（电路与系统专业论文）基于Intel+XScale+PXA255的图像采集系统的设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

基于i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的图像采集系统的设计 李拥军 导师：孙铁铮 摘要 随着电子技术和计算机技术的快速发展，嵌入式产品以其f 本积小、性能媸、 助 e 低、可靠性高以及适应面广等优点，被广泛的应用于网络通信，消费电 工、眦控制等各个领域。 在现代化的工业控制领域，具有机器视觉能力的工业控制系统的需求越来越 大本课题基于这种实际需要，丌发了基于a r mi n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的图像采 集系统。这个系统包括c m o s 的图像采集前端，采集卡，p x a 2 5 5 ，t f tl c d 显 j i 和些其他的控制部分。 本沦文首先对系统中使用的i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 处理器的功能特点进行了 行沂，并根据其特点搭建了软硬件平台，并根据实际的需要扩展了外部接叭其 中硬件部分的设计过程中充分考虑到高速数字电路设计需要注意的事项软件、r 台e 搭建使用l i n u x 操作系统。在此基础上，设计实现了c m o s 图像采集i h j 嵩 干：j 采集卡，以及基于扩展接口p c 1 0 4 的驱动程序：并在l i n u x 下实现了划 1 0 4 一，6 4 0 x 4 8 0 像素的t f tl c d 液晶模块的驱动程序的修改，和i - c 总线驱动毪 序的设计。此外，论文中还对在l i n u x 环境下丌发驱动程序的过程和丌发工具的 住用作了介绍。最后通过对系统分析总结，就不足之处给出了一些改进的方条 芹对该系统的应用前景及发展方向做了展望。 关键词：a r m ，p x a 2 5 5 ，图像采集卡，t f tl c d ，l i n u x 基于i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的i 兰| 掾采集系统的改汁 t h ed e s i g no fi m a g ed a t ac a p t u r es y s t e mb a s e do nt h e i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 l iy o n g j u n d i r e c t e db y ：s u nt i e z h e n g a b s t r a c t w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h ec o m p u t e rt e c h n i q u e t i l ee m b e d d e dp r o d u c t i o ni su s e dw i d e l yi nt h ef i e l do fn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n e l e c t r o n i cp r o d u c t i o na n di n d u s t r i a lc o n t r o la n ds oo n ，b e c a u s eo fi t sc h a r a c t e r i s t i c so f c o m p a c ts h a p e ，c o m p o s i t i v ef u n c t i o n ，l o wc o s t ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dc o m p r e h e n s i x 。e a p p i i c a b i l i t y 黼 h il n ef i e l do fm o d e mi n d u s t r i a lc o n t r o l ，t h ed e m a n df o rt h ei n d u s t r i a lc o n t t o l s y s t e mw i t ht i l ec a p a b i l i t yo f m a c h i n e r yv i s i o ni si n c r e a s i n ga n df o rt h i sr e a s o n t h i s p a p e ri s f o c u so nt h ed e s i g no ft h ei m a g ed a t ac a p t u r es y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h e a r mi n t e lx s c a l ep x a 2 5 5c p ua n dt h i ss y s t e mi sc o m p o s e do ft h ef r o n t e n do f c m o si m a g ed a t ac a p t u r e ，c a p t u r ec a r d ，p x a 