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嵌入式视频监控服务器传输系统设计 计算机应用专业 研究生蒋毅指导教师杨红雨教授 摘要： 视鞭监控是安防系统的重要绥成部分，目前以计算机技术及褫频图像编 解码技术为核心的数字视频监控已经获得了广泛应用。而近年来，数字式产 品的微型化趋势越来越明显，以网络为依托的嵌入式视频监控正在逐步取代 原有的监控系统。本文基于作者在西川川大智胜软件股份有限公司安防视频 临控研发中的嵌入式视频监控服务器的科研谍题，探讨传输系统设计中的关 键技术。实际开发出的系统满足基本应用需求，能够较好地与公司现何的成 果衔接，并为进一步研发奠定了基础。 本文首先讲述本系统的总体结构及其在整个视频监控系统中的作用，它 负责将前端系统压缩编码的视频流通过局域刚传输到客户端。接着对构成系 统硬件核心的基于a r m 的微控制器作了介绍。最后简述硬软件框架、丌发流 程和调试方法。 系统以微控制器作为控制和传输的核心硬件，扩展外围电路，配置了系 统必备的资源。特别为方便开发调试考虑，设计了多个与外界通信的接口。 使用物理层网络控制芯片配合微控制器片内集成的e m a c 阻太网控制器，提 供对网络传输的支持。 嵌入式系统的程序引导启动策略需要根据特定硬件资源和具体应用e 的 而设计。本方案结合此微控制器的片内存储器特点和丌发过程中调试更新程 序的需要，以及系统正常运行考虑，设计了二级引导程序，它能够适应两种 启动模式，加载卜级程序和实现与i 位机的通信。本文给出了它的实现细节， 并对直接加载l i n u x 操作系统的引导程序的编制做了洋细浣明。 网络设备驱动程序的设计是本系统的软件的重要组成部分。文中对如何 以物理层网络j 王：片和e m a c 控制器实现网络传输做了阐释。 关键词：视频般控：安防：a r m ；引导程序：网络设备驱动程序 四川大学够卜学位论史 d e v e l o p m e n to ft r a n s m i s s i o ns y s t e mo fe m b e d d e dv i d e os e r v e r m a j o r ：c o m p u t e ra p p l i c a t i o n s g r a d u a t e ：j i a n gy i a d v i s o r ：p r o f y a n gh o n g y u a b s t r a c t ：t h ev i d e om o n i t o r i n g ( v m ) i sav i t a l l yi m p o r t a n tp a r tf o ras e c u r i t y s y s t e m d i g i t a lv mb a s e do nc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n di m a g e v i d e oc o m p r e s s i o n h a sb e i n gu s e dw i d e l y , a sw e l la sm i n i - d i g i t a lp r o d u c t sh a v eb e i n gp r e v a i l e d e m b e d d e dv mp r o d u c t s a p p l y i n gn e t w o r kt e c h n i q u ea r e t a k i n g p l a c e sw i t i i t r a d i t i o n a ls y s t e m s n l i st h e s i sd e r i v e sf r o ma ne m b e d d e dv i d e os e v e rp r o j e c ti n s i c h u a nw i s e s o f tc o 。l t d i tc o n c e r n st h ek e ya s p e c t so f t r a n s m i s s i o ns y s t e mo f i t n l es y s t e mc a t e r sf o rb a s i cn e e d si np r a c t i c a l i t ya n dp e r f o r m sg o o dc o - o p e r a t i o n w i t hr e l a t e du n i t s i ta l s t ) i a y saf o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n td e v e l o p m e n t t i l i st h e s i sp r e s e n t st h ef o l l o w i n gc o n t e n t si ns e q u e n c e ：i nt h ef i r s tp a r t t h e w h o l ea r c h i t e e t u r ea n dp o s i t i o no ft h es y s t e mw a si n t e r p r e t