（环境工程专业论文）基于arm技术的水声设备信号调理器调试平台的设计与研究.pdf

哈尔演种人。学硕+ 学忙论文 摘要 本论文是以课题项目“基于a r m 技术的水声设备信号调理器调试平台的 设计与研究”为研究背景展丌的，整合了水声实验中尤其是湖试、海试中常用 的基本仪器一数字示波器、采集器和信号源三大功能，配有液晶屏和触摸屏， 只有成本低、体积小、功能强大、便于携带以及实验现场的方便使用的特点。 系统还扩展了u s b 2 0 接口，方便从p c 机下载任意信号源波形，以及把采集 结果t 传给p c 机显示，分析和原始实验数据存档。 该平台以a r m 9 芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器为核心构制了硬件平台、采 用嵌入式实时操作系统u c o s i i 的软件平台；在这个软、硬件平台上丌发应 用软件。其中，作为信号源时，该平台利用s p w m 调制原理，把要发送的模 拟信号转成p w m 脉冲信号，通过d 类功放变成功率型p w m 脉冲驱动发射 换能器。s p w mi 周制过程中以d d s 芯片a d 9 8 3 4 产生精确的频率。 关键词：a r m ；u c o s i i ；u 。b o o t ；u c g u i ；d d s ；s p w m 哈尔滨i 。稃人学顾十学付论文 a b s t r a c t t h ep a p e rb a s e do nt h ep r o j e c t “r e s e a r c ho fp l a t f o r m o fu n d e r w a t e r a c o u s t i cd e v i c es i g n a lc o n d i t i o n e rb a s e do na r m ，w h i c ha i m sa tp r o v i d i n g c o n v e n i e n c ef o ru n d e r w a t e ra c o u s t i ce x p e r i m e n t s t h es y s t e mi n t e g r a t e si n c o m m o nu s eb a s i co fu n d e r w a t e ra c o u s t i ci n s t r u m e n t ss u c ha sd i g i t a ls t o r a g e o s c i l l o s c o p e s ，d a t ac o l l e c t o r , d i g i t a ls i g n a lg e n e r a t o r t h i ss y s t e mh a sl c d a n d t o u c hs c r e e nh a v i n gc h a r a c t e r i s t i co fl o wc o s t ，m u l t i f u n c t i o n a l ，p o r t a b l ea n de a s y t ou s eo nt h es p o t t h i ss y s t e ma l s oc a nc o n n e c tt op cb yu s b 2 0p o r t ，s oy o u c a nd o w n l o a dd a t ao fy o u rs e l f - d e f i n e ds i g n a lw a v ef o r mf r o mp co rs e n dw h a t y o uh a v eh a dc o l l e c t e dt op cf o rd i s p l a yo rf u r t h e ra n a l y s i s t h i si n s t r u m e n tu s ea r m t e c h n i q u ec h i pa t 9 1 r m 9 2 0 0a sc o r eh a r d w a r e p l a t f o r ma n de m b e dr e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e mu c o s i ia ss o f t w a r ep l a t f o r mt o c o n s t r u c td e v e l o pp l a t f o r m t h e d e v e l o p m e n to fa p p l i e dp r o g r a m s o ft h i s i n s t r u m e n ti sb a s e do nt h i sp l a t f o r m w h e np r o g r a m m i n gt h i si n s t r u m e n ta c ta s d i g i t a ls i g n a lg e n e r a t o r , w eu s es p w mm o d u l a t i o n i nt h i s m o d u l a t i o nw e t r a n s m i tt h ea n a l o gs i g n a lt h a tw ew a n