2 5 5s y s t e m ，t f tl c dd i s p l a y a n d s o m eo t h e rc o n t r 0 1s e c t i o n s f i r s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef u n c t i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h ep x a 2 5 5 ，w h i c hi st h e a r c h i t e c t u r eo fx s c a l e a n da c c o r d i n gt ot h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，w eb u i l dt h ep l a t f o m 1 i n c l u d i n gt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a n dw i t ha v i e wt ot h ea p p l i c a t i o nd e m a n d ，w e e x t e n ds o m ei n t e r f a c e s i nt h ec o u r s eo ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，w ef u l l yc o n s i d e rt i l e a b s t r a c l p i x + o t a lt e c h n i q u e sf o rd e s i g n o ft h e h i g h s p e e dd i g i t a l p c b a n dt h e s y s t e m 1 s s o f t w a r ep l a t f o r mi sl i n u xo s b a s e do nt h i ss y s t e m w ed e v e l o pt h ei m a g ed a t a c a p t u r ec a r d ，a n dt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h ec a r da n dt h ep x a 2 5 5i s t h ep c 10 4 a n d t h i ss e c t i o ni n c l u d e st h es o f t w a r ed r i v e rt o o ；a n dw ea l s oi m p l e m e n tt h ed r i v e ro ft h e 10 4 ”t f tl c dm o d u l ea n dt h ed r i v e ro ft h ev cu n d e rt h el i n u xc i r c u m s t a n c ea n d f u r t h e r m o r e t h e r ea r ea l s os o m ei n t r o d u c t i o nf o rt h ec o u r s eo f t h ed e v e l o p m e n to f t h e d r i v e ru n d e rt h el i n u xc i r c u m s t a n c ea n dh o wt ou s et h ee x p l o i t a t i o nt o o l sf i n a l l a f t e ra n a l y z i n gt h es y s t e m ，t h i sp a p e rg i v e ss o m ea m e l i o r a t i v ea d v i c ea c c o r d i n gt o s 0 1 n ed e f i c i e n c i e s ，a n dp u t sf o r w a r ds o m ea p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dt h ed e v e l o p m e n t o r ；e n t a t i o na b o u tt h i se m b e d d e ds y s t e m k e yw o r d s ：a r m ，p x a 2 5 5 ，i m a g ed a t ac a p t u r ec a r d ，t f tl c d ，l i n u x 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电 子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何 形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用 ( 但纯学术性使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责任。 长春光学精密机械与物理研究所 硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，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。