（计算机系统结构专业论文）基于xscale+pxa270与windows+ce的心电仪系统设计与实现.pdf

中文摘要 中文摘要 心血管疾病是目前对人类危害最大的一种疾病，而心电图是检查，诊断和预 防该类疾病的重要手段和依据。 本文介绍了一种基于x s e a l ep x a 2 7 0 微处理器和w m d o w sc e 操作系统的嵌 入式心电仪设备后端数据处理及显示平台的设计与实现。通过高性能的微处理器 和嵌入式操作系统的支持，我们开发的系统具有操作界面友好，性能强大，外围 设备支持丰富及可扩展性高的特点。 根据此嵌入式心电仪系统的开发过程，本文共分为了三部分来论述： 首先，论文从嵌入式系统的特点入手，介绍了系统硬件的选型、总体设计及 各个模块设计，并且对p x a 2 7 0 微处理器的特性做了详细的分析。 其次，本文介绍了嵌入式操作系统的特点，并详细阐述了如何对w i n d o w sc e 嵌入式操作系统进行裁剪，以符合本系统的要求。 最后本文介绍了在w i n d o w sc e 操作系统下的软件开发方法，并对心电图仪应 用程序的总体设计和模块实现等进行了详细的介绍。 在文章的结尾给出了此心电图仪的测试运行效果。 关键词：心电图仪；x s c a l e ：p x a 2 7 0 ；w i n d o w sc e ：e v c 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t h e a r tp a t i e n t sw i t hc e r e b r o v a s c u l a rd i s e a s ef i r et h em o s td a n g e r o u sd i s e a s e , w h i c h c a r l 蠲u r oh e a l t hd e e p l y t h ee l e c 拄o c a r d i o g r a mi st h em a i nm e t h o da n db a s i st oc h e c k , d i a g n o s ea n dp r e v e n tt h ed i s e a s e t h et h e s i si n t r o d u c o st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fe c gb a s e do l lx s c a l e p x a 2 7 0p r o c e s s o ra n dw i n d o w sc eo s w i t ht h eh i g h - p o w e r e dm i c r o p r o c e s s o ra n d e m b e d d e do s ，t h ee c gh a sak i n do p e r a t i o ni n t e r f a c e , h a n d l e st h er e q u i r e m e n t so f h i 咖 p e r f o r m a n c e , s u p p o r t sp l e n t yp e r i p h e r a le q u i p m o n t sa n d 删d 器h a n d ye x t e n s i b i l i t y t h et h e s i si ss e p a r a t e di n t ot h r e ep a r t st od o s c r i l mt h ef e a t u r eo f o u re c gs y s t e m f i r s t l y , b e g i nw i t ht h ef e a t u r eo ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h e s e l e c t i o no ft h es y s t e mh a r d w a r e , g e n e r a la n dm o d e ld e s i g na n dad e t a i l e da n a l y s i st o t h ef e a t u r eo f x s c a l ep x a 2 7 0p r o c e s s o r s c c e n d l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h ef e a t u r eo ft h ee m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m , e x p l a i n sh o wt oc o n f i g u r et h ew i n d o w sc eo si ns o l n cm c a s u l ef o ro u rs y s t e m r e q u i r e m e n t f i n a l l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tb a s e do nw i n d o