tt os e n do u tt op w mp u l s es i g n a l t h a n t h o s ep w m p u l s ew e r et r a n s m i t t e dt op o w e rt y p ep w mp u l s et od r i v eu n d e r w a t e r t r a n s d u c e r t h r o u g hdt y p ep o w e ra m p l i f i e r d u r i n gs p w m m o d u l a t i o nd d sc h i p a d 9 8 3 4i su s e dt op r o d u c ep r e c i s ef r e q u e n c y k e yw o r d s ：a r m ；u c o s 一1 1 ；u b o o t ；u c g u l ；d d s ；s p w m 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、数据和文献的引 用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 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) ：超场 日期：年；月日 哈尔滨l 。科人学硕十学付论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景和立题意义 在信号采集的实验中，经常要用到示波器、信号发生器、信号采集器等 设备，但不是每个实验室都能很方便的备齐这些设备。币是为了方便我们学 院的师生作般的水声实验，本题目的水声设备信号调理器调试平台集成了 水声实验中，常用的示波器和信号源、信号采集器的功能，具有功能多、体 积小方便携带、成本低的特点。目f 狩困内还没有专用于水声实验的并集成示 波器、信号发生器、信号采集器等的仪器。下面简单介绍该水声设备信号调 理器凋试平台的三大性能指标： 1 。其中的示波器功能可实现2 通道、采样率最大为1 0 0 k h z 的采样通 道的显示，并能进行简单的信号分析，如频谱分析、各种数字滤波 器等； 2 信号采集功能：可以对这2 路信号进行信号采集，容量只受该系统 上的s d 卡的容量的限制，目盼市面上已有8 g 左右的s d 卡出售。 3 信号源功能：一路s p w m 调制输出，能象普通信号源那样输出三角 波、f 弦波、c w 脉冲等，并能输出线性调频信号等水声实验中常 用的信号。此输出需接d 类功放再驱动声换能器。 该系统同时扩展了u s b 2 0 接口，方便从p c 机下载任意波形，以及把采 集结果传给p c 机显示和分析。希望能给水声信号实验的凋试带来方便。 实现本系统可以通过工控机或者用嵌入式系统实现。但从体积和成本角 度来考虑，只有嵌入式系统比较合适。而嵌入式系统有很多类，如我们最常 用的足一般意义的普通单片机如5 l 啦片机，信号处理方面常用的是d s p 芯 片，以及这几年j 兴起但已占掘嵌入式系统大部分市场份额的a r m 嵌入式 系统。 a r m 系统，简单的讲也是一种单片机，但和我们以前一般概念上的单 片机和d s p 有点不同。常规的单片机如5 l 单片机一般只有l 1 6 m i p s ，在 运算速度方面还远不能满足信号处理的要求。而信号处理常用的d s p 一般没 哈尔演f 。r ，。人中倾十学何论文 有足够的系统外设，如没有足够数量的具有中断功能的管脚束接收外部中断 凶f 町难以胜任控制的要求，一般也没有大容量存储器的接口因而不能方便地 扩展存储器等。而a r m 系统_ f 是集成了单片机和d s p 各自的长处，所以适 合同时要求控制功能和动锋能力都较强的、且对成本敏感的场合。也正因为 这些不同而选择了嵌入式处理器a r m 。 1 2 嵌入式系统的简介 ， 嵌入式系统”被定义为：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬 件可裁减、适应应用，是对功能、可靠性、成本、体积、功耗等方面均有严 格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入 式操作系统以及用户的应用程序等四部分组成，用于实现对其它设备的控制、 监视或管理等功能。嵌入式系统的核心是嵌入式馓处理器。嵌入式系统的外 刚硬件设备是嵌入式系统与外界进行信息交换和控制处理的途径，包含了最 大程度的用户应用，是研究丌发的重点。操作系统的选择通常是根据应用背 景和硬件环境，并综合考虑软件丌销宋进行选择的。 市面上常见的商用的嵌入式操作系统有p s o s 、v x w o r k s 等，但是比较 昂贵。也可以根据系统需要定制专用的嵌入式操作系统。嵌入式操作系统技 术的发展使得丌发设计新的嵌入式操作系统越来越容易。 嵌入式系统技术的发展，主要经历了以下四个阶段： ( 1 ) 第一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 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，采用汇 编语言编程，运行结束后清除内存。