t e d w h i c ht r a n s m i t s c o m p r e s s e dv i d e od a t af r o mf r o n tm o d u l et ol a n t h e n ，i ti n t r o d u c e st h e m i c r o c o n t r o l l e r ( m c u ) u s e di nt h es y s t e mb a s e do na r mp r o c e s s o lf i n a l l y , i t d e p i c t sc o n c i s e l yh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e v e l o p i n gf l o wa n dd e b u g g i n gm e t h o d 1 1 1 ec o r eh a r d w a r eo fs y s t e mf o rc o n t r o l l i n ga n dt r a n s m i s s i o ni st h em c u i n a d d i t i o n , p e r i p h e r a lh w c i r c u i ta n do t h e rr e s o u r c e sa r ed e p l o y e d f o rd e b u g g i n g a n dn e t w o r k i n gt r a n s m i s s i o nc o n s i d e r a t i o n s e v e r a li n t e r f a c e sa r ed e s i g n e dt o m a k ei tc o n v e n i e n tf o rc o m m u n i c a t i n gw i t ho u t s i d e t h es y s t e me m p l o y saf a s t e t h e m e tp h y s i c a ll a y e rc h i pa n de m a ce m b e d d e di nm c ut os u p p o r tn e t w o r k t r a n s m i s s i o n t h eb o o ts t r a t e g yo fa ne i i l b e d d e ds v s t e ms h o u l df i tf o ri t sp e c u l i a rh wa n d s p e c i f i ca p p l i c a t i o n c o m b i n e dt h em e m o r yc h a r a c t e r i s t i co fm c ua n dd e b u g g i n g n e e d si nd e v e l o p i n gp r o c e s s b e s i d e st h en o r m a lw o r k , as u b 1 e v e lb o o t l o a d e rw a s d e s i g n e d i ts a t i s f i e dw i t hb o t hb o o tm o d e st ol o a dn e x tl e v e lp r o 盯a ma n d c o m m u n i c a t ew i t hp cu s i n gs e r i a l1 9 0 r t i t si m p l e m e n tw a sp r o v i d e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e t h en e x tl e v e lb o o tp r o g r a mw h i c hc a n1 0 a dl i n u xo sw a sd i s c u s s e d n l en e t w r kd e v i c ed r i v e ti sah e a v i l ) fp a r to fs w 1 1 1 i st h e s i sg i v e sat h o r o u 曲 e x p l a n a t i o no f h o wt h ee m a ca n dp h yc h i pi m p l e m e n tt h en e t w o r kt r a n s m i s s i o n k e yw o r d s ：v i d e om o n i t o r i n g ；s e c u r i t ys y s t e m ；a r m ；1 0 a d e r ；n e t w o r kd e v i c e d r i v e r 叨夫学硕 学位论文 l 引言 1 1 课题背景 1 1 1 视频监控简介 安全防范系统以维护社会公共安全为目标，对所防范区域进行防入侵、 防破坏、防火防盗等安全检测，在社会生活的很多领域都有广泛的应用。特 别是一些对安全和保卫要求较高的要害部门和重点单位，安防系统更是必不 可少。