（机械电子工程专业论文）基于hart协议的手持器的研究.pdf

摘要 h a r t 手持器是一种基于h a r t 协议与现场变送器进行通讯的一种便携式设 备，可以对变送器的测量范围、阻尼常数等进行远程设置与监控，并且能对变送 器进行自诊断，在工业现场有广泛的应用。 本文主要说明了基于h a r t 协议的手持器功能的研究与实现，包括系统硬件 电路方面的实现方法、u c o s i i 内核移植和硬件驱动接口模块、图形操作界面操 作系统的设计与实现等。 首先，完成了手持器完整硬件电路的设计，配合外部的一些辅助电路，实现 程序存储、液晶屏的显示以及键盘操作等功能，可以显示任意的字符与图形，也 可以通过键盘来实现人机交互的功能。为方便系统的调试还专门设计制作了 w i g g l e rj t a g 调试电路板，可以对系统进行在线调试，极大的缩短了系统软 件的调试时间，而且结构比较简单，成本相对较低。 其次本文还研究了u c o s i i 的内核原理以及实现方法。由于各种基于a r m 7 核的处理器内部结构并不是完全相同，这与各个厂商的设计有关，因此u c o s i i 不能在处理器上直接使用，需要进行移植，这方面主要完成的工作就是对 u c o s i i 进行一定的修改使之可以在手持器上正常运行，另外还编写了对应于 l p c 2 2 9 0 的u c o s i i 启动代码，作用是在启动u c o s i i 之前先对硬件进行一定 的配置，使其满足运行u c o s i i 的条件。另一方面本文还重点讨论u c o s i i 实 时内核对任务的调度和管理，以及任务切换过程中涉及到的任务现场保存等问 题，满足手持器实时性及多任务的需求。 最后本文还说明了将u c g u i 移植到u c o s l i 的具体方法，实现u c g u i 在 手持器上的图形字符显示，并对其使用方法进行了简要地说明，对u c g u i 的初 学者有较好的参考作用。 关键词：h a r t 手持器l p c 2 2 9 0 嵌入式系统 u c o s i i u c g u i h a r t 协议 a b s t r a c t h a r th a n d - h e l dc o n t r o l l e ri sak i n do fp o r t a b l ed e v i c et h a tc a l lc o m m u n i c a t ew i t h f i e l dt r a n s f e rb a s e do nh a r tp r o t o c 0 1 h a n d h e l dc o n t r o l l e rc a l ls e ta n di n s p e c tt h e m e a s u r e m e n tr a n g ea n dd a m pc o n s t a n to ft h et r a n s f e r , a tt h es a m et i m ei ta l s oc a n d i a g n o s et h et r a n s f e r t h eh a n d h e l dc o n t r o l l e ri sw i d e l yu s e di ni n d u s t r yf i e l d t h ep a p e rd i s c u s s e st h er e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no ft h eh a n d - h e l dc o n t r o l l e rb a s e d o nu c o s i ie m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ，i n c l u d et h ew a yo fh o wt or e a l i z et h e s y s t e mc i r c u i t ，h o wt oi m m i g r a t ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c o s - i ia n dg r a p h i c a l u s e ri n t e r f a c e su c g u it ot h ed e v e l o pb o a r da n dh o wt od e v e l o pt h eh a r d w a r ed r i v e i n t e r f a c e d e s i g n e dt h ec i r c u i to fh a n d h e l dc o n t r o l l e r a s s i s tw i t hs u b o r d i n a t ec i r c u i t , h a n d - h e l dc o n t r o l l e rc a l lr e a l i z ef u n c t i o n ss u c ha sp r o g r a ms t o r e ，l c dd i s p l a ya n d k e y b o a r do p e r a t i n g i tc a l ld i s p l a ya n yk i n do fc h a r a c t e ra