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承担。 学位论文作者签名： 2 0 0 5 年月日 1 引言 本学位文论来源于吉林省科技厅重点项目t f t _ l c d 触摸屏关键技术 究陔课题主要研制工业控制用液晶显示触摸屏人机界面。由液晶显示器、触 摸屏、控制板组建液晶显示触摸屏人机界面，由嵌入式处理器、外田硬件、l i l l l t x 操怍系统、组态软件组成嵌入式系统应用平台一液晶显示触摸屏控制板。另外为 了使垓系统具有更高的集成度，具有机器视觉，能够更好的应用于工业控制领城， 在对国内外的相关研究做充分的调研之后，借鉴同行的经验，设汁了基于p x a 2 5 5 的嵌入式图像采集卡和相关的采集，显示和控制程序。该采集系统在机械和f 旷i 方面符合p c 1 0 4 的规范，具有小体积、低成本、界面友好等优点可完全直川 于工业控制领域。 1 1 嵌入式系统的背景和现状 嵌入式系统是把计算机直接嵌入到应用系统之中，融合了计算机软硬件技 术、通信技术和半导体微电子技术，是信息技术的最终产品。 早在计算机出现之前，就有把计算装置嵌埋在系统和设备之中的嵌入式系 统但是受到电子器件和计算机技术的限制，嵌入式系统一直发展缓慢。随着嵌 入式汁算机硬件和软件技术的逐步完善与成熟，尤其是在微处理器问世之后，游： 入式系统j 真f 发展起来，以8 位、1 6 位微处理器为核心构成的嵌入式计算h 【 系统，一泛应用于仪器仪表、医疗设备、机器人和家用电器。用户可根掘需要选 择一套适合自己应用的c p u 、存储器和各式i o 插件构成专用的嵌入式计算机系 统并嵌入到自己的系统设备中。 随着工业、医疗卫生和国防等各部门对智能控制需求的不断增长，对嵌入工 = 微处理器的运算速度、可扩充能力、系统可靠性、功耗和集成度等方面提出了更 高的要求。为了适应各方面的需求，嵌入式微处理器体系结构经历了一个从c i s c 到r i s c ，从4 位、8 位、1 6 位到3 2 位、6 4 位，寻址空间从6 4 k b 到3 2 m b 牡 至更大，处理速度从01 m i p s 到2 0 0 0 m i p s ，封装从8 引脚到多引脚的过程。微 处理器的功耗也有了明显降低，其集成度进一步提高，涌现了大量的s o c ( s y s t e l n 0 1 1c h i p ) 系统。 目前，嵌入式系统己广泛应用于信息家电、移动通信、手持信息没备以及一l 业控制等领域，嵌入式系统无处不在，它几乎包括了我们周围所有的电器设备： 基于i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的幽像采集系统的醴计 掌 二p d a 、智能手机、移动计算设备、游戏机、扫描仪、汽车、微波炉等家庭 自动化系统、医疗仪器、电梯、安全系统、立体音响、自动售货机、自动耳义歉机 等。 后p c 时代，嵌入式系统将捌有越来越大的市场。据统计，目前在世界范幽 内嵌入式系统带来的工业年产值己超过了l 万亿美元，目前国际上已有两百多种 嵌入式系统，而各种各样的丌发工具、应用于嵌入式丌发的仪器设备更是不可雌 数：在我国，许多大型企业都有自己的嵌入式研发机陶，他们涉足于某个领域 州以f 艮快推出产品，因此在竞争中处于优势。根据自己产品的需求丌发出具仃高 科技含量的嵌入式产品或方案，掌握核心技术，是从事嵌入式，f ：发企业生存或耳 基于或与w i n d o w s 兼容：包括w i n d o wc e 、嵌入式l i n u x 和e p o c 。 工业与通信( 传统) 类：包括v x w o r k s 、p s o s 、q n x 、n e c u l e u s 和v r t x 。 ，草片机类：包括i r m x 、c m x 和pc o s 。 面向i n t e m e t 类：包括p a l mo s 、v i s o r 、h o p e n 和p p s m 。 基于s t r o n g a r m x s c a l e 架构的嵌入式系统，由于其功能比较强，般部配 萏w i n d o wc e 和嵌入式l i n u x 。【j “。1 2 1 4 嵌入式系统的现状及未来发展方向 随着电子产品向着智能化、集成化、网络化的方向发展，嵌入式系统得以被 广泛的应用于航空航天、通信、消费类电子产品等方面。在通信领域，数字技术 正在全面取代模拟技术。在广播电视领域，一些世界先进国家已经有模拟电视向 数字电视转变，欧洲的d v b ( 数字电视广播) 技术已在全球大多数国家推广 所有这些都离不丌嵌入式技术的发展。个人应用领域，如智能电话、p d a 等高 端数字产品更是离不丌嵌入式系统技术。另外，嵌入式产品也广泛的应用于工j l j ， 控制领域、a t m 、自动售货机等领域。 嵌入式硬件方面，各大微处理器公司相继推出不同的芯片和丌发系统。目i h 底层系统和硬件平台经过若干年的研究，已经相对比较成熟，实现各种功能的：占 片应有尽有。 基于i n t e l x s c a l ep x a 2 5 5 的| 璺| 像采集系统的改汁 嵌入式软件方面，也已经有很多成熟的软件系统，如w i n c e 、uc o s 、p s o s 等。