在现代安防系统中，视频监控是一个重要的组成部分，它直观、方便， 信息内容# 富，尤其是科学技术高度发展的今天，破坏手段更趋智能，加强 现代化的视频监控技术就显得更为必要。电视技术出现以后，国外很快在安 防系列产品中加入了模拟视频监控，而我国也在八十年代盛行，视频的参与 有效地提高了防范的质量。随后，因为计算机技术、图像处理以及数据通信 的飞速发展，在安防视频监控领域，数字化、智能化、网络化成为了一种主 要趋势，数字视频监控逐渐取代了模拟监控，进入了大规模商业应用阶段， 在当前占据着主导地位。 数字视频监控技术的发展可谓一日千里。在九十年代仞，我国还差要是 用数字信号控制模拟视频监控系统，即第一代监控。主要由摄像机、视频矩 阵、监视器、录像机组成，摄像机采集的视频信号采用模拟方式传输，主要 采用等用的视频电缆，传输距离不太远，适用于小范围监控，如建筑物内部 监控，只能在本地监控中心观看监控图像。它的功能单一，设备繁多，不易 扩展。川 九十| 年代末，视频压缩编码技术、计算机网络的发展，使视频监控技术 产生了重大变革，信息流发生了根本性改变，数字视频信号代替了模拟视频 信号。和传统的第一代模拟视频监控系统相比，数字式视频监控系统历经了 两个发展阶段：利用计算机多媒体技术来实现视频图像的数字化监控，称为 第二代准数字化本地视频监控系统，数字硬盘录像机( d v r ) 是其中的代表 产品，它可以采用p c 机来实现，用编码乍进行视频信号的采集和压缩，设计 四川大学碗 学 皇论文 软件综合录像、叫放、本地监视、视频矩阵切换、网络传输、云台控制等众 多功能，使系统结构大为简化。它与过去的视频卡带录像机( v c r ) 相比有 许多优势：使用大容量磁盘阵列或光盘存储，无需更换磁带，能够保证连贯 的图像质量以及快速的搜索查询。但是，由于其本身技术架构的局限性，基 于d v r 的准数字化本地视频监控系统始终无法解决网络远程监控环境中的 长延时、无法多路同时监控、高集成度集中监控等问题，繁杂的前端模拟视 频电缆，也会大大降低图像的质量。1 2 1 1 3 1 而且基于p c 机的监控系统，虽然灵 活性高，可以发挥通用计算机较强的处理功能，但在实际工稃使用中发现它 的稳定性一般。 伴随微电子技术的迅猛发展，电子元器件越来越微型化，网络技术的应 用也更加普遍。二十一世纪初期，出现了基于嵌入式技术的第三代网络视频 监控系统，它以数字视频处理技术为核心，以网络为依托，采用嵌入式实时 操作系统，视频采集、视频压缩编码都可以由专用芯片完成，再配合传输系 统，将视频图像传送到网络上。整个系统不仅简单精巧、经济高效、运行更 加可靠，而且能发挥宽带网络的优势，通过i p 网络，监控中心可以监控网络 能够到达的任何地方的目标，真正适应了目前对视频监控系统远程、实时、 集中的需求。基于嵌入式技术的网络视频监控的代表产品有网络视频服务器 和网络摄像机等。i j 卅 1 1 2 开发嵌入式视频监控服务器的意义 在安防视频监控领域，四川川大智胜软件股份有限公司依托优秀的技术 和良好的信誉，目前的第二代数字监控产品拥有着广泛的市场占有率。为了 进步满足市场需求，公司进行了嵌入式视频监控服务器的科研丌发。它可 以和公司现有的数字摄像机或压缩编码成果衔接，灵活地组合成整套数字视 频监控系统，并可在此基础上扩展功能，进而为后续网络摄像机的研发提供 支持。 网tr j 学妒f - 学位论文 1 2 作者所做的工作 系统的开发主要考虑实现网络传输功能，分为硬件设计和软件设计两部 分。其中硬件需要考虑和前端压缩模块的接口，软件则包括系统启动时的引 导程序和驱动程序设计，l i n u x 操作系统的哉减定制，以及上层应用程序的编 写等。作者参与了传输系统的硬件开发，软件的引导程序和网络驱动程序的 设计，实现了一个拥有基本功能的小型系统。 本文的组织如下： 1 介绍相关的背景，概念，系统总体构成，使用的微控制器，硬软件开 发流程和调试方法等。 2 描述为实现程序运行所构建的基本硬件环境，按各个部分介绍了电路 原理。 3 详述系统上电启动过程的引导程序的实现。 4 介绍网络设备驱动程序的设计。 四川大学磅 学竹论文 2 系统设计综述 2 1 嵌入式系统简介 “嵌入式系统”在当前的出现频率比较高，它确实已经渗透到了日常生 活的方方面面。i e e e ( 电气和电子工程师协会) 对它的定义是“控制、监视 或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，1 4 1 这主要是从其用途上进行的定义， 普遍认为嵌入式系统足以适合应用为最终目的，因而软硬件均呵裁减，是属 于专用性较强的计算机系统。它具有系统精简，软件实时性要求较高，开发 需要专门的环境和工具等特点。嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器， 包括：微控制器、d s p 处理器、片上系统s o c 等等：软件则一般由嵌入式操 作系统和应用软件组成，而且嵌入式系统的操作系统内核通常比普通内核小 巧，与应用软件结合更紧密而没有明显的界限。 5 1 嵌入式系统应用范围极广， 如工业控制、信息家电、智能管理、交通指挥、网络及电子商务、环境检测、 机器人等众多领域都有应用。 嵌入式操作软件及其应用软件的共同特点是：软件固化存储在存储器芯 片或微处理器片内，而不是存储于磁盘等载体中，软件代码的高质量、高可 靠性，系统软件的高实时性和多任务操作要求。