n dg r a p h i c s , a n dc a l lr e c e i v e u s e r sc o m m a n dt h r o u g hk e y b o a r d a n dm a d ew i g g l e rj t a gd e b u gb o a r df o r d e b u ga n dt e s t i ti su s e df o ro n l i n ed e b u g , c a l lr e d u c et h et i m eo fd e v e l o p i n gp e r i o d t h es t r u c t u r eo f t h e b o a r di ss i m p l ea n di ss u i t a b l ef o ri n d i v i d u a ls t u d y t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e st h ep r i n c i p l eo fu c o s 1 1k e r n e la n dt h ew a yo f r e a l i z a t i o n b e c a u s et h ei n t e r n a ls t r u c t u r eo fp r o c e s s o rb a s e do na r m 7i sn o tt h e s a m ea m o n ga l lk i n d so fp r o c e s s o r s ，s ot h eu c o s i ic a l l tb eu s e do np r o c e s s o r d i r e c t l y w h a ti h a v ed o n ei st h em o d i f i c a t i o no ft h eu c o s i if o rs u i t i n gt h e h a n d - h e l dc o n t r o l l e r , a tt h es a m et i m ep r o g r a mt h ep r e p r o c e s s o rc o d e ，t h e e n v i r o n m e n ts e t t i n gt h a ti ss u i t a b l ef o ru c o s - i it or u no ni t a tl a s t , t h ep a p e rd i s c u s s e sh o wt oi m m i g r a t eu c g u it ou c o s - i i ，a n de x p l a i n e s h o wt ou s ei t i ti su s e f u lf o rt h o s ew h o j u s tb e g i nt ol e a r nu c g u i k e yw o r d s ：h a r th a n d - h e l dc o n t r o l l e r ，l p c 2 2 9 0 ，e m b e d d e ds y s t e m u c o s - i i ，u c g u i ，h a r tp r o t o c o l 独创性声明 本人声明所呈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已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂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。 撇虢彻圣邑爷飙堋 学位论文版权使用授权书 中 本学位论文作者完全了解鑫盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘堂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：杨镒竿 签字吼? 叫7 年月7 日 导师签名： 刁刚 签字日期：力7 年月叩日 第一章绪论 1 1h a r t 手持器简介 第一章绪论 现场总线目前是过程控制领域研究的一个热点，通过现场总线技术，数字通 信技术可以覆盖到现场应用的仪表，这将极大的改变目前控制系统的体系，提高 工作生产的效率。但是考虑到现今工业现场使用的大都是一些传递4 - 2 0 m a 模拟 电流信号的设备，如果将现有的设备全部更新换代，换成更先进的通过数字信号 传递信息的设备，从成本上考虑比较难以实现。为此，美国r o s e m o u n t 公司首推 一套过渡性临时标准，即h a r t 协议。h a r t 协议作为一个开放性的协议，现已 成为智能仪表的“事实上”的标准。其特点是在现有的模拟信号传输线上实现数 字信号通信，属于模拟系统向数字系统转变过程中的过渡产品，因而在当前的过 渡时期具有较强的市场竞争能力，得到了较快的发展。 h a r t 通信的应用非常广泛，最普通的是用手持终端与现场智能仪表进行通 信。h a r t 能利用总线供电，可满足本质安全防爆的要求。h a r t 协议可组成由 手持控制器与管理系统主机作为主设备的双主设备系统。通常，在基于h a r t 协议的现场总线网络中，主设备用来对从设备进行组态及控制，而副主设备常用 来进行现场维修及调试。