o ： o ， 0 o r 瓠、 、蛩m o - - - - 一r 砥、：、孙_ o - - g o t o 矿 p翮鲤 l j a , r 2 r ；曼5 2 32 ：t 2 m f f 0 1 2 i2 - 9 图2 9r s 2 3 2 串行接口电路 u s b 接口电路 u s b 接口具有速度高、通用性强、支持热拔插、即插即用、支持级连等特 性，正逐步取代电脑的串口、并口。在嵌入式设备中，也有取代串口和一些专用 接口的趋势。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部集成有u s b 控制器，包括一个u s b 主口( u s b h o s t ) 和u s b 从t ( u s b d e v i c e ) 。u s b 接口总共4 根线：电源、地、差分数据线，硬件上只 需要将对应的线连接即可。u s b 接口的连接电路如图2 1 0 所示。 d u s b v b u s g n d 图2 1 0u s b 接口电路 以太网接口电路 以太网在嵌入式系统中也起到了至关重要的作用，越来越多的嵌入式系统都 采用以太网进行操作系统镜像文件的下载。$ 3 c 2 4 1 0 a 本身没有专门的以太网控 1 4 制器，因此本系统用d m 9 0 0 0 来实现网络功能。d m 9 0 0 0 有交叉线自适应功能， u d p t c p i p 加速( c h e c ks u mo f f l o a d ) 减轻c p u 负担，提高整机效能，2 0 n s 响 应时间，2 5 v 3 3 v 低功耗。d m 9 0 0 0 是1 6 b i t 总线宽度，接在$ 3 c 2 4 1 0 的b a n k 2 上，使用中断e i n t 2 。具体的以太网接口电路如图2 1 1 所示。 a v d d q 5 n ( 慰3 7 3 5 3 6 3 4 n o l n w e e r n l 2 d 峨q d a t a i d a 1 a 2 b k 、飓 d a f a 4 d 久i 5 d j 舳 d i 7 d a t 8 d t 9 d a t a j o d a t a i d a i a l2 i ) a fa 13 d a i a l 4 d i a i5 a l3 2 n r e s e r4 0 c s d r d w 小r r s d 0 s d l s d 2 s d 3 s d 4 s d 5 s d 6 s d 7 s d 8 s d 9 s d i o s d l l s d l 2 s d l 3 s d l 4 s d l 5 c m d p w r s t g n d r x v d d 2 5 m 2 5 r x + r x - 僻 d ( _ r x g d r x g n d 口( ( i m b g r 匿 b g g n d l ) l l 臌 s d 1 1 墨t 删o e f c k e e c s 汜 x l g n d g n d g n d ti 肿 d 限x + d i r x - d r r x + d r r ) ( g n d 4 6 r i55 1 0 1 9 2 0 2 1 4 3 图2 1 l 以太网接口电路 g n d 显示接口电路 本系统的显示部分采用的三星公司的l c d ，带触摸功能，6 4 0 * 4 8 0 的分辨率。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部自带液晶控制器，只要设置好相应的寄存器，就能够能产生时序。 考虑到不同液晶的接口电平不一致，仍然需要数据缓冲器做电平转换1 9 j 。在显示 的基础上设计成了触摸屏，使用内部a d c ，只需要外接2 个双m o s 管器件即可。 $ 3 c 2 4 1 0 a 内部a d c 提供了专门的触摸屏接口，可以产生x m o n 、n x p o n 等 开关信号，控制外部m o s 管切换加在电阻式触摸屏上的电压，并用自身a d c 完成模数转换。具体的显示电路如图2 1 2 所示。 1 5 婚一一mm一一他一一m一引一凹一勰一”一拍一”一m一勉 2 3r t o s 的选择 图2 1 2 显示接口电路 目前，流行着多种实时嵌入式操作系统，如嵌入式l i n u x 、w i n d o w sc e 、 u c o s i i 等。然而，它们各有优缺点，各有不同的应用场合。其中，l i n u x 是一 个源代码完全丌放的系统，用户可以根据具体需要对它进行适当的修改与裁剪。 而且，l i n u x 支持多种微处理器。但是，它缺少简单高效的i d e 开发环境，不能 够对系统进行快速高效准确的配置。相反，大部分源代码开放的w i n d o w sc e 操 作系统，提供了一个友好的i d e 开发环境，使开发者可以在最短的时间内配置 好一个e o s 。