目前常使用的代表性的嵌入 式操作系统是l i n u x ，它源于u n i x ，代码开放，内核小，运行稳定可靠。用 户可对它进行修改，以适合自己的特定应用，而且能够得到广泛的支持，许 多厂商投入相关软件以及多种外围硬件设备驱动程序开发，也使l i n u x 的功 能和完整性r 益提高。用户开发软件的成本相对较低。l i n u x 操作系统还能提 供对大多数硬件平台的支持，拥有完整的工具链，方便用户建立开发环境。 l i n u x 内核结构在网络方面也比较完整，在图像处理和多任务支持等方面也表 现出色。【4 l 考虑到l i n u x 本身开放性的架构和弹性，可针对数字视频监控应用量身 定做，去除与监控无关的多余功能，在提升系统效率的同时，也减少了出问 四川大学硕 学位论史 题的机率。它针对网络应用设计，支持t c p i p 协议等多种标准，能适f 新一 代视频监控网络通信的需求。因此，本嵌入式视频监控服务器设计为采用 l i n u x 操作系统。 2 。2 系统总体结构 一个典型的数字式视频监控系统的前端由以下几部分组成：成像、视频 压缩、视频存储和传输。其中成像部分可以是“模拟摄像机+ d ”，即影像 经过镜头后光电转换，成为模拟视频，例如n t s c p a l 等制式的模拟复合视 频，再经由视频采集成为标准数字视频，如丌u 6 0 1 6 5 6 等；也可以采用近年 来迅猛发展的数字摄像机。它们之问的区别只是具体实现的不同。然后对数 字视频进行压缩，例如编码成为m p e g 等标准的码流。其后则可以对压缩视 频做本地存储和传输。整个流程如下图所示： 图2 1 视频监控系统前端结构 其中，嵌入式视频服务器毛要是实现传输模块，目前的一个发展方向是 倾向于将前端的完整功能集中到一个系统中，即成为一体化的嵌入式网络摄 像机，它包含镜头、光学过滤器、图像传感器、图像数字化转换，压缩模块 以及控制传输模块等，是集成度更高的视频监控前端设备。 朋川大学硕 学位论之 2 3a r m 核的微控制器简介 本系统采用的硬件核心是a t m e l 公司制造的a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器，它 是在a r m 处理器的基础上集成多种外围设备的一款多用途芯片。在此先简要 介绍一下a r m 处理器，然后说明片上集成的其他功能。 a r m 是a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ( 高级精简指令集机器) 的首字母缩写。 a r m 公司1 9 9 0 年在英国剑桥成立，它向世界顶级半导体公司出售芯片技术 授权。因其技术优越而被厂商广泛接受。它的全球技术合作伙伴包括领先的 半导体公司、实时操作系统( i 盯o s ) 开发商、电子设计自动化( e d a ) 和工 具供应商，以及应用软件公司等。领先的技术和增多的合作伙伴使得应用 a r m 的产品在制造和支持上获得便利，整个系统成本降低，进入市场时间快， 因而竞争力明显。目前，a r m 技术i p ( i n t e l l e c t u a lp r o p e r t y ，知识产权) 核 的产品在很多领域取得成功，如：无线设备、巨联网、消费电了二、汽车、影 像、储存等。 迄今为止，a r m 处理器已发展了多个系列和版本，用以适应不同的市场 需求。其中a r m 9 系列的处理器又包括a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 和a r m 9 4 0 t 三种类型。a r m 9 2 0 t 处理器是基于a r m 9 d t m i 核( c o r e ) 的a r m 体系结 构v 4 t 版本( a r ma r c h i t e c t u r ev 4 t ) ，集成两个协处理器c p l 4 和c p l 5 ，并 且增加了c a c h e 和m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 。a r m 9 d t m i 核采用哈 佛结构( h a r v a r da r c h i t e c t u r e ) ，数据和指令总线分离，数据传输和取指可同时 进行，实现5 级流水线( f i v e - s t a g ep i p e l i n e ) ：取指、译码、执行、数据存储 器读、寄存器写。版本的升级意味着指令集功能的扩展，相同版本则应用软 件兼容。v 4 t 除拥有3 2 位指令长度的a r m 指令集版本4 外，还拥有1 6 位指 令长度的t h u m b 指令集版本1 ，可以得到密度更高的代码。