这阶段系统的主要特点是：系 统结构和功能相对单一，处理效率低，存储容量较小，几乎没有用 户接口。由于这种嵌入式系统使用简便、丌发容易、价格很低，以 前在国内工业控制领域应用比较普遍，但是已经远远不能适应高效 的、需要大容量存储介质的现代化工业控制和新兴的信息家电领域 的需求。 ( 2 1 第二阶段足以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式 系统。这阶段的主要特点是：c p u 种类繁多，通用性比较弱；系 2 哈尔滨i ：群人学硕十学伉论文 统丌销小，效率高；操作系统具有一定的兼容性和扩展性；应用软 件比较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载以及 监控应用程序运行。 ( 3 ) 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。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 化和扩展性能；具备文件和目录管理、设各支持、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口，开 发应用程序简单：嵌入式应用软件丰富。 f 4 ) 第四阶段是基于i n t e r n e t 为标志的嵌入式操作系统，这是一个正在迅 速发展的阶段。目前大多数嵌入式操作系统还孤立于i n t e r n e t 之外， 但随着i n t e r n 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f _ | 益密切，嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表着嵌入式技术 的真正未来。 1 2 1 嵌入式系统的特点 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点”1 ： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。 ( 2 ) 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化 在存储芯片或单片机本身中，而不是存储于磁盘的载体中。 ( 3 1 嵌入式操作系统的硬件和软件都必须高效的设计，力争在同样的硬 件基础上实现更高的性能。 ( 4 1 高质量、高可靠性的软件代码，要求程序编写和编译工具的质量更 高，以减少程序二进制代码长度、提高执行速度。 ( 5 ) 保证嵌入式系统软件的高实时性，满足多任务系统中对重要性不强 的任务进行统筹兼顾的合理调度。 ( 6 ) 嵌入式产品一旦进入市场，由于其面向应用，生命周期比较长。 ( 7 ) 由于嵌入式系统与硬件结合较强，与其它通用p c 应用软件相比较， 嵌入式系统中的软件更强调可继承性和技术衔接性，发展较稳定。 总的来看，嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、实施应用性能强 哈尔滨 ：程大学硕+ 学位论文 等特点，可以嵌入到现在任何信息家电和工业控制、通信系统中。从系统角 度来看，嵌入式系统具有不可修改性、系统所配置要求较低、系统专业性和 实时性比较强等特点。比较通用型计算机系统，嵌入式系统具有应用范围广， 功能特定，开发推广容易等优势。 l 2 2 嵌入式系统目前的发展趋势厦应用 嵌入式系统在当前具有极其广阔的应用前景，可以应用于不同的领域， 如：控制、通信等。当今社会嵌入式系统在传统的工业控制领域和商业管理 领域b 经具有广泛的应用空问，如智能工控设备、p s o s a t m 机、i c 卡等； 在家庭领域更具有广泛的应用潜力，如数字电视、w e b t v 、网络冰箱、网络 空调等众多消费类和医疗保健类电子设备等；此外还有在媒体手机、袖珍电 脑、掌上电脑、车载导航器等方面的应用，将极大地推动嵌入式技术深入到 生活和工作的方方面面。特别要提出的是，由于军事领域应用的需要和其特 殊性，往往对相关设备的可靠性、功率、功耗、体积、集成度和实时性提出 了很高的要求，从这一点看来，嵌入式系统应用于军事设备和各种复杂工业、 军事条件是大势所趋，在海军、在水声领域的应用我们也可以做一些尝试， 或许又会有另外一片天空。 1 3 论文内容 本文主要研究内容包括： 1 、完成本系统的需求分析，完成浚平台的整体结构设计； 2 、研究各电路模块的设计和调试： 3 、完成输入模块、显示模块、存储模块和输出模块的功能性调试，完成 a r m 嵌入式系统模块通过u s b 2 0 与p c 机的数据交流； 4 、研究a r m 高性能处理器体系结构及嵌入式实时操作系统u c o s 1 i 在其上的运行，以及u c o s - i i 在a r m 9 芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 上的移植； 5 、u c o s i i 的功能扩展文件系统，并且设计和调试了其它软、硬件模块： 6 、将u c g u i 针对液晶显示模块l m 2 0 2 8 移植到u c o s i i ，并调试了触 摸屏，实现了u c o s i i 下的图形用户界面的简单功能； 7 、研究用手a t 9 1 r m 9 2 0 0 的b o o t l o a d e r 系统u b o o t 。 