w sc eo s ， e x p l a i n st h ed e v e l o p m e n to f t h ee c g i nd e t a i l a tt h ee n do ft h et h e s i s ，w es h o wt h et e s tr e s u l to ft h ee c gs y s t e mb ys e n d i n g s i m u l a t i o nd a t a k e y w o r d s ：e l e c t r o c a r d i o g r a p h ：x s c a l c ；p x a 2 7 0 ；w m d o w sc e ：e v c c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： - d 、观施 签字日期： 0 年l 工日j 日 导师签名： 协焦和】 签字日期：。7 年位月2 7 日 独创性声明 独创性声明 本人声明所争交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除 了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。也 不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的 同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 致谢 毕业将至，在论文完成之际，我要对在我求学期间帮助关心过我的老师、家 人、同学、朋友们表示深深的谢意! 本论文是在我的导师周洪利老师的悉心指导下完成的。本论文从选题、撰写、 字斟句酌的修改，一直到最后定稿，倾注了周老师大量的心血。他渊博的知识、 严谨的治学态度、科学的工作方法和精益求精的工作精神给了我极大的帮助和影 响，使我受益匪浅。 在两年半的研究生学习期间，周老师在生活、科研两方面，都给予我无微不 至的关怀。在我学习和课题研究遇到困难时给予我耐心指导，为我提供了难得的 学习和锻炼机会，使我在理论水平和实践能力方面都得到了很大的提高，在此衷 心感谢周老师对我的关心和指导! 陈连坤老师在我攻读硕士研究生期间给予我无私的帮助和悉心的指导，在此 也表示衷心的感谢! 张小栋同学负责本项目心电信号滤波算法的开发，崔晓琳同学负责心电信号 采集模块的开发。在开发过程中，我们互相学习，一起探讨项目中的难点，共同 进步。另外在撰写论文期间还得到了许晓瑛同学的大力帮助，在此一并感谢! 最后还要感谢我的家人，感谢他们一如既往理解和支持，使我能够顺利完成 学业。 1 1 课题背景 1 绪论 随着社会的快速发展，现代人们生活步伐的加快，使得人们的生活变得越来 越没有规律，同时养成了许多不良的生活习惯，这些都导致了当前心血管疾病的 频发。 根据世界心脏联盟于的分析预计，2 0 2 0 年全球心血管病死亡率将增加5 0 ， 心肌梗死和脑血管病将从目前死因排行榜的第5 位和第6 位上升至第1 位和第4 位。同时预计到2 0 2 0 年，全球心血管病死亡人数将高达2 5 0 0 万人，其中1 9 0 0 万 发生在发展中国裂”，这将给这些国家的卫生保健和卫生资源带来沉重的负担。为 唤起公众对心血管疾病及高血压、肥胖、缺乏运动、营养失衡、吸烟等危险因素 的关注，世界心脏联盟规定自2 0 0 0 年起将每年9 月的最后一个星期日定为世界心 脏日，2 0 0 7 年9 月3 0 开世界心脏日的主题是“健康家庭，和谐社会”。 在我国，因心脑血管疾病死亡人数约占总死亡人数的4 4 ，很多病人是由于 未及时发现病变延误了治疗而最终导致死亡。倘若我国心脑血管病发病率下降 1 0 至2 0 ，每年将挽救2 1 到4 2 万人的生命，使1 5 到3 0 力人免于残疾。如对心 血管疾病及时加以预防和诊治，对减少因心脏病而造成的生命和物质财产的损失， 无疑具有重要的意义。 心电图仪是记录心脏活动的专用仪器。每个人的心脏肌肉在收缩之前，都产 生一股微小的生物电流。这些电流可经过导电的体液传到身体表面的皮肤上，使 体表的不同部位产生不同的电位。通过在体表的固定位置上放置两个电极并分别 用导线连接到心电图机的两端，它就会根据电激动的时间顺序将体表两点问的电 位经过放大后记录或显示出来，形成一条有波形的连续曲线。通过观察这些曲线 就可以对心脏的一些疾病做出诊断。 目前世界上各大医疗器械厂商，如飞利浦、茜门子和通用医疗等，都在心电 图机的开发上投入了大量的资源，并且都开发出了各具特色的心电仪产品。但是 这些心电仪产品价格都十分昂贵，只有一些有实力的医院才有能力购买，对于一 些规模有限的医疗机构则是沉重的负担。同时这些心电仪产品过于精密和庞大， 不便于携带，这给一些突发性的急救任务、野外救援和战场救护等带来了困难。 市场上对性能高、成本低、操作方便、便于携带的心电图仪有巨大的需求。 1 。2 心电仪发展现状 目前市场上的心电仪产品主要采用了前端和后端的方式实现。前端采用单片 机实现心电信号数据的采集，通过数据线连接到后端进行数据的分析和显示。 同时心电仪产品也在朝着小型化、智能化和集成化的方向发展。