1 6 1 a r m 9 2 0 t 的主要特点如下：1 7 1 1 8 1 基于a r m 9 d 1 m i 核，a r m 体系结构v 4 t 版本 两个指令集：3 2 位商性能a r m 指令集，1 6 位高密度t h u m b 指令集 5 级整数流水线结构 1 6 k b 的数据c a c h e ，1 6 k b 的指令c a c h e ，写缓冲 标准v 4 t 版本的m m u 6 四川夫学够 学位论文 3 2 位宽数据总线 a r m 9 2 0 t 功能框图如下：i $ 1 图2 2 a r m 9 2 0 t 处理器核功能框图 a t 9 1 r m 9 2 0 0 就是基于a r m 9 2 0 t 处理器的，它围绕a r m 9 2 0 t 构建了完 整的3 2 位片上系统s o c ( s y s t e m o n - c h i p ) ，整合了丰富的系统资源和外围 设备，提供标准的接口除了具有以上a r m 9 2 0 t 处理器的特性外，还具有 如下特点：1 9 1 a r m 9 2 0 t 处理器核心，在1 8 0 m h z 下运行处珲能力达2 0 0 m i p s ( 百 力条指令每秒) 全功能存储器管理单元m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) ，存取控 制，将c p u 生成的虚地址转换成物理地址 1 6 k b 的数据c a c h e ( d a t ac a c h e ) ，1 6 k b 的指令c a c h e ( i n s t r u c t i o n c a c h e ) ，写缓冲 i c e ( m - c i r c u i te m u l a t o r ) 单元包含d e b u g 通道，可供调试 e 1 m ( e m b e d d e d t r a c em a c r o e e l l ) 实时追踪指令和数据运行情况 1 6 k b 的内部s r a m 和1 2 8 k b 的内部r o m 四川大学硕 学位论文 外部总线接口e b i ( e x t e r n a lb u si n t e r f a c e ) ，集成s r a m 、s d r a m 、 b u r s tf l a s h 三种存储控制器( m e m o r yc o n t r o l l e r ) ，支持外部s r a m 、 s d r a m 、b u r s tf l a s h ，以及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 df l a s h 的无缝连接 增强的时钟脉冲产生器( c l o c kg e n e r a t o r ) 和电源管理控制器p m c ( p o w e rm a n a g e m e n tc o n t r o l l e r ) 两个片内锁相环( p l l ) 振荡器 带周期中断的系统时钟，看门狗和计数器 四个可编程外部时钟信号 带有八个优先级、可单个屏蔽中断源、s p u r i o u s 中断保护的中断控制 器 七个外部中断源和一个快速中断源 四个3 2 位的p i o 控制器( p a r a l l e li oc o n t r o l l e r ) ，最大可达1 2 2 个 可编程i o 引脚，各引脚均有输入控制、可中断及漏极丌路能力 2 0 通道的外部数据控制器( d m a ) 标准1 0 1 0 0 m 以太网m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l l e r ) 接口，集成 2 8 b y t e s 的f i f o s 和d m a 传输专用通道 多媒体卡接口m c i ( m u l t i m e d i ac a r di n t e r f a c e ) ，支持m m c 等多媒 体卡 两个全速( 每秒1 2 m b i t s ) 的u s b2 0 主接口和一个从接口 四个u s a r t ，支持s c 卡( s m a r tc a r d ) ，r s 4 8 5 和i r d a ，带有全速 m o d e m 控制器 主从串行外围接口s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a ll m e r f a c e ) ，8 或1 6 位数据宽 可编程，可选择达4 个外部芯片 3 通道1 6 位的定时计数器( t c ) 两线接口t w i ( t w o - w i r ei n t e r f a c e ) ，支持e e p r o m i e e e1 1 4 9 1j t a g 标准边界扫描接口 电源供给：核心和晶振电压1 6 5 v 至1 9 5 v ，存储器和外设i o 电压 1 6 5 v 至3 6 v 四l l l 大学修t 学位论史 提供p q f p 和b g a 两种封装形式 2 4 硬软件框架和开发流程 硬件平台以a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器为核心构建，配备s d r a m ，d a t a f l a s h ， e e p r o m 。u s b 主从接口，串行通信接口，j t a g i c e 和串行调试接口，以太 网接口等，完成视频通过网络实时传输的功能。 软件设计由如下几部分组成： ( 1 ) 引导程序。完成设备的初始化，实现系统启动时l i n u x 内核镜像和应 用程序的加载，随后将控制权移交给操作系统初始程序。 ( 2 ) l i n u x 操作系统内核。用户和机器之间的接口，管理所有硬件资源， 可按应用需求做钱减，加载和卸载部分模块。