因此，就要求手持终端具有灵活、便于携带、反应及时 的特点。 h a r t 手持器就是这样一种便携式的终端，支持所有基于h a r t 协议的仪器 设备，在工业现场有广泛的应用。h a r t 手持器的功能非常丰富，可以对支持 h a r t 协议的智能仪表的测量范围、阻尼常数等进行远程设置与监控，并且能对 现场设备进行自诊断。它可监控输入输出值，设定恒定电流的输出和调零。可 对h a r t 智能设备进行生产测试、诊断及检验，而且可对h a r t 智能设备在现 场运行中组态、标定、诊断、维护、监视，获取现场h a r t 仪表的生产厂商信 息，了解h a r t 仪表的工作状态及故障信息，读取仪表的输出电流和过程变量， 获取有关传感器的参数及输出值等多种功能，完全可以满足现场的应用。h a r t 手持器使用方便，随时可以将手持器连接到现场4 - 2 0 m a 总线上，并立即识别出 现场的设备，对其进行数据的监控与修改，同时对原有的4 - 2 0 m a 模拟电流信号 没有任何影响。 使用了h a r t 手持器以后，设置变送器时就不需要到现场对单个变送器进 行设置，只需要将h a r t 手持器连接到总线上，就可以分别将设定好的数据下 第一章绪论 载到各个变送器中，极大的提高了工作的效率 h a r t 手持器的外形如下图所示： 图i 一1h a r t 手持器 h a r t 手持器操作方法非常简便，当系统开动或维持操作时，只要把h a r t 手持器接在4 2 0 m a 通信信号线上，就u r 以使用，而且在通信期间，调制信号不 会中断4 - - 2 0 m a 的电流信号，不会对正在进行的工作有任何的影响，可以实现在 线的调试。 1 2h a r t 手持器研究概况 日前国外有一砦厂家在生产h a r t 手持设备，比如美国罗斯蒙特公司生产 的一种便携式的终端h a r t 2 7 5 手持器，功能较强，适用于多种进u 压力变送器。 虽然h a r t 2 7 5 功能很强，但是其本身在国内的应用也存在一些问题首先 人机界面不是非常友好，交互界面是全英文界面，并不是非常适合同内的使用环 境。其次操作比较的复杂，事先要对使片j 人员进行一定的培训，才能正确的掌握 h a r t 2 7 5 手持器的使用的方法，比较费时。h a r t 2 7 5 手持器还有一个缺点就是 的价格很高，如果投入使用的话，投资也比较大，对国内的使用者来说是一个比 较大的负担。 因此写作本文的目的就是为了能对卜述的缺点进行改进，制作出操作简单方 第一章绪论 便，同时适合国内使用环境支持中文的一种h a r t 手持器。 1 3 课题研究的主要内容 本课题的主要内容有： l 、 完成了手持器完整硬件电路的设计，设计制作了w i g g l e rj t a g 调 试电路板，对系统进行在线调试， 2 、 3 、 4 、 1 4 小结 对u c o s - i i 进行一定的修改使之可以在手持器上正常运行，还编写了 对应于l p c 2 2 9 0 的u c o s i i 启动代码，使其满足运行u c o s i i 的条 件。 说明了将u c g u i 移植到u c o s i i 的具体方法，实现u c g u i 在手持 器上的图形字符显示， 对h a r t 协议的实现进行了具体的说明。 本章简单阐述了h a r t 手持器的功能特点和国内外目前的研究状况，对现有 的h a r t 手持器的优缺点进行了分析，说明了本文研究的主要内容及意义。 第二章a r m 系统的体系结构 第二章a r m 系统的体系结构 目前，嵌入式微处理器有许多种流行的处理器核，如m i p s ，c o l d f i r e ， a r m s t r o n g a r m ，p o w e rp c 等，大多数都是采用r i s c 技术，芯片生产厂家一般 都基于这些处理器核生产不同型号的芯片。h a r t 手持器采用的就是基于a r m 7 核的l p c 2 2 9 0 ，下面主要介绍a r m 处理器核原理及功能。 2 1a r m 的概念 a r m f 4 1 ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，既可以认为是一个公司的名字，也可以 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。向全球各大领先电子公司提 供高性能、低成本和高效率的r i s c 处理器、外设和系统芯片技术授权。a r m 公司是专门从事基于r i s c 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本 身不直接从事芯片生产，靠转让设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 m 公司购买其设计的a r m 微处理器核，根据各自不同 的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的a r m 微处理器芯片进入市 场。目前，全世界有几十家大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 技术获得更多的第三方工具、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被消费者所接受，更具有竞争力。