目前可以根据自己产品的特点选择相应的软件，进行开发。 信息化给嵌入式产品带来了巨大的商机。未来嵌入式产品的发展趋势可以f 1 2 【 括为以下几点： 1 友好的人机接口。嵌入式设备之所以为广大的用户所接受，重要因素之一 是它能提供非常友好的用户界面、图像界面和灵活的控制方式，便于人们使用。 虽然目前触摸屏，键盘，液晶显示界面等终端已经被应用与智能手机或p d a 之 中但其他的一些嵌入式产品还远没有达到这样的要求。另外，语音控制等先进 技术在一些嵌入式系统中的应用还有待开发和完善。 2 更加的小型化、低功耗和低成本。这就要求嵌入式产品在增加功能的情况 下：j 战小体积，降低功耗，并不断的缩减成本。这在软件和硬件方面相对与目前的 嵌入式系统都有更高的要求。 3 网络化。为适应嵌入式分布处理结构和应用上网的需求，未来的嵌入式系 统要求配备标准的种或多种网络通信接口。针对外部联网要求，嵌入式设备必 须配有通信接口，相应需要t c p i p 协议簇软件支持：另外一些场合还需要各种 设备的仂，调工作，所以近距离的数据传输接口，如i e e e l 3 9 4 、u s b 、c a n 、 b l u e t o o t h 或i r d a 通信接口也成为必需。同时也需要提供相应的通信组网协议软 牛和物理层驱动软件。 4 。丌发工具功能更强大。为了使嵌入式产品更快的适应市场的需求设计 发人员不得不加快开发的速度，速度就是效益。而功能强大的丌发工具使得丌发 调试更加容易，无疑会加快产品的丌发速度。 2 1 5 嵌入式系统在工业控制领域中的应用 按用途分类，电子计算机可以分为两大类，即数据处理机和工业控制机；日u 者主要用于科学计算、数据处理和信息管理，后者主要应用于没备控制、生产过 程控制和智能化仪表等。 工业控制系统通常是由传感器、过程输入输出通道、计算机以及执行机构等 部分组成的。工业控制系统的应用对于提高产品质量与产量、降低成本、确保生 产安全、改善工作条件、减轻体力劳动、节省能源和材料、实现科学管理等具有 非常重要的作用。事实上，现代任何一种工业，如航空航天、能源交通、邮电通 信、钢铁冶会、石油化工、煤炭、机械电子等各行各业都在努力向着自动化控制 的方向发展。 嵌入式系统在工业控制领域中的典型应用为过程控制( p r o c e s s o rc o n t r 0 1 ) ： 对生产过程中的各种动作流程进行控制。这种控制是在对被控对象和环境进行不 断检测的基础上做出的及时的、恰当的反应。在控制过程中，计算机扮演中心的 角色。它通过传感器从外部接收有关过程的信息，对这些信息进行加工处理，然 后对执行机构发出控制指令。 嵌入炎系统、a r m 处理 介绍 工业控制领域的环境一般都很恶劣，控制系统一般要有很强的抗电磁干扰、 机械震动，抗狄尘、潮湿、高温等能力。并且应该在无人看守的情况下能够稳定 的执行，对一些差错具有自愈的能力。 另外，嵌入式系统应用于工业控制领域一般要有友好的人机界面，便于普通 人员的使用。 2 2a r m 处理器介绍 2 2 1a r m 简介 a r m 【a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字也【1 j 以 认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1 9 9 1 年a r m 公 司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目自u 采用a r a m 技术知以 产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所况的a r m 微处理器，己遍及工业控制、 消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a r m 技 术的微处理器应用大约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额，a r 川 技术f 在逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技 术占片设计丌发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转 让| 殳计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从a r a m 公 司购买其设汁的a r m 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外刚 电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家火 的半导体公司都使用a r m 公司的授权，因此既使得a r m 技术获得更多的第j 方1 = 具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场做 消费者所接受，更具有竞争力。 2 2 2a r m 微处理器的特点 a r m 微处理器采用r i s c 架构，具有以下特点： i 、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 位1 6 虚器件： 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。 