它们把数据 采集、数据处理和显示集成在同一个设备中，这方面的产品有北京福田电子医疗 公司的f c p 系列和惠州科美思公司的e c g 系列，如图1 1 和图1 2 所示。 图1 1f c p - 7 1 0 1 产品样图 图1 2e c g - 1 2 2 0 产品样图 这些心电仪产品在内部集成了前端数据采集和后端数据处理两个模块。由于 这些产品后端数据处理使用了数字信号处理器( d s p ) 等芯片，所以结构比较复杂， 成本也较高。并且它们的液晶屏显示较小，数据查看不方便。我们希望能够开发 出一种结构简单，成本较低，操作方便，并且支持大液晶屏显示的心电仪产品。 1 3 本文的研究目标及内容 2 根据以上介绍的一些心电图仪的特点，结合当前心电仪设备的发展趋势，我 们希望开发一款具有以下功能的心电图仪： ( 1 ) 较高的性能。由于心电图仪要进行实时的数据滤波、波形绘制和操作控 制等工作，所以对系统微处理器的处理能力提出了比较高的要求； ( 2 ) 具有大容量的数据存储空问。由于心电图仪要对病人进行长时间的监控， 并且采集到的数据需要长时间的保存，所以有大量的数据需要存放； ( 3 ) 良好的便携性。体积小、便于携带的心电图仪对于某些突发性的心脑疾 病具有重大意义，所以心电仪设备的小型化是目前的一大趋势； ( 4 ) 能够对导联进行控制。要求能够支持多路导联，并对各个导联进行控制； ( 5 ) 操作友好简单。为了增强显示效果，要求采用大屏幕的业绩显示。同时 操作方式上也要简便； ( 6 ) 可扩展性高。良好的可扩展性可以为系统的功能扩展提供支持。 本论文描述的心电仪采用了前端和后端的方式实现。其中前端的数据采集平 台采用了基于c 8 0 5 1 f 系列微控制器的独立系统，由其他同学完成，所以这里不做 论述。本文将对心电仪设备后端数据处理及显示平台的设计与实现进行介绍。本 文包括了以下三个方面的内容： ( 1 ) 硬件模块设计。详细介绍了基于p x a 2 7 0 微处理器的各个硬件接口模块 的设计； ( 2 ) 嵌入式操作系统w i n d o w sc e5 0 的定制。介绍了如何定制w i n d o w sc e 5 0 操作系统，为p x a 2 7 0 微处理器提供底层的支持； ( 3 ) 应用程序的开发。介绍了w i n d o w sc e 环境下的应用程序开发环境，以 及心电仪应用程序开发的详细过程。 最后本文给出了系统在模拟数据下的测试运行结果。 3 系统硬件设计 2 系统硬件设计 本系统的工作主要由三部分组成：硬件平台的设计、操作系统的定制和应用 程序开发。其中硬件平台的设计是此系统的基础。硬件平台的性能、可扩展性及 可靠性对后面的开发工作有着决定性的作用。 2 1 硬件总体设计 嵌入式系统的硬件设计是一个系统、复杂的过程。在此之前要进行认真、细 致的分析和研究。 2 1 1 嵌入式系统的硬件设计原则 嵌入式系统硬件设计方面需要多方面的考虑。为了使得硬件平台的设计更加 成熟，本系统的硬件设计尽量符合以下原则f 2 】： ( 1 ) 尽可能选择典型电路，设计尽量标准化、模块化： ( 2 ) 外围设备接口应充分满足系统的功能要求并留有适当余地，以便进行二 次开发； ( 3 ) 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会相互影 响，考虑原则是软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构； ( 4 ) 系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配，并尽可能选择低功耗产品； ( 5 ) 可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器 件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等； ( 6 ) 外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足会使得系统工作 不稳定，要增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载； ( 7 ) 尽量朝“单片”方向设计。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强， 功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性，所以要尽量使用集成的芯片。 2 1 2 系统设计目标及性能要求 心电仪设备在硬件上分为两部分：前端的心电数据采集系统和后端的数据处 理及控制系统。本论文论述的是后端的数据处理及控制系统，它负责数据的分析 和处理，并在液晶屏上显示心电波形，同时能够接受用户的交互操作。本系统的 4 系统硬件设计 总体设计原理如图2 1 所示 后端数据处理和控制 图2 1 硬件总体设计原理图 前端的数据采集系统负责采集心电信号，并通过串行总线把数据传送到后端 系统进行处理。 结合心电仪设备的特性，本文对后端的数据处理及控制系统提出了以下一些 性能要求。 ( 1 ) 前端心电采集系统以最高5 0 0 5 1 2 次秒的速率对心电信号进行采集，采 集精度为8 1 2 位，需采样8 1 2 通道，这样每秒的采样数据为： 最少：5 0 0 x 8 x 8 8 = 4 0 0 0 b s 最高：5 1 2 x1 2 8 8 = 6 0 0 0 b s 为了保证前端与后端的数据不丢失，两个系统之间必须采用波特率为 1 1 5 2 0 0 b p s 的串口速率进行通信，它理论上最高速率可以达到1 4 k b s ，这样才能 够满足要求。 ( 2 ) 接收到的心电采集数据需要进行滤波操作。滤波算法分以下两步进行： 第一步基线漂移。要进行三次加法和两次除法操作； 第二步5 0 赫兹工频干扰。要进行四次加法和一次除法操作。 这样对于8 通道的5 0 0 次采用需要进行( 3 + 4 ) x 4 0 0 0 次加法和( 2 + 1 ) x 4 0 0 0 次除法操作。滤波结束后要把心电波形绘制到液晶屏上这些操作对c p u 的计算 能力都有比较高的要求。 ( 3 ) 系统要求能够快速响应用户的操作，以增加系统的操作友好性，所以要 求系统支持图形界面操作。 ( 4 ) 由于系统有多个任务要求同时运行，所以必须采用支持多任务的微处理 器和嵌入式操作系统。 ( 5 ) 为了能够减少系统的体积，增加系统的便携性，本系统决定采用触摸屏 控制方式，这样可以减少控制按键，使得系统硬件布局更加简洁。同时为了具有 5 系统硬件设计 良好的可扩展，系统要能够支持多种外设接口。 2 1 3 系统的选型 通过对系统设计目标和性能要求分析后发现，低端的单品机无法满足本系统 的要求，所以本系统需要采用性能更为强大的3 2 位a r m 微处理器来实现。目前 市场上流行的a r m 微处理器众多，通过性能、价格及支持程度上的对比，本系统 决定采用英特尔公司的x s c a l ep x a 2 7 0 微处理器1 6 1 来设计。本系统基于p x a 2 7 0 微处理器的原理如图2 2 所示。 后端数据处理及控制板 i 瓣数| h u a l 盯 “= d 接口 l 据采集板l 触摸屏接口 网络接口+ +l a n 存储卡+ s d ，m m cu s bc l i e n t 调试接口+ j t a gu s b h o s t l c d 显示 触摸屏 u s b 主机 u s b 设备 幽2 2 系统接口原理图 同时，为了简化系统的硬件设计，本系统采用了分离式的方案，即把硬件平 台分为核心的c p u 板和实现各种接口的外设底板。核心c p u 板采用了北京奥尔斯 公司的p x a 2 7 0 e p 系统板，它集成了英特尔公司最新的p x a 2 7 0 处理器，最高频 率能够达到5 2 0 兆赫兹，性能上完全能满足本系统的设计要求。同时核心板上还 集成了丰富的外设接口，对外设接口板的设计提供了很好的支持，减少了开发难 度。 2 2 微处理器概述 英特尔公司的x s c a l ep x a 系列微处理器是基于a r m ( a d v a n c e dr i s c m a c h i n e s ) 技术开发的高性能微处理器。 a r m 公司1 9 9 1 年成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前， 采用a r m 技术知识产权( p ) 核的微处理器，即通常所说的a r m 微处理器，已遍 及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统、军用系统等各 类产品市场世界各大芯片厂商几乎都取得了a r m 公司的授权，比如三星、德州 6 系统硬件设计 仪器、飞利浦、英特尔等。由于a i t m 公司独特的授权经营方式以及a r m 架构高 性能低功耗方面的巨大优势，a r m 处理器在市场上取得了巨大的成功，目前已经 占领了了3 2 位r i s c 微处理器7 0 以上的市场份额【_ 丌。 采用r i s c 架构的删微处理器一般具有如下特点： ( 1 ) 体积小、低功耗、低成本、高性能； ( 2 ) 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 1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高： ( 6 ) 指令长度固定。 2 2 1x s c a l ep x a 系列微处理器简介 x s c a l e 是一个功耗低、高伸缩性的架构，其最大的优势就是核心频率可以高 速的提升，在发布的伊始就开发出频率高达4 0 0 m h z 的版本。此外x s c a l e 还整合 了英特尔公司特有的多媒体指令集一- - w i r e l e s sm m x 。这种指令集与桌面处理器 的多媒体指令集类似，是一种6 4 b i t 的精简指令，通过这些多媒体指令可以大大的 优化视频播放、3 d 图像显示、音频处理等应用，同时也会大大降低程序开发者的 开发难度，从而加快开发进度。 英特尔公司基于x s c a l e 架构的微处理器共有三个系列，包括p x a 2 5 x 、p x a 2 6 x 以及最新的p x a 2 7 x 。 