目前，采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的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、无线系统等各类产品市场， 基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场 份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。 2 2a r m 处理器的应用领域和特点 2 2 1a r m 处理器的应用领域 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f 5 l ： 1 工业控制领域：作为3 2 的r i s c 架构，基于a r m 核的微控制器芯片不但 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 4 第二章a r m 系统的体系结构 域扩展，a r m 微控制器具有低功耗、高性价比的特点，必然将逐渐的取代现在 低端8 位处理器。 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 芯片正逐步获 得竞争优势。此外，a r m 在语音及视频处理上行了优化，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。 5 成像和安全产品：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。 除此以外，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 得更加广泛的应用。 2 2 2a r m 处理器的特点 采用r i s c 架构的a r m 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 位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 3a r m 处理器的种类 a r m 微处理器目前包括下面几个系列，以及其它厂商基于a r m 体系结构 的处理器，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。 一a r m 7 系列 一a r m 9 系列 一a r m 9 e 系列 一a r m l 0 e 系列 一s e c u r c o r e 系列 第二章a r m 系统的体系结构 一i n t e r 的s t r o n g a r m i n t e r 的x s c a l e 其中，a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 和a r m l 0 为4 个通用处理器系列，每一个 系列提供一套相对独特的性能来满足不同应用领域的需求。s e e u r c o r e 系列专门 为安全要求较高的应用而设计。 2 3 3a i t m 7 微处理器系列 a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适合用于对价位和 功耗要求较高的消费类应用。 a r m 7 系列微处理器的主要应用领域为：工业控制、i n t e r n e t 设备、网络和 调制解调器设备、移动电话等多种多媒体和嵌入式应用。a r m 7 系列微处理器包 括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i 、a r m 7 t d m i s 、a r m 7 2 0 t 、a r m 7 e j 。其 中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r l s c 处理器，属低端a r m 处理器核。 t d m i 的基本含义为：t j支持1 6 为压缩指令集弧u m b d ：支持片上d e b u g m ：内嵌硬件乘法器( m u l t i p l i e r ) i ： 嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点 2 3 4a r m 9 微处理器系列 删9 系列微处理器在高性能和低功耗特性方面提供最佳的性能。a r m 9 系列微处理器主要应用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机项盒、高端打印机、 数字照相机和数字摄像机等。 a r m 9 系列微处理器包含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， 以适用于不同的应用场合。 2 3 5a r m 9 e 微处理器系列 a r m 9 e 系列微处理器为可综合处理器，使用单一的处理器内核提供了微控 制器、d s p 、j a v a 应用系统的解决方案，极大的减少了芯片的面积和系统的复杂 程度。a r m 9 e 系列微处理器提供了增强的d s p 处理能力，很适合于那些需要同 时使用d s p 和微控制器的应用场合。a r m 9 系列微处理器主要应用于下一代无 线设备、数字消费品、成像设备、工业控制、存储设备和网络设备等领域。 