4 哈尔滨i 。利人学硕+ 学位论文 第2 章a r m 嵌入式系统硬件平台设计 2 1 系统整体架构设计 2 1 1 系统整体结构 本论文中所采用的水声设备信号调理器调试平台是由采集模块、信号输 出模块、显示模块、存储模块、a r m 嵌入式系统模块五部分组成，其结构 图如图2 i 所示。 图2 1 水声设备信号调理器调试平台系统结构原理框图 下面分别简单【兑明这五个部分： a r m 嵌入式系统模块：以a t m e l 公司的a r m 9 芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 为 核心。作为主控模块，其负责控制系统的各个模块和信号处理，并 可独立运行。泼模块上扩展大容量f l a s h 存储器，存放嵌入式操作 系统和应用程序的可执行代码，系统上电后可自主从f l a s h 上下载 这些代码并启动操作系统和应用程序。 显示模块：用于采集数掘、经过信号处理之后的数据的显示，以及 人机交互昆示。采用t o p w a y 公司的l m 2 0 2 8 液晶显示模块，为 3 2 0 古2 4 0 点阵，1 6 级狄度，5 7 寸。该模块使用白色l e d 背光，只 需5 v 供电，使用方便。 采集模块：实现2 路水声信号的放大和滤波，总增益6 0 d b ，为简化 设计，此模块中的滤波只有低通滤波，为4 阶低通滤波，被采集信 哈尔滨i 柑人。r 硕p 学何论文 号的上限截止频率为4 0 k h z 。因为放大器采用了交流耦合放大器， 低于5 0 h z 的频率信号频率响应不好。所以实际的带通为5 0 1 - i z 4 0 k h z 。a d 转换器为t i 公司的a d s 8 3 2 0 ；最大实现1 0 0 k h z 的1 6 b i t 的采样率。 输出模块：采用s p w m 调制原理，先要把信号调制成p w m 脉冲输 出，再经d 类功放放大成功率型的脉冲波形驱动发射声换能器。由 于时间关系，题目只作到s p w m 输出部分。s p w m 的原理在后面 会详细说明。 存储模块：采用s d 卡作存储介质，可存储采集进来的信号，容量 只受陔系统上的s d 卡的容量的限制，目前市面上已有8 g 左右的 s d 卡出售。 以上各个模块足紧密联系、协调工作的，甚至在电路上都是体的。如 存储模块、输出模块和a r m 嵌入式系统模块在电路上是在一起的。各模块 的划分方式是按功能束分的。 目前，该水声设备信号调理器调试平台有三大功能： 1 、示波器功能 可实现2 个通道、每个通道采样率最大为1 0 0 k h z 的数据采集和采集数 掘的实时显示。对所采集的数据能够进行简单的信号分析，如频谱分析、数 字滤波等；并能将短时m 内的数掘保存在s d r a m 中，现在可以作8 m b y t e 的临时数掘存储，相当于2 0 秒钟的2 通道、采样率最大为1 0 0 k h z 、1 6 b i t 分辨率的数掘。能实现这些数据的回放，方便分析数据，其功能相当于简单 的信号分析仪。 在此坊能巾，月j 到了采集模块、显示模块、a r m 嵌入式系统模块三大 部分。a r m 嵌入式系统模块通过s p i 接口与采集模块上的a d 芯片a d 8 3 2 0 通信，从而从采集模块上取得当静数据，然后把数掘送到a r m 嵌入式系统 的内存中，之后再调用频谱分析、数字滤波器应用程序对数据进行处理，再 通过显示模块显示。 2 、信号采集器功能 町对2 个通道、每个通道采样率最大为t 0 0 k h z 、分辩率为1 6 b i t 的采样 通道作采集存储，结果数拓：存于s d 卡j 二。s d 卡的写速度是1 0 m b i t s ，读速 度足1 8 m b i t s ，完全可以满足存储要求。如果用8 g 的s d 卡，可存储5 小时 的2 个通道、每个通道采样率最大为1 0 0 1 r d q z 、分辨率为1 6 b i t 的采样通道的 采样数据。因为总线速度瓶颈问题，信号采集器功能不能和示波器功能同时 用，但存好后的信号采集器的数掘可以回放，并可以作频谱分析、数字滤波 等二次再显示。 在此功能中，用到了采集模块、显示模块、存储模块、a r m 嵌入式系 统模块四大部分。 a r m 嵌入式系统模块通过s p i 从采集模块上取得当前数据，然后把数据 送到a r m 嵌入式系统的内存中缓存。内存中分2 个大小一样的缓存区。当 某个缓存区满时，采集到的数据就存在另一个缓存区。当往其中某个区写数 时，a r m 嵌入式系统模块把另1 个已经满的缓存区中数掘按顺序写到s d 卡 中。这样反复交替，直到s d 卡写满时自动停止，并在液晶屏上提示。 数据采集结束后，a r m 嵌入式系统模块可以读出s d 卡上存储的数 抛，并根掘从硅示模块上触摸屏取得的处理命令调用相应的应用程序来处理 数掘，把结果在显示模块显示。 此外，可以通过a r m 嵌入式系统模块上的u s b 2 0 把数据以f a t l 6 的 格式以d a t 的文件后缀名移到p c 机上。 3 、信号源功能 本系统可实现一路水声信号源输日j ，可以象普通信号源那样输出常用的 三角波、正弦波、c w 脉冲等，并能输出水声实验中常用的线性调频信号等水 声实验中常用的信号。