基于i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的i 兰l 像采集系统的设计 2 2 3a r m 微处理器系列 a r m 微处理器自诞生至今，发展并定义了6 种不同的版本： 1v 1 版架构 该版架构只在原型机a r m l 出现过，其基本性能有：基本的数据处理指令( 见 乘法) ：字节、半字和字的l o a d s t o r e 指令：转移指令，包括子程序调用及链接 指令：软件中断指令：寻址空间6 4 m b ( 2 2 0 ) 。 2v 2 版架构 该版架构对v 1 版进行了扩展，例如a r m 2 和a r m 3 ( v 2 a 版) 架构，并增 加了一些功能：乘法和乘加指令；支持协处理器操作指令；快速中断漠式： s w p s w p b 的最基本存储器与寄存器交换指令；6 4 m b 寻址空川。 3v 3 版架构 v 3 版架构对, m r m 体系结构作了较大的改动，把寻址空i 剐增至3 2 位( 4 g b j 增加了当自u 程序状态寄存器c p s r ( c u r r e n tp r o g r a ms t a t u sr e g i s t e r ) 和程序：状态 保存寄存器s p s r ( s a v e dp r o g r a ms t a t u s r e g i s t e r ) ，以便于对异常( e x c e p t i o l l ) 的处理。增加了中止( a b o r t ) 和未定义2 种处理器模式。a r m l 6 就是采用陔版 架f 勾，其指令集增加了m r s m s r 指令，以访问新增的c p s r s p s r 寄存器还 增j 丌了从异常处理返回的指令功能。 4v 4 版架构 v 4 版架构对a r m 是目前应用最广的a r m 体系结构，它在v 3 皈架陶上作 了进一步扩充，有的还引进了1 6 位的t h u m b 指令集，使a r m 使用更加灵活： a r m 7 、a r m 8 、a r m 9 和s t r o n g a r m 都采用陔版架构。v 4 版架构指令集增加 了以下功能：符号化和非符号化半字及符号化字节的存取指令：1 6 位t h u m b 指令集：完善了软件中断s w i 指令集：处理器系统模式引进特权方式时浸刖用 户寄存器操作：把些未使用的指令空间捕获为未定义指令。 5v 5 版架陶 v 5 版a r m 架构是在v 4 版基础上增加了一些新的指令，a r m l 0 和x s c a l e 都采用该版架构。这些新增指令有：带有链接和交换的转移b l x 指令；计数j i 导零c l z 指令：b r k 中断指令；增加了数字信号处理指令( v s t e 版) ：为协， 处理器增加更多可选择的指令。 6v 6 版架构 v 6 版架构是2 0 0 2 年推出的。a r m l l 采用陔版架构，此架构在v 5 版基础 上增加了这些功能：t h u m b ：3 5 代码压缩；d s p 扩充：高性能定点d s p 功 能：j a z e l l e “1 ：j o v a 性能优化，可提高8 倍：m e d i a 扩充：音视频性能优化可 提高4 倍。【6 j 嵌入式系统、a r m 处理器介绍 2 2 4x s c a l e 微架构处理器 x s c a l e 微架构处理器是为新一代无线手持式应用产品丌发的嵌入式处删器 其主要特性如下： 采用7 8 缴超级流水线：动态跳转预测；分支目标缓冲器b t b ( b r a n c h t a r g e tb a r f e r ) 。 支持多媒体处理技术：新增乘力口器m a c ：4 0 位累加器：兼容a r m v 5 t e 指令：特定d s p 型协处理器c p 0 。 指令快存( 1 - c a c h e ) ：3 2 k b 。 数据快存( d c a c h e ) ：3 2 k b ，可以重构2 8 k b 片内r a m 。 微小型数据快存( m i n id c a c h e ) ：2 k b 。 指令存储器管理单元i - m m u ：3 2 路边换后备缓冲器t l b ( 快表) 。 数据存储器管理单元d m m u ：3 2 路边换后备缓冲器t l b ( 快表) 。 中断控制器。 总线控制器：t g b s ：e c c 协议。 ， 调试( d e b u g ) 接口：性能监控协处理器c p l 4 ；硬件断点；硬件观察点： b k p t 指令：异常中断：j t a g 接口：迹缓冲器。 动态电源管理。 x s c a l e 微架构处理器的时钟可达1 g h z ，功耗1 6 w ，并能达到1 2 0 0 m i p s ： 目前，基于x s c a l e 微架构的处理器有：i o p 3 1 0 ：p e n t i u m 处理器的套片：i o p 3 2 0 ： p e n t i u m 的i o 处理器：p x a 2 1 0 ( 嵌入式应用处理机) ：p x a 2 5 0 2 5 5 ( 嵌入式 应用处理机) ：p x a 2 6 x ( 嵌入式应用处理机+ f l a s h ) ：p x a 8 0 0 f ( 嵌入式应用 处理机+ m s a + f l a s h s r a m ) 。 