a r m 9 e 系列微处理器包含a r m 9 2 6 e j s 、a r m 9 4 6 e s 和a r m 9 6 6 e s 三种 6 第二章a r m 系统的体系结构 类型，以适用于不同的应用场合。 2 3 6a r m l 0 e 微处理器系列 a r m l 0 e 系列微处理器具有高性能、低功耗的特点，由于采用了新的体系结 构，与同等的a r m 9 器件相比较，在同样的时钟频率下，性能提高了近5 0 ， 同时，a r m l 0 e 系列微处理器采用了两种先进的节能方式，使其功耗极低。内 嵌并行读写操作部件。 a r m l 0 e 系列微处理器主要应用于下一代无线设备、数字消费品、成像设备、 工业控制、通信和信息系统等领域。a r m l 0 e 系列微处理器包含a r m l 0 2 0 e 、 a r m l 0 2 2 e 和a r m l 0 2 6 e j s 三种类型，以适用于不同的应用场合。 2 3 7s e c u r c o r e 微处理器系列 s e c u r c o r e 系列微处理器是专为安全需要而设计的，提供了完善的3 2 位r i s c 技术的安全解决方案，因此，s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构 的低功耗、高性能的特点外，还具有其独特的优势，即提供了对安全解决方案的 支持。s e c u r c o r e 系列微处理器除了具有a r m 体系结构各种主要特点外，还在 系统安全方面具有如下的特点： s e c u r c o r e 系列微处理器主要应用于一些对安全性要求较高的应用产品及应 用系统，如电子商务、电子政务、电子银行业务、网络和认证系统等领域。 s e c u r c o r e 系列微处理器包含s e c u r c o r es c l 0 0 、s e c u r c o r es c l1 0 、s e c u r c o r e s c 2 0 0 和s e c u r c o r es c 2 1 0 四种类型，以适用于不同的应用场合。 2 3 8s t r o n g a r m 微处理器系列 i n t e rs t r o n g a r ms a 一11 0 0 处理器是采用a r m 体系结构高度集成的3 2 位 r i s c 微处理器。它融合了i n t e l 公司的设计和处理技术以及a r m 体系结构的电 源效率，采用在软件上兼容a r m v 4 体系结构、同时采用具有i n t e l 技术优点的体 系结构。 i n t e ls t r o n g a r m 处理器是便携式通讯产品和消费类电子产品的理想选择， 已成功应用于多家公司的掌上电脑系列产品，现已不生产。 2 3 9x s c a l e 处理器 x s c a l e 处理器是基于a r m v 5 t e 体系结构的解决方案，是一款全性能、高性 价比、低功耗的处理器。它支持1 6 位的t h u m b 指令和d s p 指令集，已使用在 7 第二章a r m 系统的体系结构 数字移动电话、个人数字助理和网络产品等场合。 x s c a l e 处理器是i n t e r 目前主要推广的一款a r m 微处理器。 2 4a r m 7 微处理器结构 2 4 1a r m 7 微处理器的寄存器结构 a r m 7 处理器共有3 7 个寄存器，被分为若干个组( b a n k ) ，这些寄存器包 括： 一3 1 个通用寄存器，包括程序计数器( p c 指针) ，均为3 2 位的寄存器。 一6 个状态寄存器，用以标识c p u 的工作状态及程序的运行状态，均为3 2 位，目前只使用了其中的一部分。 同时，a r m 处理器又有7 种不同的处理器模式，在每一种处理器模式下均 有一组相应的寄存器与之对应。即在任意一种处理器模式下，可访问的寄存器包 括1 5 个通用寄存器( r 0 - - , r 1 4 ) 、一至二个状态寄存器和程序计数器。在所有的 寄存器中，有些是在7 种处理器模式下共用的同一个物理寄存器，而有些寄存器 则是在不同的处理器模式下有不同的物理寄存器。 2 4 2a r m 7 微处理器的指令结构 a r m 微处理器的在较新的体系结构中支持两种指令集：a r m 指令集和 t h u m b 指令集。其中，a r m 指令为3 2 位的长度，t h u m b 指令为1 6 位长度。t h u m b 指令集为a r m 指令集的功能子集，但与等价的a r m 代码相比较，可节省3 0 4 0 以上的存储空间，同时具备3 2 位代码的所有优点。 2 5a r m 7 微处理器的应用选型 鉴于a r m 微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展， a r m 微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于a r m 微处理器有多 达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合， 给开发人员在选择方案时带来一定的困难，所以，对a r m 芯片做一些对比研究 是十分必要的。 