本系统是把信号经过s p w m 调制，再经过d 类转换功率 型脉冲驱动发射换能器。 此外，也可以通过a r m 嵌入式系统模块上的u s b 2 0 接口从p c 机上下 载任意波形的数掘。这方便了用户的使用。这些数掘在存储模块上的s d 卡 保存一份备份，平时这些数掘是存在内存中指定的缓存区中。 在此功能中，用到了显示模块、存储模块、a r m 嵌入式系统模块和输 出j i _ ；! 块四部分。用户从显示模块的人机界面上选择输出波形的类型和各种参 数。a r m 嵌入式系统模块再根掘这些参数。调用相应的函数，生成数据表。 并根据周期参数等控制输出模块中的d d s 芯片a d 9 8 3 4 以使其输出楣应的精 确的频率脉冲。a r m 嵌入式系统模块1 耳根掘这个频率脉冲所引发的中断通 哈尔滨i 。张人学硕十学何论文 过i o 口输出经过s p w m 调制的方波，从而实现输出。此模块的具体原理将 在第四章中浼明。 2 1 2a r m 嵌入式系统模块结构设计 a r m 嵌入式系统模块的组成为下图2 2 所示： 2 2a r m 嵌入式系统模块结构图 这是水声设备信号调理器调试平台的核心模块，负责控制采集模块、信 号输出模块、显示模块、存储模块等的协调工作，以及对采集进来数据进行 频谱分析、数字滤波器等信号处理。 下面介绍此系统中的主要模块。 2 2a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器简介 本文的核心微处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 是a t m e l 针对系统控制以及通信领 域推出的基于a r m 9 2 0 t 内核的新型微控制器，它是a t 9 1 x 4 0 8 x x 等基于 a r m 7 t d m i 内核的微控制器向上兼容。a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器内部集成了一 个a r m 9 2 0 t - a r mt h u m b 处理器，眩处理器是典型的r i s c 处理器，在 1 8 0 m h z 时运行速度高达2 0 0 m i p s 。a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器内带1 6 k b 的数据 c a c h e 和1 6 k b 的指令c a c h e ，1 6 k b 的s r a m ，1 2 8 k b 的r o m 以及写缓冲 8 醑尔演f 群人。尹硕十学付论文 区。a t 9 1 r m 9 2 0 0 具备全功能的存储器管理单元m m u ，支持l i n u x 和w i n c e 等图形桌面的操作系统，还带有d e b u g 通信通道的e m u l a t o r ，外部总线e b i 接口，支持s d r a m ，s t a t i cm e m o r y ，b u r s t f l a s h ，c o m p a c t f l a s h ，s m a r t m e d i a 和n a n d f l a s h ，由此可以看出，a t 9 1 r m 9 2 0 0 是一个真币的片上系统( s o c ) ， 它片内集成了u s b 、e m a c 、e b i 、m c i 、s s c 、s p i 和t w i 等多种通信接口， 2 0 0 m i p s 的处理速度和先进电源管理使这款芯片非常适合作为移动通讯、手 持汁算、多媒体数字消费、工业控制和数字化仪器的丌发”1 。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的结构如图2 3 所示。从图中可以看出。它主要是由外部 总线接口e b i 、以太网m a c 接口、u s b 2 0 、多媒体卡接口m c i 、先进中断 控制器a i c 、定时器计数器t c 、主从s p i 接口、通用异步同步收发器 u s a r t 、并行i o 口p i o 、两线接口1 w i 、看门狗定时器w d 、时钟、复位、 嵌入式i c e 和电源等部分组成。 a t 9 1 r m 9 2 0 0 的主要特点如下： 集成了a r m 9 2 0 ta r mt h u m b 处理器 工作频率在1 8 0 m h z 时处理速度为2 0 0 m i p s ，存储器管理单元； 1 6 l 数掘缓存，1 6 k b 指令缓存，写缓冲器； 含有i c e 调试信道； 中等规模的嵌入式宏单元结构( 仅针对2 5 6b g a 封装) ： 低功耗：币常模式下v d d c o r e 电流为2 4 4 m a ，待机模式为5 2 0 u a 附加的嵌入式存储器 1 6 k b 的s r a m 和1 2 8 k b 的r o m ； 外部总线接口( e b i ) 支持s d r a m ，s t a t i cm e m o r y ，b u r s tf l a s h ，无缝连接的 c o m p a c t f l a s h 和n a n df l a s h s m a r t m e d i a ： 提高性能而使用的系统外设： 增强的时钟发生器和电源管理控制器； 两个有双锁相环的片上振荡器； 