其中p x a 2 5 x 是最早一代的产品，其工作频率为2 0 0 、3 0 0 、4 0 0 m h z ，使用 o 1 8 微米工艺制程、整合3 2 k b 的指令缓存，3 2 k b 数据缓存以及多媒体流数据专 用2 k b 缓存；最高支持2 5 6 m b 的内存、整合双通道p c m c i a 、c f 卡控制器、 m m c s d 控制器；整合l c d 显示控制器、a c 9 7 音频、u s b 接口、红外接口、蓝 牙接口；产品采用2 5 6 针的p b g a 封装，核心大小1 7 1 7m m 。 p x a 2 6 x 是为了弥补p 心5 x 的不足而开发的产品，这款产品最大的特点就是 整合了f l a s h 芯片。p x a 2 6 x 有两个版本，一个版本整合1 6 m b 的闪存( p x a 2 6 1 ) 另外一个版本整合3 2 m b 的闪存( p x a 2 6 2 ) ； 最新的p x a 2 7 x 代号为b l l l 甜“。相比原来的x s c a l e 架构，b u l v e r d e 处理 器提高了多媒体处理的效率，同时优化了处理器的功耗，此外添加了众多针对移 动终端设备的功能。p x a 2 7 x 系列微处理器最重要的三个技术特点就是：q u i c k c a p t u r e ( 快速拍摄) 、w i r e l e a ss p e e ds t e p ( 无线动态节能) 和w i r e l e s si v l m x ( 无 线l v l l v l x 指令) 7 系统硬件设计 2 2 2p x a 2 7 x 系列微处理器特性简介 p x a 2 7 x 系列处理器是一款为高性能、低功耗、便携式、手提式设备设计的片 上系统( s o c ) 微处理器，并且是被设计为与i n t e lp x a 2 5 x 处理器高度向后兼容。 图2 3 为它的结构示意图f l o l 。 图2 3p x a 2 7 x 处理器结构示意图 p x a 2 7 x 系列微处理器结合了英特尔公司x s c a l e 架构的电压和频率动态可调 技术，还有灵活的电源管理技术，能够提供业界领先的百万指令，毫瓦( m m 咖w ) 性能。它兼容a r mv 5 t e 指令集架构( 浮点指令除外) ，并符合a r m 编程模型。 同时p x a 2 7 x 处理器在音频、视频加速应用方面也支持英特尔公司的无线m m x 指令集。 p x a 2 7 x 处理器也为手持式移动通讯设备提供了强大的支持，为第二代蜂窝式 移动通讯网络提供了一个可伸缩的双向数据接口。同时p x a2 7 x 终端设备的参考 设计中第一次把m e m s 射频前端模块整合了进去，真正的全数字化无线电手机第 一次变成了可能，并且这也意味着今后手机可能不在需要d s p 芯片从而真正的实 现全数字工作 8 系统硬件设计 为了增加存储器接口的设计灵活性。p x a 2 7 x 处理器支持多种类型的扩展存 储器。它也提供4 个6 4 k b 芯片内的页内存，可以用来存放程序代码或多媒体数据。 而且每一页都能配置在处理器处于低功耗模式时保持它的相关内容。一个集成的 l c d 控制器提供了最高8 0 0 x 6 0 0 的分辨率。允许l 、2 或4 位的灰度模式和8 或 1 6 位的彩色模式。2 5 6 个调色板提供了灵活的色彩映射。 p x a 2 7 x 处理器集成了多种类别的系统设备和外围接口使得它在低功耗设备 上有广阔的应用。 2 3系统核心板接口 本系统的核心采用了p x a 2 7 0 e p 系统，它是在p x a 2 7 0 微处理器的基础上附 加其它的外围芯片组成的。p x a 2 7 0 e p 核心板的原理如图2 4 所示【l i 】。 图2 4p x a 2 7 0 e p 核心扳原理图 它主要是由以下几个部分组成： ( 1 ) c p u ：i n t e lx s c a l ep x a 2 7 0 ，5 2 0 m h z ； ( 2 ) s d r a m ：6 4 m b y t e ： ( 3 )f l a s h ：3 2 m b y t e ； ( 4 ) 以太网：1 0 1 0 0 me t h e m e tc o n t r o l l e r ( l a n 9 1 c 1 1 1 ) ： ( 5 )s u p e l 良i o ：w i n b o n d8 3 9 7 7 ； ( 6 )c p l d ：x i l i n x9 5 1 4 4 ( 1 1 7u s e ri o ) 。 p x a 2 7 0 e p 核心板具有两个外部接口c o n i 和c o n 2 ，其中c o n l 为 s o d i m m 2 0 0 封装的2 0 0 管脚接口，c o n 2 为b t o b 1 0 0 封装的1 0 0 管脚接口， 通过这两个接口引出了图2 5 所示的外设支持 9 系统硬件设计 l a n f u s i m i g p i o l p a r a l l e l s d 厅加c p i 凸小：i ac a 啦r a l c d a c 9 7 u s b h o s t l d a 系统核心板 u s bc l 正n tc p l d 丌a k e y b o a r dc p l dg p i o m o u s e也c j t a g l f fu a r t i b t _ u a r t s t du a l 盯 图2 5p x a 2 7 0 e p 核心板外设支持示意图 从图中可以看出，系统核心板已经提供了目前市场上主流的大部分接口，这 为本系统后面的设计与实现提供了便利。 