2 2 5a r m 处理器的应用 到目前为止，a r m 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域： 1 、工业控制领域：作为3 2 位的r i s c 架构，基于a r a i 核的微控制器艺：片 不但占据了高端微控制器市场的大部分市场份额，同时也逐渐向低端微控制器应 用领域扩展，a r m 微控制器的低功耗、高性价比，向传统的8 位1 6 位微控制 器提出了挑战。 2 、无线通讯领域：目前已有超过8 5 的无线通讯设备采用了a r m 技术， a r m 以其高性能和低成本，在该领域的地位日益巩固。 3 、网络应用：随着宽带技术的推广，采用a r m 技术的a d s l 芯片f 逐步 获得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上进行了优化，并获得广泛支持， 也对d s p 的应用领域提出了挑战。 4 、消费类电子产品：a r m 技术在目前流行的数字音频播放器、数字机顶 盒和游戏机中得到广泛采用。 墨上竖生堡! ! ! ! 曼! 望! 些型垡墨墨墨竺堕坠生 5 、成像产品：现在流行的数码相机和打印机中绝大部分采用a r m 技术 手机中的3 2 位s i m 智能卡也采用了a r m 技术。 ，些咎，a r m 微处理器及技术还应用到许多不同的领域，并会在将来取得型 广泛的应用。 o 系统总体殴计 3 系统总体设计 3 1 p x a 2 5 5 处理器介绍 3 1 1p x a 2 5 5 的总体结构 p x a 2 5 5 是i n t e l 公司生产的基于x s c a l e 微架构的集成系统芯片的处理器： 它除了x s c a l e 微内核外，还集成了许多适用于手持设备市场需要的外围设备 是对其前一个产品p x a 2 5 0 的一个进化。图3 1 是p x a 2 5 5 处理器的框图。 图3 1p x a 2 5 5 应用处理器框图 基于i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的幽像采集系统的i 盐汁 3 1 2p x a 2 5 5 的特性 p x a 2 5 5 除了采用x s c a l e 内核外，还具有很多特点： 内核工作频率：1 0 0 4 0 0 m h z 系统存储器接口： 1 1 0 0 m h zs d r a m 2 4 2 5 6 m bs d 洲存储器 ：3 支持1 6 、6 4 、1 2 8 和2 5 6 m b d r a m 技术 4 4 个s d r a m 区，每个区支持6 4 m b 存储器 5 时钟允许( 1 个c k e 脚用于把整个s d r a m 接口置为自我刷新) 6支持多至6 个静惫存储器器件 7 支持2 个p c m c i a c f 卡插槽 时t 十和电源控制器 1 3 6 8 6 4 m h z 振荡器，具有核p l l 和外围p l l ，可产尘各种工作频率 2 3 27 6 8 k h z 振荡器可驱动实时时钟、电源管理器和中断控制器 3 电源控制器可控制快速运行、空闲和睡眠工作方式 d m a 控制器： 1 具有1 6 个优先级的通道，可为内部外设和外部芯片提供服务 2 采用描述器，允许命令链和循环结构 3 支持字、半字和字节数据传输 l c d 控带4 器： 1 支持有源、无源l c d 显示 2 最大分辨率8 0 0 6 0 0 1 6 3 2 个专用d m a 通道，允许l c d 控制器支持单层或双层显示 系统集成模块： 1 g p i o ，每个可分别程控为输出或输入，作输入时可在上升或下降沿 时产生中断。有些g p i o 具有第2 功能，可用于各种外围功能。 中断控制器，所有中断可置为内核的取0 和f i q 中断，并有屏蔽寄存 器。 2 实时时钟，可产生周期性中断，可把应用处理器从睡眠状态唤醒。 3o s 定时器，有一个3 6 8 m h z 的参考计数器和4 个复合奇存器，它们 可产生定时中断，其中一个复合寄存器可产生w a t c h d o g 复位。 4 p w m ，有2 路独立的输出，可驱动2 根g p i o ，其频率和持续周期 可分别编程。 串行通信口： 1 u s b 从机模块，支持u s b i 1 ，共有6 个端点，具有内部产生的4 8 m h z 时钟： 系统总体砹计 2 具有3 个u a r t ，每个均可有慢速红外接口功能：全功能u a r t ，波 特率可高达2 3 0 k b s ，具有整套m o d e m 控制引脚：b l u e t o o t hu a r t ，波 特率可高至9 2 l k b s ；标准u a r t ，波特率可高达2 3 0 k b s ，它与高速红 外通信口合用发送和接收引脚： 3 高速红外( f i r ) 通信口，基于4 m b si r d a 标准，可直接与外部i r d a l e d 相连。同步串行规程控制器( s s p c ) ，提供全双工同步串行接口， 位速率为7 2 k h z 一1 8 4 m h z ，支持n s 公司的m i c r o w i r e 、t i 公司的同步 串行规程和m o t o r o l a 公司的s p i ： 4 i - c 总线接口单元。 多媒体通信口： 1a c 9 7 控制器，支持a c 9 7v 2 0c o d e c ，采样频率可达4 8 k h z ，包含 独立的立体声p c m 输入、输出、m o d e m 输入、输出和单声道话筒输入 的通道。 