a r m 微处理器内核的选择 从前面所介绍的内容可知，a r m 微处理器包含一系列的内核结构，以适应 不同的应用领域，用户如果希望使用w i n c e 或标准l i n u x 等操作系统以减少软 3 第二章a r m 系统的体系结构 件开发时间，就需要选择a r m 7 2 0 t 以上带有m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 功能的a r m 芯片，a r m 7 2 0 t 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 6 t 、s t r o n g a r m 都带有m m u 功能。而a r m 7 t d m i 则没有m m u ，不支持w i n d o w sc e 和标准 l i n u x ，但目前u c l i n u x 、u c o s i l 等不需要m m u 支持的操作系统可运行于 a r m 7 t d m i 硬件平台之上。事实上，u c o s i i 已经成功移植到多种不带m m u 的微处理器平台上，并在稳定性和其他方面都有良好的表现。 系统的工作频率 系统的工作频率在很大程度上决定了a r m 微处理器的处理能力。a r m 7 系 列微处理器的典型处理速度为0 9 m i p s m h z ，常见的a r m 7 芯片系统主时钟为 2 0 m h z - 1 3 3 m h z ，a r m 9 系列微处理器的典型处理速度为1 1 m i p s m h z ，常见 的a r m 9 的系统主时钟频率为1 0 0 m h z - 2 3 3 m l z ，a r m l 0 最高可以达到 7 0 0 m h z 。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要个主时钟频率，有的 芯片内部时钟控制器可以分别为a r m 核和u s b 、u a r t 、d s p 、音频等功能部 件提供不同频率的时钟。 芯片内存储器的容量 大多数的a r m 微处理器片内存储器的容量都不太大，需要用户在设计系统 时外扩存储器，但也有部分芯片具有相对较大的片内存储空间，如a t m e l 的 a t 9 1 f 4 0 1 6 2 就具有高达2 m b 的片内程序存储空间，用户在设计时可考虑选用这 种类型，以简化系统的设计。 片内外围电路的选择 除a r m 微处理器核以外，几乎所有的a r m 芯片均根据各自不同的应用领 域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如 u s b 接口、i i s 接口、l c d 控制器、键盘接口、r t c 、a d c 和d a c 、d s p 协处 理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能， 这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。 根据以上各方面的要求，h a r t 手持器采用p h i l i p 公司的l p c 2 2 9 0 处理器， l p c 2 2 9 0 是一款基于a r m 7 t d m i s 核是工业级的芯片，不具有m m u 功能，正 适合与u c o s i i 嵌入式操作系统配合使用。同时，l p c 2 2 9 0 内部仅有1 6 kr a m ， 因为具有内部大f l a s hr o m 的芯片型号价格都比较的高，可以直接扩充外部 r a m ，f l a s hr o m ，在满足存储大量数据程序的需要的同时可以降低购买芯片 的成本。l p c 2 2 9 0 还具有两路u a r t 接口、两路s p i 接口、两路c a n 总线接口， 适用于各种工业现场，可以为以后的扩展提供充分的空间。 9 第二章a r m 系统的体系结构 2 6 小结 本章主要对a r m 芯片的种类以及功能进行了简要的说明，着重介绍了 a r m 7 核的体系结构。 1 0 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 h a r t 手持器采用l p c 2 2 9 0 芯片为核心，同时扩充1 6 m 外部f l a s hr o m ， 4 m 外部r a m ，具有串行调试接口，键盘芯片，以及液晶( 2 4 0 x1 2 8 ) 接口。 3 1l p c 2 2 9 0 功能分析 3 1 1 特性 l p c 2 2 9 0 具有以下特性 6 1 1 7 1 夺16 3 2 位1 4 4 脚a r m 7 t d m i s 微控制器 夺1 6 k 字节片内静态r a m 夺串行b o o t 装载程序通过u a r t 0 来实现在系统下载和编程 通过外部存储器接口可将存储器配置成4 组，每组的容量高达1 6 m b 数据宽度为8 1 6 3 2 位 令e m b e d d e d l c e r t 接口使能断点和观察点当前台任务使用片内r e a l m o n i t o r 软件调试时中断服务程序可继续执行 令嵌入式跟踪宏单元e t m 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪 令8 路1 0 位a d 转换器转换时间低至2 4 4 m s 2 个3 2 位定时器带4 路捕获和4 路比较通道p w m 单元6 路输出实时时钟和 