根据系统的设计要求，本系统目前只需要用到以下的外设接口： ( 1 ) u s b h o s t 及u s b c l i e n t ： ( 2 ) u a r t ： ( 3 ) j t a g ： ( 4 ) l c d ： ( 5 ) s d m m c ； ( 6 ) l a n ： ( 7 ) 触摸屏。 从上面可以看出，只有触摸屏是p x a 2 7 0 e p 核心板不提供支持的。本系统必 须外接其他芯片扩展出此功能。 2 4 接口模块设计 根据系统的设计要求，本系统的接口共有以下几个模块： ( 1 ) 电源及复位模块； ( 2 ) u s bh o s t 及u s bc l i e n t 模块； ( 3 ) u a r t 模块； ( 4 ) l a n 模块； ( 5 ) j t a g 模块； 1 0 系统硬件设计 ( 6 ) “= d 模块； ( 7 ) 触摸屏模块； ( 8 ) s d m m c 模块 图2 6 是这些模块的原理总图。 图2 6 系统原理总图 本文将在以下几小节详细介绍各个接口模块的设计原理。 2 4 1电源及复位模块电路设计 本系统将采用4 节2 号电池串联方式供电，则此电池组的输出电压范围为 4 8 v 。但是系统上的元器件要求的电压为5 v 和3 3 v ，所以电源不能直接给系 统供电。本系统要求实现4 8 - - 6 v 范围内的电压到5 v 和3 3 v 的转换。 为了转换出3 3 v 的电压，本系统采用了m a x i m 公司的m a x l 6 2 6 芯片来实 现，它能提供以下一些特性r 1 4 】： ( 1 ) 在3 m a 到2 a 负载时效率大于9 0 ； ( 2 ) 输出功率大于1 2 5 w ： ( 3 ) 高达3 0 0 k h z 切换频率； ( 4 ) 最大输入电压1 6 5 v ； 系统硬件设计 ( 5 ) 输出电压5 v 3 3 v 。 本系统根据芯片原理设计的电路如图2 7 所示。 畸s 图2 7m a x l 6 2 6 电路原理图 在管脚5 、6 接入电池组的电源输入后通过m a x l 6 2 6 芯片转换后可以在 m a x l 6 2 6 的o u t 管脚输出本系统所需要的v c c3 3 v 电压。 因为有了前面所示的电源到3 3 v 的转换，本系统直接使用3 3 v 来转换出5 v 电压。本系统为此采用了m a x i m 公司的m a x 6 0 8 芯片来实现，它具有以下一些 特性【1 5 】： ( 1 ) 输入电压范围1 8 v 到1 6 5 v ： ( 2 ) 在负载电流为3 0 m a - i ，5 a 时能达到8 5 的效率； ( 3 ) 最高输出功率1 0 w ； ( 4 ) 5 v 电压输出； ( 5 ) 高达3 0 0 k h z 的切换频率。 根据m a x 6 0 8 芯片原理设计的电压转换电路如图2 8 所示。 系统硬件设计 在m a x 6 0 8 芯片的v o u t 管脚输出本系统需要的v c c _ 5 v 电压。 在系统运行时可以使用复位开关使系统复位，这部分的电路如图2 , 9 所示。 v c c3 ，羹， c m 零雠： 图2 9 复位电路原理图 当s w l 按钮按下后7 4 l v c 0 4 芯片l 管脚输入低电平，经过两次反向后去除了 按键的抖动，在4 管脚输出低电平有效的复位信号到p x a 2 7 0 e p 核心板。 2 4 2u s bh o s t 模块电路设计 p x a 2 7 0 微处理器对u s b 设备提供了良好的支持。它在芯片内部集成了u s b h o s t 的控制器，具有以下一些特性f l o 】： ( 1 ) 支持u s b l 1 协议； 1 3 系统硬件设计 ( 2 ) 支持低速和全速u s b 设备； ( 3 ) 兼容o h c i1 0 a ； ( 4 ) 根h u b 支持2 个端口。 有了这些支持，极大的简化了本系统u s bh o s t 接口电路的设计，如图2 1 0 所示。 w cw飓鳓s t 图2 1 0u s bh o s t 接口模块原理图 本系统只需引出c p uu s bhn o 和c p uu s bhp 0 到u s b 模块，并提供 v c c5 v 和g n d 即可。其中： c p uu s bhp 0 ：对应u s b 协议中d 叫言号； c p uu s bhn o ：对应u s b 协议中d 信号。 2 4 3u s bc l i e n t 模块电路设计 p x a 2 7 0 微处理器也集成了u s bc l i e n t 的控制器，它支持u s b1 1 的全速设备， 速度可以达到1 2 m b p s 。除此之外，u s bc l i e n t 控制器还具有以下特性【l o 】： ( 1 ) 提供2 4 个端点( e n d p o i n t ) ，包括控制传输端点0 ( e n d p o i n t 0 ) 和2 3 个 可编程端点( e n d p o i n t ) ； ( 2 ) 端点0 ( e n d o p o i n t o ) 为可输入输出的控制传输模式； ( 3 ) 2 3 个可编程端点( e n d p o i n t ) 能够支持块传输、同步传输、中断传输3 种模式； ( 4 ) 内建4 k 字节端点数据缓冲区。 