实现t c p i p 协议栈，本系统是 传输层u d p 、网络层i p i c m p 、数据链路层a r p 。 ( 3 ) 设备驱动程序。实现操作系统内核与外设的交互，向内核提供接口函 数集供内核调用。对于本系统主要是网络设备驱动程序，网络设备发送和接 收的数据包经协议包装，和内核的网络协议处理程序直接交互。 ( 4 ) 应用程序。主要是实现视频数据网络传输。 软件开发过程是首先在基于i n t e lx 8 6 系列c p u 的通用p c 机上建立交叉 编译环境，使用l i n u x 操作系统和g n u 工具链，编写程序后进行交叉编译， 生成目标平台为a r m 微处理器上的可执行二进制代码，再通过串口或网l 】下 载到目标平台特定位置运行。 嵌入式开发的调试方法较多，可以在目标机上进行，也可以在上位机的 交叉调试环境中进行，但都离不开和上位机的通信。使用目杯系统处理器测 试程序时，通过调试端口收发信息；l i n u x 系统内核调试则通常在上位机，然 后移植到目标系统：一些应用程序的调试还可在目标系统中设霄调试服务器。 通过它与上位机的调试器共同完成调试。 软件工程方法同样适于嵌入式系统的开发和测试过程。其硬件测试需要 使用号门的测试仪器；对于嵌入式软件测试，在测试的各个阶段也有通用的 策略：单元测试可以在主机环境上进行，通过尽可能小的目标单元访问所有 目标指定的界面，但也不排除直接在目标环境进行单元测试的情况。因为兰 9 四川大学妒t - 学位论史 机平台上运行测试速度比在目标平台上方便和快速，当在主机平台完成测试， 再在目标环境上重复确认，以发现未知的情况。软件集成测试也可在 机环 境完成，在主机平台模拟目杯环境运行，并在目标环境上重复测试，可以确 定一些运行环境上的问题，如内存定位和分配上错误等。对于与目杯环境祸 合紧密嵌入式系统和划分为多个级别的集成，则依赖于目标环境的测试更为 常见。最后，系统测试和确认测试必须在真实的目标环境下进行。 开发过程的流程如下图所示： 图2 3 开发流程图 四川大学幼t 学位论史 3 系统硬件设计 3 1 硬件设计综述 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器片上资源比较丰富，本系统着重f 嵌入式视频监 控服务器的核心模块设计，实现程序运行的基本硬件环境、网络传输硬件和 调试的基本接口。a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器还拥有其他众多片上资源，可作为 将来系统功能扩充之用。为此目的，硬件电路主要由以下几部分组成：电源 电路、微控制器外围电路、s d r a m 存储器电路( e b i ) 、d a t a f l a s h 存储器电 路( s p i ) 和e e p r o m 电路( t w i ) 、以太网接口电路、串行接口( u s b 主从 设备接口、串行d b g u 端口、r s 2 3 2 通信端口) 。 围绕a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器设计与各个模块相连的电路。由片内p i o 控 制器控制可编程并行i 0 口，四组端口p a 、p b 、p c 、p d 的各引脚复用作不 同用途。本系统使用了其中一部分，用作d a t a f l a s h 、e e p r o m 、串口d e b u g 通信、串口r s - 2 3 2 通信等等，提供所需要的信号。外部总线接口e b i 集成了 s r a m 、s d r a m 、b u r s tf l a s h 三种控制器，e b i 的3 2 位宽数据总线d 0 - - - d 3 l 和2 6 位地址总线a 0 - - a 2 5 ( 最大支持6 4 m 外部存储空间) 可直接和外部 s d r a m 连接，与b u r s tf l a s h 、s m a r t m e d i a 卡、各扩展槽相连则还需缓冲电 路驱动。本系统扩展3 2 m b 的s d r a m 即可满足需求。操作系统和应用程序 位于非易失( n o n v o l a t i l e ) 存储器d a t a f l a s h 中，通常都采用串行s p i 工作方 式完成系统启动时的加载。考虑到引导程序( r o m b o o t ) 的备用存储需要， 系统配置了一片e e p r o m 通过t w i 接口连接到微控制器。以太网接口电路 主要由a t 9 1 r m 9 2 0 0 的m a c 控制器和物理层接口两部分构成，还需使用一 片物理层接口芯片完成网络传输。i c e j t a g 方式的调试足开发嵌入式系统常 用的，因为微控制器片内集成i c e 单元，外围电路呵以大大简化，因此也配 置了j t a g 调试口。为满足本地存储需要，设计了u s b 主设备接口电路。还 设计了通过d b g u 串口电路和u s b 从设备接口电路供下载数据和调试，以及 阴大学硕十学位论之 和p c 机问的进行通信的工业中应用最广泛的r s 2 3 2 串行接口。 系统总体硬件结构如f 图所示： 模 图3 1 系统总体硬件结构框图 硬件电路设计质星主要通过选择可靠元器件，设计隔离电路等方式保证。 