2 1 2 s 控制器，可串行连接到数字立体声的标准i ：sc o d e c ，支持普通的 i 二s 和m s b 调整的i s 格式。有4 个引脚可与1 2 sc o d e c 相连，它们与 a c 9 7 控制器引脚合用。 3 媒体卡( m m c ) 控制器，提供与标准的存储卡的串行接口，最高速 率可达2 0 m b s 。 7 1 3 2 系统总体设计 根据实际的需要和实验室的情况丌发了基于p x a 2 5 5 的丌发板，其结陶如图 3 二昕示： s d r a mj 。 、 i串 j 二口 ! 型旦l 7 f l a s h i 。、 n n i功能按键 3 2 m b i 、 7c _ - q c f 接口l， 厶 l触摸屏 王i 凹卜 lt f t ic d 士i “i 、7 p c 1 0 4 l 。1、 c p l d 刊 一 图3 2p x a 2 5 5 开发板框图 基于i n t e lx s c a l ep x a 2 5 5 的图像采集系统的设计 3 2 1 系统硬件介绍 嵌入式系统的架构主要由处理器、存储器、i o 端口以及相关外围设备组成。 lc p u 采用p x a 2 5 5 ，其具体的特性前面已经介绍。 2 存储器 系统中采用f l a s h 作为系统的硬盘，采用s d r a m 作为系统的内存。考雹剖 实际需要和p x a 2 5 5 的扩展能力，设计中采用了6 4 m 字节的s d r a m ，3 2 m 与： 节的f l a s h 。采用两片三星s d i l a m ( k 4 s 5 6 1 6 3 2 d t c 7 5 ) ，3 2 m ( 4 m * 1 6 * 4 ) 字 节( s d r a m 内存最大可到6 4 m b y t e s ) ：采用两片i n t e l 的快速页面读取模式的 s t r a t a f l a s h ( e 2 8 f 1 2 8 j 3 a ) ，1 6 m ( 8 m + 1 6 ) 字节( f l a s h 内存最大可到3 2 m b y t e s ) 。 3 外部接口 扩展带触摸屏的t f tl c d 接口，笔记本用l c d 接口：s t n t f t 彩包或其 它黑白l c d 接口：采用u c b l 4 0 0c o d e c 芯片扩展的支持语音输入输出的音频 接口：四线电阻式触摸屏接口；八个用户定义的多功能按键，其中两个为系统级 按键：一个串行接口；a d 转换，1 0b i t s4 个通道：d c d c 高效率的电源转换 或低价位的电源转换：直流电源输入接口；i o 扩展接口( i s a 兼容) ，即准p c 1 0 4 接口：j t a g ( c p u 、两片c p l d ) 接口座；多个l e d 指示灯。 3 2 2 系统软件介绍 嵌入式系统软件也是嵌入式系统的核心之一，它由嵌入式操作系统及相应的 备种应用软件构成。对于嵌入式操作系统而言，其具有以下特点： 1 编码体积小：适合在嵌入式系统的有限存储空间中运行： 2 面向应用，可裁减可移植：可进一步缩小编码体积，有效的运行。所以 这样的操作系统也可称为特定应用操作系统a s o s ； 3 实时性强：这是嵌入式操作系统最重要的特点之一： 4 可靠性高：嵌入式系统可在无需人工干预的条件下独立运行，并处理各 种事件和故障。 目日i 市场上有很多嵌入式系统软件可供选择，经过综合比较，采用了l i n u x 为系统软件。l i n u x 与其它的软件相比，具有以下优点： l 很高的稳定性。 在p c 硬件上运行时，和现在流行的一些操作系统相比，l i n u x 是非常可靠 和稳定的。移植到新微处理器家族的l i n u x 内核运行起来与本来的微处理器一样 稳定。它经常被移植到一个或多个特定的主板上。这些板包括特定的外围设备和 c p u 。由于许多不同处理器的指令代码是相通的，所以移植集中在差异上，其中 大多数是在内存管理和中断控制领域。一旦移植成功，它们就非常稳定。 2 强大的网络功能。 系统总体i 5 2 汁 l i n u x 天生就是一个网络操作系统，几乎所有的网络协议和网络接口都做 定制在l i n u x 中。l i n u x 内核在处理网络协议方面比标准的u n i x 更具执行效率 在每个端口上有更高的吞吐量。 3 丰富的丌发工具。 l i n u x 提供c 、c + + 、j a 、，a 以及其他很多的丌发工具。更重要的是丌发者可 以免费获得。这些丌发工具在设计时已经考虑到支持各种不同的微处理器结构和 调试工具。l i n u x 基于g n u 的工具包，此工具包提供了完整与无缝交叉平台川： 发工具，从编辑器到底层调试。其c 编译器产生更有效率的执行代码。 4 大量的文档。 很多用户界面友好的参考文档以及书籍都可以很容易获得。 5 免许可证费用。 这一点也是最重要的原因。大多数的商业操作系统，例如w i n d o w s 、w i n d o 邺 c e 对每套操作系统收取一定的许可费用。相对地l i n u x 是一个免费软件并且 源代码公丌。只要不违反g p l 协议，可以自由应用和发布l i n u x 。 嵌入式操作系统需要将计算机技术，具体的硬件联系起来，l i n u x 提供了完 整嵌入功能的基本内核和你所需要的所有用户界面。