本系统基于p x a 2 7 0 e p 核心板设计的u s bc l i e n t 接口电路如图2 1 l 所示。 1 4 系统硬件设计 2 0 p r 砷f 弓= 1 r 图2 1 1u s bc l i e n t 电路原理图 c p u _ u s b - c - - p 和c p u _ u s b c _ 奠信号分别位u s b 协议中的d + 和d 信号。 此处本系统同时引出了c p l dg t s l 信号，为的是当此设备作为c l i e n t 端插入主机 时向c p u 发出中断，然后够响应主机发出的命令。 2 4 4u a r t 模块电路设计 p x a 2 7 0 微处理器集成了通用异步收发器( u a r t ) ，可以支持3 种类型串口【1 0 1 ： 全功能串口，蓝牙串口，标准串口。 全功能串口：除了普通的串行数据通信功能外，它还支持全部的调制解调器 控制信号，最大波特率为9 2 1 ，6 0 0 b p s 。 蓝牙串口：支持全部的串行通信信号，但是仅支持c t s 和r t s 这两个调制解 调器控制信号，最高波特率为9 2 1 ，6 0 0 b p s 。此外，它还对蓝牙通信提供了支持。 标准串口：它支持标准的串行通信，但不支持调制解调器控制信号，最赢波 特率为9 2 1 ，6 0 0 b p s 。 另外，这3 类串口都支持以下的特性： ( 1 ) 兼容1 6 5 5 0 a 和1 6 7 5 0 ： ( 2 ) 支持d m a 传输： ( 3 ) 自动波特率检测； ( 4 ) 自动流控； ( 5 ) 6 4 字节收发f i f o 缓冲； ( 6 ) 支持红外接口。 在本系统中将会用到上述的全部三类串口，其中： ( 1 ) 串口1 ：作为调试串口使用，在系统的b o o t l o a d e r 启动以及w i n d o w s c e 系统运行过程中需要使用串口l 来打印输出信息到主机的超级终端。串口l 的调 试信息输出功能对于b o o t l o a d e r 的启动和w i n d o w sc e 系统的加载具有重大作用。 1 5 系统硬件设计 在这两个过程中，液晶显示等输出设备还没有工作，串口l 成为唯一的信息输出 接口，为本系统的程序跟踪和调试带来了方便。另外w i n d o w s c e 运行过程中会占 用串口1 作为打印输出口使用，所以串口l 对与v r m d o w s c e 上的应用程序不可见 串口1 接口电路设计如图2 1 2 所示。 c 嚣【j 2 煳2 3 2 b e垣vcc3 j v o 1 t fl cl+vcc 1 6 _ 一 l3 ci-v+ 2凹 4 c 2 +l l j l 9 2 3 2 i ”0 1 n fi c 2 - i l 一 l o 1 t f x 2 c p u f ft x i ) ) c p u 矸砌1 1 。 卜 1 4 ， l 一一， 卜 7，一 4 l m v 点e j 曼 一 y ，了 ， ，锚咖攀删e p u f fr x d1 2卅 一1 3 n 一 _ 豇 7 一：p u f fe b 9卅。0 s 、o 9 i ， a n dv 6 l i 1 j = c 2 4l l =_ - - c 2 5 l 一o 1 h f + 一0 1 u f 上 图2 1 2 u a r t l 调试输出串口电路原理图 u a r t l 需要支持流控传输，所以要求连接c p uf ft x d ，c p uf fr t s 。 c p uf fr x d ，c p uf fc t s 信号。另外由于p x a 2 7 0 e p 核心板支持的串口为 t t l 2 3 2 电平，而主机( p c ) 支持的串口为r s r 2 3 2 电平，所以它们之间需要进行 电平转换才能正常通讯。此系统采用m a x 3 2 3 2 芯片来实现电平转换。 另外，由于受到电路板大小的限制，u a r t l 并没有采用标准的d 9 接头，而 是使用了体积较小的1 0 针连接线的方式，通过数据线转接到了主机的串口。 ( 2 ) 串口2 ：虽然串口2 是蓝牙串口，但是本系统在此并没有把串口2 连接 蓝牙，而是作为与前端数据采集板的通讯接口。由于w i n d o w s c e 把串口l 占用作 为调试输出，而把串口2 映射为c o m l ，所以在应用程序中使用c r e a t e f i l e 打开的 “c o m i ：”将会是物理上的串口2 。串口2 电路如图2 1 3 所示。 图2 1 3u a g l 2 数据采集串口电路原理图 1 6 系统硬件设计 此系统和前端的数据采集板之间的通讯采用的是无流控方式，所以只需 c p ub tr x d 和c p ub tt x d 信号。另外系统和数据采集板的串口通讯采用的 都是，r r l 电平，所以也不存在电平转换的问题，所以较串口l 的设计要简化许多 此外，c p us h u t d o w n 信号是p x a 2 7 0 核心板的g p l 0 9 信号，用此信号来 通知数据采集板关闭或休眠，以达到节电的目的。 ( 3 ) 串口3 ：用作蓝牙通讯接口。为了方便连接蓝牙打印机或其他蓝牙通信 设备，本系统为此预留了与蓝牙进行通讯的串口，当不连接蓝牙设备的时候可用 作其他用途，这样就增加了系统的可扩展性。串口3 电路如图2 1 4 所示。 l 盈r o k l 0 1 0 0 m 7 ，l k 图2 1 4u a k l 3 蓝牙模块串口电路原理图 本系统蓝牙模块采用的是爱立信公司的r o k l 0 1 0 0 8 m ，图2 1 5 是它的原理图。 p 札h m 。o t p c 舅n c l a o , i l o , g 图2 1 5 蓝牙模块r o k l 0 10 0 8 原理图 1 7 登麓 系统硬件设计 蓝牙通讯需要采用具有流控功能的串口，所以此处共有8 t _ t x d ，b t _ r x d , b t _ r t s ，b t _ c t s 信号。另外b t _ e n 和b t _ r e s e t 信号分别是蓝牙模块的使能信 号和复位信号。 2 4 5 l a n 模块电路设计 相对于串口通讯，l a n 通讯速度理论上最高能够达到1 0 0 m b p s ，这速度对于 g r m d o w sc e 操作系统映像的下载及系统的联机调试非常方便。p x a 2 7 0 微处理器 本身并没有提供l a n 的支持，但是p x a 2 7 0 e p 核心板通过集成s m s c 公司的 1 0 1 0 0 m 自适应网络控制芯片l a n 9 1 c i l l 来扩展出了网络功能，l a n 模块接口 电路如图2 1 6 所示。 捌2 1 6 l a n 接口电路原理图 标准的1 l 1 4 5 接口采用的是4 对共8 根双绞线，但此系统只使用到了t p o + t p o - ，t p i + ，t p i 四根信号线。 出于系统稳定和安全的原因，网络信号并不能直接连接到系统中，必须进行 信号隔离，在此系统中采用h r 6 0 1 6 8 0 t 1 6 】芯片来实现。 n l e d a 和n l e d b 分别为网络连接及数据收发信号灯的控制信号。 2 4 6j t a g 模块电路设计 j t a c , ( j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ；联合测试行动小组) 是一种国际标准测试协议 ( m e e1 1 4 9 1 兼容) ，现在多数的高级器件都支持j t a g 协议，如d s p 、f p g a 器 件等。p x a 2 7 0 微处理器内部集成了对j t a g 接口的支持，它具有以下特性f 2 】： ( 1 ) 符合i e e e l l 4 9 1 a 规范； 系统硬件设计 ( 2 ) 边界扫描连接测试； ( 3 ) 通过，r a g 接口连接软件调试工具 j t a g 的电路设计如图2 1 7 所示 图2 1 7j t a g 接口电路原理图 j t a g 标准信号线定义分别为【2 】： ( 1 ) c p uj t a gf 瓜s t 低位有效的异步复位； ( 2 ) c p uj t a gt d i ：输入测试数据流，在t c k 的上升沿被采样； ( 3 ) c p uj t a gt m s ：测试模式选择输入，在t c k 的上升沿被采样到内部 状态机控制器序列； ( 4 ) c p uj t a gt c k ：同步j t a g 端口逻辑操作的时钟输入； ( 5 ) c p uj t a gt d o ：输出测试数据流，在t c k 的下降沿被更新。 另外本系统此处还有c p un r e s e t 信号，这样可以通过指令使得系统复位。 2 4 7l c d 模块电路设计 p x a 2 7 0 微处理器提供了对液晶屏显示的支持，同时它具有以下特性f l o 】： ( 1 ) 支持单或双扫描显示模式； ( 2 ) 分辨率支持1 l 到8 0 0 x 6 0 0 ； ( 3 ) 支持单色2 5 6 级灰度模式( 8 位) ； ( 4 ) 最高支持1 6 7 7 7 2 1 6 色( 2 4 位) ； ( 5 ) 彩色模式支持2 位，4 位，8 位，1 6 位和2 4 位色彩； ( 6 ) 6 4 个2 4 位输出f i f o 。 此系统采用了s h a r p 公司型号为l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 的8 英寸1 1 叮液晶屏，它 最大分辨率能够达到6 4 0 x 4 8 0 ，颜色种类达到了2 6 2 ，1 4 4 ( 1 8 位，r g b 每色6 位) 。 l c d 显示接口电路如图2 1 8 所示 1 9 系统硬件设计 图2 1 8 l c d 接口电路原理图 从中可以看出本系统并没有使用最高的2 4 位显示模式，而是使用了1 6 位模 式，其中r e d 的r o 和b l u e 的b o 接地，所以r e d 和b l u e 使用5 位，g r e e n 使用6 位，这样可以显示的颜色数为2 1 6 = 6 5 5 3 6 种。这样在l c d 显示驱动里只需2 个字 节即可存储每个像素点的信息，方便了操作，同时也加快了显示速度。