如采用工业级芯片对电磁干扰和温度范围有较好的适应性，对网络输出采用 网络变压器磁祸合方式隔离，电源输入外接去耦电容高频滤波等。 3 2 电源电路设计 微控制器使用两种电源：核心、晶振和p l l ( v d d c o r e 、v d d o s c 和 v d d p l l ) 需1 8 v 供给：外设i o 和存储器i o ( v d d i o p 和v d d i o m ) 需 3 3 v 供给。另一些外围设备，如u s b 主设备电路，需要5 v 电压供给。因此 系统有三种等级的供电需求：1 s v 、3 3 v 和5 v 。图3 2 表示了电源电路的3 3 v 和1 8 v 部分，5 v 部分与此相似。 四川大学硕士学位论文 掰 c 7 c 晰拼 图3 2 电源电路 d c d c 转换采用两片m a x i m 公司的高效率变换控制器m a x l 6 2 6 ，适应 负载电流在l m a 至2 a 变化，输入电压可高达1 6 5 v ，因外配c ，d c 变压器 将2 2 0 w 5 0 h z 的市电转为1 2 v 5 0 0 m a 的直流输入给系统，m a x l 6 2 6 的输入 电压完全满足需求，其输出电压为5 v 和3 3 v ( 通过三5 引脚高低电平选择) 。 再将3 3 v 的电压输出作为t p s 7 7 6 1 8 d 稳压器的输入，得到1 s v 的电压输出。 两片i r f 7 4 2 5 是p 沟道功率m o s f e t ，搭配m a x l 6 2 6 使用，输出较大的工 作电流，且开关速度高( 纳秒级) ，开关损耗小。为防止其外接电感负载时， 在截止瞬间产生感应电压与电源电压之和击穿m o s f e t ，其漏极与源极之间 内接有一个快速恢复二极管。所有器件均为小型贴片式封装，功耗低，适合 嵌入式应用场合。为了防止电路各部分供电电压因负载变化而产生变化，在 电源的输出端及负载的电源输入端多处使用了2 2 0 u f 的电解电容，用以消除 输入输出的峰值影响，并在其两端并联容量为o 1 l i i f 的陶瓷电容，以滤除高 频及脉冲干扰。 四川大学硕士学位论文 3 3 微控制器外围电路设计 围绕a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器设计与各个模块相连的电路。由片内p i o 控 制器( p a r a l l e li oc o n t r o l l e r ) 控制并行i o 口，四组端口p a 、p b 、p c 、p d 的各引脚复用作不同用途。本系统使用了其中一部分，用作u s b 设备、串口 d e b u g 通信、串口r s 一2 3 2 通信等。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 ) 集成了s r a m 、s d r a m 、b u r s tf l a s h 三种存储控制器( m e m o r yc o n t r o l l e r ) ， e b i 的3 2 位数据总线d 0 d 3 l 和2 6 位地址总线a 0 - - a 2 5 ( 最大支持6 4 m 外 部存储空日】) 可直接和外部s d r a m 连接，与b u r s tf l a s h 、c f 卡、各扩展槽 相连则还需缓冲电路驱动。本系统扩展s d r a m 即呵满足需求。 装慨 d n l 8 舟删牛鼍： 黧c23 1 0 1 ；j - p l l 靴b x o l n c 2 4 i 。o p f r 一- q 冒 3 2 眦 i i丁肿 ) 0 一s f 习蜊牛等 考枯0 0 n , n d o c a 谷享孑态= 多 1 巳剿= 淹。 c 3 46 8 0 0 f ：i i it 哼= ； k ；苌甾零趟趟； 除衰，。奇措料辞 图3 3 微处理器局部电路 四大学顾十学位论文 图3 3 显示了微拧制器的晶振、p l l 、电源和接地引脚的局部连线情况， 主晶振采用k o n y 公司1 8 4 3 2 m h z 的h c 4 9 s u b ，时钟晶振采用c i t i z e n 公司 3 2 7 6 8k h z 的c m 2 0 0 s ，配以微调电容，构成稳定的自激振荡器。p l l 单元同 步内部时钟信号和输入参考时钟，需要一个r c 滤波器。其中跳线j 2 ( j u m p e r 2 ) 用于将微控制器连接到电源。 c 2 9 图3 4r e s e t 电路 图3 4 是复位电路，使用一片m a x i m 公司的r e s e t 芯片m a x 6 3 9 0 ，3 3 v 电压供给，当r e s e t 钮按下时触发丛引脚低电平，在堕墨基i 引脚产生一 个复位信号给微控制器。为保持微控制器稳定运行不意外重启，堕s 基i 引脚 另需外接一个l k 的上拉电阻。 3 4e b i 接口存储器设计 a t 9 1 r m 9 2 0 0 微控制器片内集成了1 6 k b 的s r a m ，本系统使用它加载 引导程序，但这对大多数应用是不够的，通常还需要配詈外部存储器。