很低的时钟模式和软件优化系统功耗； 4 个可编程的外部输出时钟信号： 系统定时器包括周期中断定时器、看门狗定时器和秒计数器； 哈尔滨l 科人学硕十学何论文 具有报警中断的实时时钟； 调试单元，两个串口，并支持调试信道； 有8 个优先级的高级中断控制器，独立的口r 屏蔽向量中断源，伪 中断保护： 7 个外都中断源，1 个快速中断源： 4 个3 2 位并行】o 控制器，多达1 2 2 个可编程i o 口，每个口具 有输入变化中断和丌漏能力； 2 0 通道的外围d m a 控制嚣； 1 0 1 0 0b a s e t 以太网m a c 接口 独立的媒体接口( m i i ) 或简化的独立媒体接口( r m i i ) ； 发送和接收分别集成了2 8 字节的f i f o 和专业d m a 通道： u s b 2 0 全速( 1 2 m b p s ) 双主机端口 双片上收发器( 2 0 8 脚p q f p 封装中仅为一个) ； 集成了f i f o 和专用d m a 通道： u s b 2 0 全速( 1 2 m b p s ) 设备端口 片上收发器； 2 k b 可配置的集成f i f o ； 多媒体卡接口( m c i ) 自动协议控制和快速数掘传输； 支持m m c 和s d 存储卡，支持2 个s d 存储卡； 3 个同步串行控制器( s s c ) 每个发送器和接收器鄙有单独的时钟和帧同步信号； 支持1 2 s 模拟接口，时分复用； 3 2 位的高速数据流传送能力； 4 个通用同步异步发送器、接收器( u s a r t ) 支持i s 0 7 8 1 8t ( 帆1 智能卡； 硬软件握手； 支持r s 4 8 5 ，i r d a 通信速率可达1 1 5 k b p s ； u s a r t l 为全m o d e m 拧制线； 主从串行外敬接口( s p i ) 1 0 呛尔演i ，# 人产硕十。学付论文 可编程数掘长度8 1 6 位： 4 条外部片选线； 图2 3a t 9 1 r m 9 2 0 0 结构图 哈尔滨i 科人学硕十学付论文 2 3 存储器系统的概述 对于a t 9 1 r m 9 2 0 0 存储系统的访问是通过外部总线接口e b i ( e x t e r n a l b u s i n t e r f a c e ) 管理的。e b ! 产生可控制访问外部存储器和外围设备的信号。 e b i 是可编程的，其寻址空删可达6 4 m b y t e 。它具有8 条片选信号和2 6 位地 址总线，其坤高三位的地址总线是和通用可编程i 0 线复用的。3 2 位的数据 总线经过配置可以与8 位、1 6 位或3 2 位外部器件接口。独立的读写控制线 允许a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器与存储器及外部器件直接接口。e b l 支持不同的 访闷协议，可以对存储器实行单周期访问” 。 2 3 1 存储映射 存储器映射将微处理器内部的3 2 位地址空i 日j 和外部的2 4 位地址总线关 联在一起，存储器映射是通过对外部存储器基地址和页容量的编程来实现的。 如果物理存储器的容量小于编程时指定的页容量，则超出容量的地址的高位 将被忽略而寻址到低地址空l 日j ：如果处理器访问的存储器地址超出了任一个 存铭器页，则系统将产生中止。第一级地址译码由存储控制器执行，即由具 有附加功能的高级系统总线( a s b ) 执行。译码将4 g 的地址空问分为1 6 个 2 5 6 m 字节的区域。区域1 - 8 对应e b i ，和外部片选n c s o n c s 7 相联系。 区域o 为内部存储器地址，第二级译码提供1 m 字节内部存储空| 日j 。区域1 5 为外设地址，且提供对高级外设总线( a e b ) 的访问。其他区域未使用，使用 它们进行访问时将向发出访问请求的主机发出异常中断”1 。 ( 1 ) 外部存储器i 映射( 如图2 4 ) 外部存储器映射如图3 3 所示。系统的莳2 5 6 mb y t e 是分配给内部存储 器的，接下来的8 个2 5 6 mb y t e 分别分配给8 个外部扩展设备。片内外设寄 存器占用高2 5 6 mb y t e 。 ( 2 ) 内部存储器映射( 如图2 5 ) 1 、内部r a m ：a t 9 1 r m 9 2 0 0 集成了高速、1 6 k 字节的内部s r a m 。复 位后到重新映射命令执行阿，只可访问s r a m 中0 x 2 00 0 0 0 的地址空问。重 新映射后，s r a m 台：地址0 x 0 旧样有效。 2 、内部r o m ：a t 9 l r m 9 2 0 0 集成了1 2 8 k 字节的内部r o m 。无论任何 哈尔演 群人学颈十学位论文 时候，r o m 均被映射到地址0 x 1 00 0 0 0 。若复位时b m s 为商，则在复位后 到重新映射命令执行前，可访问地址0 x 0 。 2 5 6 b y t e s 2 5 6 mb y e s 2 5 焉b - 1 e ； 2 5 6 i , a8 v t e s 6x2 5 吲诵e v i e s 1 。5 3 6 mb y t e s 2 5 6 m 一b y ；一e s - ! 