看门狗 多个串行接口包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 高速1 2 c 接口和2 个s p i 接 口 向量中断控制器可配置优先级和向量地址 多达7 6 个通用i o 口可承受5 v 电压1 2 个独立外部中断引脚e i n 和c a p 功 能 通过片内p l l 可实现最大为6 0 m h z 的c p u 操作频率 夺片内晶振频率范围1 3 0m h z 冷具有空闲和掉电两个低功耗模式 夺通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒 夺可通过个别使能禁止外部功能来优化功耗 令双电源c p u 操作电压范围1 6 5 1 9 5v 0 8v 8 3 ) 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 i o 操作电压范围3 6v ( 3 3v l o 呦 3 1 2l p c 2 2 9 0 的结构8 1 l p c 2 2 9 0 的内部结构框图如下i s ! ： 图3 1l p c 2 2 9 0 结构框图 它包含一个支持仿真的a r m 7 t d m i sc p u 、与片内存储器控制器接口的 a r m 7 局部总线、与中断控制器接口的a m b a 高性能总线( a h b ) 和连接片内 外设功能的v l s i 外设总线m ba r ma m b a 总线的兼容超集) 。 a h b 外设分配了2 m 字节的地址范围，它位于4 g 字节a r m 存储器空间的 最顶端。每个a h b 外设都分配了1 6 k 字节的地址空间( 中断控制器除外) 都连 接到v p b 总线。a h b 到v p b 的桥将v p b 总线与a h b 总线相连，外设也分配 了2 m 字节的地址范围，从3 5 g b 地址点开始。每个v p b 外设在v p b 地址空间 内都分配了1 6 k 字节地址空间。 1 2 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 片内外设与器件引脚的连接有引脚连接模块控制。软件可以通过控制该模块 让引脚与特定的外设相连接。 3 1 3l p c 2 2 9 0 的控制系统模块 系统控制模块包括几个系统构件和控制寄存器，这些寄存器具有众多与特定外 设器件无关的功能。系统控制模块包括晶体振荡器、复位、外部中断输入、存储 器映射控制、p l l 、v p b 分频器、功率控制核唤醒计时器。 每种类型的功能都有其自身的寄存器，不需要的位定义为保留位。 3 1 4l p c 2 2 9 0 的存储模块 l p c 2 2 9 0 包括几个不同的存储器区域。a h b 和v p b 外设区域都为2 m 字节， 可各自分配最多1 2 8 个外设，每个外设空间的规格都为1 6 k 字节，这样可简化 每个外设的地址译码，所有外设寄存器不管规格大小，都按照字地址进行分配， 这样就不再需要使用字节定位的硬件，不管字节还是半字寄存器都是一次性访 问。 g 8 盯5 髓 3 5 8 b h b 外设 v p b 丹嚣 髓缝| 彝存蕾 * 呦b l -t j l , m l l , m 鼍l i r a 片冉存黼 1 6k b 片内静悫r a m 图3 2 系统存储器映射 翻f f f f f f i c f 伽萨d 硼 凸枷潮 伪醇o3 f f f 0 x 4 o 姗 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 0 o z m a a ，5 3 s 2 m a 童5 a h 8 井垃 像 馆 v 俺井盈 图3 3 外部存储器映射 o 蚌下栉f f f f 时f e o o 口 o f o ff f f f o d ：o o o o 晦f ff f f f 0 x e 0 2 00 0 0 0 0 l e 0 t ff f f f 0 k e 0 0 0o 啪 向量中断挣制嚣 女黼井鼍惶田 h b 井赶1 2 国 伪幢井破荆柳 =； ( a h b 井被萄 辨h 8 井设2 帕井敬日 娜井设国 图3 4a 皿存储器映射 f 0 0 0 ( 4 6 4 岣 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 系统粹刳梭块 p 8 外搜引铆 删设1 1 4 - 1 ：孢1 。 素健蘑 = 。 1 0 f ；! 加 t , m 8 舞设t t l 3 ) s p l l 阳辨设1 1 2 ) 管静连接陵块 p b 井改嬲1 ) c - , p l o v p b 讳设霉1 0 ) r 1 c f v p b 外设柏) 5 p 1 0 b ： 设棚 f c 鸭辨设研 禾健辫 v p b 井竣柏) p i 棚o 盹锋设弼) u a f 订， p b 蚪设霉由 u a 触0 b 井设妁) t l m e r l p b 外设均 例e r 0 咿b 井设i 番f l 攀9 定时嚣 p b 蚪设舶) 图3 - 5 v p b 外设映射 3 2h a r t 手持器的硬件系统组成 f f f f c 0 h a r t 手持器仅有嵌入式处理器自己是不能独立工作的，必须给它供电，加 1 5 啪 棚 姗 湖 姗 姗 蝴 渊 蝴 螂 咖 溯 姗 糊 艄 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 上时钟信号，并提供复位信号，另外由于l p c 2 2 9 0 不具有片内程序存储器，内 部的r a m 也不足以满足应用的需要，还要外加上外部存储器系统，这样h a r t 才能最小限度的工作，这些提供嵌入式处理器运行所必须的条件的电路与嵌入式 处理器共同构成了这个嵌入式处理器的最小系统。