同步 动态随机存储器s d r a m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m ) 是最常使用的，它与 系统总线速度同步，即与系统时钟同步工作，和异步d r a m 相比，避免了不 必要的额外等待周期，减少数据存储时间，可加快数据的传输速度。而且价 格比较低廉。在系统工作时，所有的程序和数据部是在r a m ( 主要是在 s d r a m ) 中运行，与c p u 和外围设备交互，所以s d r a m 的速度对于整个 系统的运行速度有着至关重要的影响。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的e b i 内置了s d r a m 控制器，具备足够驱动能力，无需再配置驱动电路，为简化电路设计提供了 四川大学顾十学位论文 很大的方便。e b i 提供1 6 位或3 2 位的外部数据总线，2 6 位地址总线最多u 寻址6 4 m b 外部地址空间，多达8 个片选没置。m t 4 8 l c 8 m 1 6 a 2 t g 8 e 是 m i e r o n 公司的一款高速c m o s 动态随机存储器，1 2 8 m b i t 容量，1 6 位数据宽 度( 2 m e g 1 6 4 b a n k s ，标记为8 m x1 6 ) ，工作频率为1 0 0 m h z ，存取访问 时间6 n s ，突发读写长度( r e a d o r w r i t eb u r s t l e n g t h s ) 可编程设置，工作 电压3 3 v ，动态刷新时间6 4 m s ( 4 k 时钟周期) ，内部带有刷新计数器。系统 采用两片m t 4 $ l c s m l 6 a 2 t g 一8 e ，构建3 2 m b 存储空间，其中一片的电路如 图3 4 所示，另一片与之类似( 仅数据线为d 1 6 - - d 3 1 ) 。 图3 5e b is d r a m 存储器电路 设计为3 2 位宽数据总线：e b i 数据线的d 0 - - d 1 5 和d 1 6 - 一d 3 1 分别连至 两片的1 6 位宽数据引脚。单片的4 个b a n k 寻址由两根地址线a 1 6 、a 1 7 实 现，行寻址由1 2 根地址线a o a l l 寻址4 k 空间，列寻址由地址线a o a 8 寻 址5 1 2 空日j 。扩展外部s d r a m 共3 2 m b y t e 。 四川大学顾卜学忙论文 3 5s p i 接口存储器设计 嵌入式系统中常使用d a t a f l a s h 存储器作为海璧存储需求，其功用大抵相 当于台式机的磁盘。本系统用它来存放启动程序、操作系统内核以及应用程 序。因为d a t a f l a s h 存储的程序在系统启动后就加载到r a m 中运行，所以在 系统运行期间，除仞始设置等操作外，微控制器几乎不需与d a t a f l a s h 交互， 因而对于d a t a f l a s h 的访问速度没有太高的要求，通常都采用串行工作方式即 能够完全满足应用需要。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的串行外设接口s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a l i n t e r f a c e ) 提供与外部串行设备的通信，可连接多达1 5 个外部设备，若有外 部处理器连接到系统，也通过s p i 进行处理器间通信。这哩d a t a f l a s h 作为微 控制器的从设备。 选用a t m e l 公司生产的一片a t 4 5 d b 6 4 2 双接口d a t a f l a s h 存储器，它具 有如下主要特点： 2 7 v 3 6 v 电压供电。 双接口结构：支持串行( s p i ) 和并行( p i o ) 两种接口模式。串行工 作时钟最大町达2 0 m h z 。 支持页面编程操作。擦除和再编程仅需一个时钟周期。共8 1 9 2 个页 面，每页1 0 5 6 字节，共6 4 m b i t s 容量。 支持页面和块的擦除操作。 含两个1 0 5 6 字节的s r a m 数据缓冲区。在对其编程操作的同时可以 接收数据。 低功耗。读取状态电流为4 m a ，等待状态电流仅2 u a 。 快速页面编程。典型时间为i 5 m s 。 支持硬件数据保护特性。 四j f f 夫学妒卜学位论文 m i 铆芤百、： # e ：r、： 上靼墨 冉p ci o - 、：俄 丫“ ： c c 慧，j | | 盘 0 m 0 r 2 e i o o k 毒 、： 让：5 0 i ： 、：腆 、：线 tul ，ci o 1 0 c ：s s o ：rtg t 皇e o ；# s c “c l h ，c s幢 鬟 ： i s ， s o、： 图3 6s p d a t a f l a s h 存储器电路 电路的设计见图3 6 。a t 9 1 r m 9 2 0 0 的p a 口引脚m o s i ( m a s t e r o u t s l a v e i n ) 和m i s o ( m a s t e ri ns l a v eo u t ) 分别与a t 4 5 d b 6 4 2 的s i 和s o 连接，作 为数据传输通道；n p c s 0 引脚与a t 4 5 d b 6 4 2 的片选信号引脚盟相连