一 o x 0 0 0 00 0 0 0 i r i t e m a lm e m o t 培皋 o x o f f ff f f f o x l 0 0 00 0 0 , 3 帆1 f f ff f f f c h p s e l e d o o x 2 0 0 00 0 0 0 o x 2 f f ff f f f c i - , t j s e l e c t1 o x 3 0 0 00 0 r x , o x 3 f f ff f f f c h # s e l e c t2 o x 4 0 0 00 0 o x 4 f f ff f f f c h i ps e l e c l3 o x s 0 0 0o r ) 0 3 c h 黔s e l e d 4 慨5 f f ff f f f 0 x 6 0 0 00 0 3 3 协- b f f ff f f f c h l ps e l e c t5 o 7 0 0 00 0 0 * 3 0 x 7 f f ff f f f c h l ps e l e c tg o x b 0 0 00 0 0 0 o x b f f ff f f f c h # s e l e c l 7 o x g o o o6 0 e , o u n d e f l n e d ( a b o r t j o x e f f ff f f f 0 f o 0 0 0 0 p e r i p h e r a l s o x f f f ff f f f 图2 4 外部存储器映射 3 、u s b 主机端口：a t g l r m 9 2 0 0 集成了一个u s b 主机端口丌放主机 控制器接n ( o h c i ) 。a s b 可直接访问该接口寄存器，且同标准内部存储器一 样映射到地址0 x 3 0o o o o 。 ( 3 ) 外设映射 l 、系统外设映射：系统外设映射到地址空l 日j 的头4 k 字节中，地址范围 为0 x f f f f f 0 0 0 0 x f f f f f f f f 。每个外设有2 5 6 或5 1 2 字节f 如图2 6 1 。 2 、用户外没映射：用户外设映射剑地址空l 且j 的前2 5 6 m 字节中，地址范 围为o x f f f a o 0 0 0 o x f f f e 3 f f f 。每个外设地址空间为1 6 k 字节( 如图2 7 1 。 1 3 虽 e 1，t+，。上+了，l 一 娓 韩 一 瓢 一 雕 一 静一 眺蜘啉咻叭| 一甜一m一阱1科一 m 二i乏磊|i 哈尔滨i 群人学硕十学何论文 l l i i 2 驰k l6 r t e el i j l i 图2 5 内部存储器映 d b g u p i o a p e r i p h e r a lh 工竺三竺一 上! 羔上竺 j = 三竺 a d m e dl n 科m 钟e 州一f 耕 ”“b y t e 2 5 ：j b y t e s d e b u gu m z 5 1 2b 拼e 留1 2 8 惴埘帅 p o h e f n 州e m e n lc o n t r d t e r s e mt m o r e a l n c 1 0 0 k m e l vc “l t u l k f 图2 6 系统外设映射 1 4 5 1 2b y t e 臼1 2 8r o g l s t e r s 5 1 2m e 1 m g t s t e r e 5 1 2 蛳e “1 2 e1 9 蜊e 临 6 1 2b ”e 7 1 2 8 伸g l 科e 倍 2 b ”* “* r 螂* m 蛳b y t e s e 4r o 翻越e 1 8 2 船b 灿g 廊叼曲b 坤 2 5 eb y t 岫。6 4f 日9 i 亭t 针e 哈尔演f 转人学硕卜中侍论文 ： r r s e r v e d ， t c 0t 0 1t c 2 1 c 3 t c 4t c 5 = r e v 母d u d p m c l t w l e b 似c u s a r t o u s a r t l u s a 只t 2 u s a r t 3 s s c 0 s 8 c 1 s s c 2 ，r e s 斟v e d s p i r e s e r ；e d p e r i p h e r a | n a m e s i z e t i i 3 e r o u n t e r01a n d2 t i l l l e - f c o 州针04a n d5 u s bd e p o l t m 叫t l r n e d t ac a r di n l d a c 9 t w o w i r ei n i e r l a c e e t i l e r n e tm a c u 。n 。i v e 。