为了能使h a r t 手持器正常 的工作实现预定的各个功能，还需要提供人机交互接口，因此需要外接一个液晶 屏，同时提供键盘接口功能。这样才能使用户顺利的使用。 除了这些基本的组成部分以外大多数基于a r m 7 处理器核的微控制器都有调 试接口，这部分在芯片实际工作时不是必需的，但这部分在开发时很重要，所以 试制的时候也要加入串口调试部分，j t a g 调试部分。 下面详细说明各个功能模块的组成1 9 1 1 1 0 l ： 3 2 1 电源模块 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有及其重要的地 位，但往往被忽略，一般情况下，电源系统如果没有设计好，很容易出现一些意 想不到的干扰，影响系统的正常工作。设计电源的时候要考虑的问题很多，主要 有以下几个方面要考虑：输出的电压、电流和功率：输入的电压、电流；安全因 素；输出波纹；电磁兼容和电磁干扰、体积限制及成本限制。 l p c 2 2 9 0 具有4 组电源，数字3 3 v ，1 8 v ，模拟3 3 v ，1 8 v 。但是因为本系 统对模拟信号的要求不是很高，所以模拟电源和数字电源可以不用分开提供电 源，电源如下图所示 一* 三qgnd 一埘 z l 懒如s 一 】 图3 - 6 电源模块 因为系统对这两组电压的要求比较高，且其功耗不是很大，所以不适合用开 关电源，应当用低压差模拟电源l d o ，合乎技术参数的l d o 电源芯片很多， s p x l l l 7 比较合适。因此分别选用两组输出3 3 v 和1 8 v 的各一个分别为系统提 供电源。 1 6 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 s p x l l l 7 可以承受2 0 v 的输入电压，但是太高的电压会使芯片的发热量上升， 散热不好设计，也容易影响芯片的性能。同时波动的电压对输出的电压波动也有 影响，太高的压差也使得选择低压差模拟电源失去了意义。这样就需要用前级电 源来调整。系统选择的前级电源输出为5 v ，这个电压既可以作为s p x l l l 7 的前 级输入，也可以作为其他需要5 v 电源供电的器件的电源。 3 2 2 时钟模块 目前所有的微控制器均为时序电路，需要一个时钟信号才能工作，大多数控 制器具有晶体振荡器，因此设计时钟信号源如下： 1 2 9 3 2 3 复位电路 图3 7 时钟模块 微控制器在上电时状态并不确定，将造成工作的不稳定，为解决这个问题， 所有的微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为一个确定的状 态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作，一些微控制器在上电时自身会产 生一个复位信号，但大多数的微控制器需要外部提供一个复位信号，因为这个信 号会使微处理初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对为控 制器的工作状态有重大的影响。s p 7 0 8 s 包含一个看门狗定时器，一个l ip 复位 模块，一个供电失败比较器，以及一个手动复位输入模块，适合复位的工作。由 于j t a g 调试时也需要一个复位信号，所以使用7 4 h c l 2 5 将信号分为两部分，分 别供微控制器和j t a g 使用。 图3 - 8 复位电路 1 7 第三章h a r t 手持器硬件平台的设计与调试 3 2 4 存储系统 本系统扩展了4 m 的s r a m 和1 6 m 的f l a s hr o m ，电路图如下 3 - 9 存储器电路 f l a s h 和s r a m 分别使用b a n k o 和b a n k l 的空间，由c s 0 和c s l 负责片 选，存储器使用1 6 位总线连接方式，数据总线使用了d o d 1 5 ，地址总线使用了 a 1 - a 2 0 。对于1 6 位的s r a m ，b l s 0 和b l s l 信号用于控制低字节和高字节的 写操作。l p c 2 2 9 0 没有内部f l a s h 存储器，所以只能用外部的f l a s h 保存用 户最终的程序。 3 2 5 液晶模块 本系统可以直接与液晶相连接，接口电路如图3 1 0 所示，采用8 位总线方 式连接s m g 2 4 0 1 2 8 a 图形液晶模块，该模块没有地址总线，显示地址和显示数 据均通过d b o d b 7 接口实现，由于模块工作电源时5 v 而l p c 2 2 9 0 的i 0 电压 时3 3 v 所以在总线上串接一个4 7 0q 的保护电阻，图形液晶模块的c d 与a 1 连接，使用a 1 控制模块处理数据偷令。将c d 与a l 连接的好处就是l p c 2 2 1 0 可以使用1 6 位总线方式操作该图形液晶模块( 高8 位数据被忽略) 。模块的片选 信号由l p c 2 2 9 0 的c s 3 决定。液晶显示