它能处理嵌入式任务和界 面。将l i n u x 看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时恻服务 及其它的分拆的微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和网络服务。丌发 者只需要根据具体的软硬件环境对代码加以修改和裁减就能达到目的，所以，嵌 入式l i n u x 越来越为广大的嵌入式开发工程师所喜爱。 3 2 3 软件开发平台介绍 日i u ，绝大多数l i n u x 软件开发都是以n a t i v e 方式进行的即本机( h o s t ) 丌发、调试，本机运行的方式。这种方式通常不适合于嵌入式系统的软件丌发 因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资源在本机运行丌发工具和调试工鼠： 通常的嵌入式系统的软件丌发采用一种交叉编译调试的方式。交叉编译倜试环境 建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的丌发板叫做目标板。丌发时使用宿i i 机上的交叉编译、汇编及连接工具形成可执行的二进制代码，然后把可执行文件 下载到目标机上运行。 因为我们在p c 机上采用的一般是w i n d o w s 系统，为了在此环境下进行丌发， 我们采用的c y g n u ss o l u t i o n s 公司开发的自由软件c y g w i n ，它可以在w i n d o w s 状态下模拟实现l i n u x 环境，它对于在仿l i n u x 环境下进行某些开发工作，尤其 是使用g n u 工具集在w i n d o w s 上进行嵌入式系统丌发，非常实用。 7 1 基于i n t e l x s c a l ep x a 2 5 5 的| 薹f 像采集系统的改计 4 系统硬件电路设计 由于嵌入式系统对体积和功耗的高要求，以及很高的工作频率，所以无论是 芯片的选型还是电路的设计，都有很高的要求。下面是对系统的各个部分的介唰： 4 1 电源设计 整个系统的供电电压采用33 v 供电。a r m 内核供电为13 3 v ，输入电源为 5 v ：考虑到嵌入式系统对电源的稳定性的高要求，一般的d c d c 转换芯片很难 满足要求，经论证和比较采用m a x l 8 2 1 做为电源的转换芯片，它是m a x i m 号 门为蜂窝电话等设计的电源解决方案，其具有以下特点： 可编程输出电压从i 2 5 v 到5 5 v ；低静态电流( 停机状态为01ua ，强制 p w m 模式为1 8 0ua ) ：可高达6 0 0 m a 的输出：p w m 能在o 到1 0 0 占空比运 行：在负载电流为6 0 0 m a 时丢失电压0 1 5m v 。m a x l 8 2 1 采用u c s p 封装j l 个重要的引脚的功能如下： s k i p 一p w m s k i p 模式选择输入端 c o m p 一补偿端 s y n c 一时钟同步输入端 l x 一电感匹配端 实际系统需要输入的最小电压2 6 v ，最高电压55 v ，根据m a x l 8 2 l 的特 点，完全可以实现，图4 1 是电源电路的原理图： 至竺丝堡生堕坠! 图4 1 电源电路 另外，由于p x a 2 5 5 芯片需要单独供电，实际设计中将其设定为1 3 3 v 。 佯选用m a x l 8 2 l 芯片： 8 】 u j u 搴剽。 。 ：z墨p 。 审h i ：i 4 f ， 口1 j r e ： 亍；矗u ， 。- 。丰：m ；焉 i 鼎亍体d 苫 图4 2 内核电源模块 基于i n t e ix s c a l ep x a 2 5 5 的图像采集系统的砹汁 4 2 存储电路设计 p x a 2 5 5 处理器的外部存储器总线接口支持各种存储器芯片包括同步动态 存储器( s d r a m ) ( 1 0 0 m h z ，3 3 v 或25 v ) 、同步和异步成批方式、页方式f l a s l l 、 同步掩模r o m ( s m r o m ) 、页方式r o m 、s r a m 、与s r a m 相似的可变延迟 i 0 ( v l i o ) 、1 6 位p c 卡扩展存储器以及紧缩f l a s h 存储器。它们能通过对序储 器接口设置寄存器编程与处理器接口。这些存储器分为3 类：s d r a m 、静念f ；j 储器和卡存储器。 1 s d r a m p x a 2 5 5 处理器支持4 个1 6 或3 2 位宽的s d r a m 块，每个块为6 4 m b 存储 器空问，但每块的实际大小取决于s d r a m 设置。4 个块可以分为2 对：0 1 i 对 和2 3 对。一对中的2 块的大, j , f n 设置必须相同，2 对可不同( 咧如，0 1 对司为 3 2 位数据总线的1 0 0 m h z s d r a m ，而2 3 对可为1 6 位数据总线的 5 0 m h z s d r a m 。) 本课题选用两片3 2 m b ( 4 m * 1 6 位+ 4 块) 的三星s d p , _ 4 n i ( k 4 s 5 6 1 6 3 2 d t c 7 5 ) 组成3 2 位数据总线的s d r a m ，频率为5 0 m h z 。 o l 2 f 1