r s a ，l 需器翥篇嚣船妒凼。” u n e r s a j 斯n c h r o a o l j 搴a 3 v n d l t o n o u 3 r e c e f 僻rt r a r 埘ll t l e f1 u n i v e r s a ( s y n c h r o n o u sa j w l d l ，捌w u $ r e c d r , * emt l # l n g t n l t l e r2 u 枷f 9 9 f $ y n c hr o l o u s v n d l r o r 狞u 8 r e l 目i v e lt r a r b l n l t l e r3 s t , h a l s y n c h o n o l 掂c o n lr o i l e ro s e r a ls y r , c h l o n o “sc e l t 尚l l u1 s e f l a ls y n c h 婚n o l b c o 籼m l l e r2 1 6 k b y e s 1 6 kg v t e s 1 6 kb y t e s 1 6 k8 v 略$ 1 6 kb y t e s 1 6 1 e m s 1 6 k b w e $ 1 6 kb y t e s 1 6 kb y t e s 6 k 印t e g 1 6 kb y t e s 1 6 kb y t e s 1 6 kb y t e s s e r v e rp e r i p h e r a l1 1 1 t e d a c e 1 b k8 y t e s 图2 7 用户外设映射 1 5 喻尔滨l 秤人学硕+ 学付论文 2 3 2s d r a m 模块 本论文中，除了a t 9 1 r m 9 2 0 0 微处理器自带的8 k s r a m 和1 2 8 k r o m 外，还扩展了两个3 2 ms d r a m ，s d r a m 控制器为其提供了接口束扩展芯 片存储能力。 本论文采用的s d r a m 芯片是h y n i x 的h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 ，用于设置程序堆 栈和存放各种变量。两片1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器，并联为3 2 位数 掘宽度的s d r a m 存储系统并映射到a 1 兮1 r m 9 2 0 0 的n c s l ，地址为 0 x 2 0 ( ) 0 0 0 0 0 - 0 x 2 1 f f f f f f 。 采用了两片1 6 位s d r a m 并作3 2 位数掘宽度的连接方法，a t 9 1r m 9 2 0 0 的3 2 条数掘线中，商1 6 位d 3 1 ：1 6 j 和低1 6 位d 1 5 ：0 j 分别与两片s d r a m 相连。s d r a m 的a 【9 ：0 】分别和c p u 的a 【1 1 ：2 】j 目连作为列地址线：s d r a m 的a 【1 1 ：o 】分别与c p u 的a 1 l ：2 1 ，s d a l 0 ，a 1 3 相连，作为行地址线：s d r a m 的b a 1 ：0 1 分别和c p u 的a 1 7 ：1 6 相连，作为块选择：负责存储低1 6 位的 s d r a m 的l d o m ，u d q m 与c p u 的a 0 ，n w r l 相连，作为高低字节选择 线，负负仔储高1 6 位的s d r a m 的l d q m 、h d q m 与c p u 的a 1 ，n w r 3 相连，作为高低字节选择线”。图2 8 为s d r a m 模块的电路图。 图2 8 s d r a m 模块电路图 哈尔游iw 人。子颁 “学付论文 2 3 3n o rfl a s h 存储器 本论文中采用的f l a s h 芯片是i n t e l 公司的e 2 8 f 1 2 8 3 a 1 5 0 ”，1 2 8 m b i t 的 存储器，数据宽度1 6 位，其内部存放启动代码，并映射到a t 9 1 r m 9 2 0 0 的 n c s o ，起始地址为0 x 10 0 0 00 0 0 0 。图2 9 是n o rf l a s h 的电路图。 女十q * n c s i h c 站 s 墨照粤掣踅蔓匠3 嘉嚣翟一一 些阻婴t 磐些型，w o i t ) m o d e t ：= 忑 一m w n o rf l a s h 图2 9 n o r f l a s h 电路图 哈a ：滨l 年! ，人学硕十学何论文 2 3 4s d 卡模块 由于文件量比较大，需要对文件进行管理。常用的文件系统很多，比如 f a t l 6 ，f a t 3 2 ，n t f s 等，但在嵌入式系统中，必须选择合适的文件系统， 以满足嵌入式系统的要求。 在本系统中，使用的是s d 卡作该系统的大容量存储器删，使用f a t l 6 的文件格式。 下图2 1 0 为s d 卡的电路图。 图2 1 0s d 卡电路图。 2 4 l c d 接口电路设计 a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器内部没有集成l c d 控制器，因而需要使用专用的 显示控制器，实现l c d 显示。在实际系统中，我们选用了t o p w a y 公司的 液晶显示模块l m 2 0 2 8 用于显示图像数掘。 l m 2 0 2 8 模块为3 2 0 - k 2 4 0 点阵，1 6 级灰度，5 7 寸，使用白色l e d 背光， 只需5 v 供电，使用方便。l m 2 0 2 8 中的l c d 控制器是r a 8 8 0 3 8 8 2 2 它是一 个中英文文字与绘图模式的点矩阵液品显示( l c d ) 控制器，内建5 1 2 k b y t e 的 r o m 字形码，可以显示中文字型，数字符号、英r 欧文等字母，并且内建 烈图层( t w op a g e ) f l j 显示内存。在文字模式