而且，w i n d o w sc e 系统与普通w i n d o w s 有一定程度的兼容性，有 相似的界面，有相似的a p i 函数。 1 6 w i n d o w sc e n e t 4 2 是模块式、多任务、实时嵌入式操作系统，针对于p d a 等微型3 2 位智能设备。我们可以通过p l a t f o i mb u i l d e r 和e m b e d d e dv i s u a lc + + 创建出面向特殊应用的平台和应用程序。 w i n d o w sc e n e t 4 2 ( 以下简称w i n d o w sc e n e t ) 操作系统的主要功能： 从操作系统内核的角度看，w i n d o w sc e n e t 具有灵活的电源管理功能，包括 睡h 民唤醒模式。在w i n d o w sc e n e t 中还使用了对象存储( o b j e c ts t o r e ) 技术，包 括文件系统、注册表及数据库。它还具有很多高性能、高效率的操作系统特性， 包括按需换页、共享存储、交叉处理同步、支持大容堆( h e a p ) 。 w i n d o w sc e n e t 拥有良好的通信能力。它广泛支持各种通信硬件，也支持直 接的局域网连接以及拨号连接，并提出与p c 、内部网以及i n t e m e t 的连接，包括 用于应用级数据传输的设备至设备间的连接。在提供各种基本的通信基础结构的 同时，w i n d o w sc e n e t 还提供与w i n d o w s9 8 n t 的最佳集成和通信。 w i n d o w sc e n e t 的图形用户界面相当出色。它拥有基于m i c r o s o f ti n t e r n e t e x p l o r e r 的i n t e m e t 浏览器，此外，还支持t r u e t y p e 字体。开发人员可以利用丰 富灵活的控件库在w i n d o w sc e n e t 环境下为嵌入式应用建立各种专门的图形用 户界面。w i n d o w sc e n e t 甚至还支持诸如手写体和声音识别。动态影像、3 d 图 形等特殊应用。 w i n d o w sc e n e t 同时内置了多媒体功能，通过w i n d o w sm e d i ap l a y e r 可以播 放m p 3 甚至是视频。w i n d o w sc e n e t 具有可扩充的c o m p a c tf l a s h m m c s d 插 槽，通过扩充卡可以实现多种功能，例如网页浏览、无线接入或者增加更大的存 储空间。w i n d o w sc e n e t 内存架构j 如图2 2 所示： c 2 0 00 0 0 0 8 0 0 00 0 0 0 4 2 0 00 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 3 e 0 0 0 0 0 0 0 8 0 00 0 0 0 0 6 0 00 0 0 0 0 4 0 0 0 0 0 0 0 2 0 00 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 图2 2w i n d o w sc e n e t 的内存架构 1 7 f f f f f f f f e 0 0 00 0 0 0 c 4 0 00 0 0 0 c 2 0 0 0 0 0 0 c 0 0 00 0 0 0 p l a t f o r mb u i l d e r 是建立w i n d o w sc e n e t 平台的强有力工具。w i n d o w sc e n e t 操作系统捆绑在p l a t f o r mb u i l d e r 之中，在p l a t f o r mb u i l d e r 安装成功之后，会在 “$ i n c e r o o t ) p u b l i c 和“$ ( _ w i n c e r o o t ) l p r i v a t e 两个目录看 到m i c r o s o f t 公开的那部分源代码。通过这些源代码，我们可以感受到m i c r o s o f t 为使w i n d o w sc e n e t 具有良好的移植特性所付出的苦心。 1 8 第三章w in d o w sc e n e t 的系统结构 3 1w in d o w sc e n e t 概述 w i n d o w sc e n e t 是m i c r o s o f t 公司专门针对嵌入式产品领域开发的嵌入式操 作系统，它具有多线程、多任务、完全抢占式的特点【1 2 。14 1 。w i n d o w