（机械电子工程专业论文）无线课堂教学网络的pda终端设计与实现.pdf

大连理【：大学硕士学位论文 摘要 传统p d a 产品功能单一，不能适应教育发展的需要实现课掌教学网络化。本文设计 的无线课堂教学网络p d a 终端可以把数十个p d a 学习机终端组成小型无线课堂网络，使 得教学方法更加先进，提高了学生学习的兴趣和效率。这种以嵌入式技术为核心的无线 课掌教学网络p d a 终端，在普及课堂教育电子化提高教育质量方面发挥了重要的作用。 因此，该课题具有很好的现实意义。 本文设计了无线课堂教学网络的p d a 终端并且研发出产品。文中对系统的各个模块 进行器件选型和电路设计，给出了系统的结构框图。系统采用了两个a t 8 9 c 5 2 单片机作 为主从c p u 。主c p u 的总线上连接了液晶显示模块、n a n d f l a s h 、n o r f l a s h 、程序s r a m 、 数据s r n d 等主要模块，并且通过串口连接无线通信模块。从c p u 主要控制两个p s 2 键 盘接口、电压检测模块、电源升压模块等。文中同时给出系统的软件体系架构图、包括 硬件驱动层、u c o s i i 操作系统层、功能模块层和应用软件层。系统软件的性能良好， 充分发挥了硬件性能并增强系统的灵活性和稳定性。本文还着重论述了基于n a n d f l a s h 的嵌入式文件系统、基于p s 2 协议和t r i e 树结构的多语言输入系统和基于n r f 2 4 0 1 的 无线通讯模块的设计与实现。文中设计的p d a 终端具有五笔打字训练、日文打字训练， 英语学习、r 语学习、传票翻打训练、计算器计算以及个人记事本编辑等功能。 通过课题的研究，成功设计了无线课章教学网络的p d a 终端并且制作出产品。产品 在实际使用过程中能够符合功能要求并且性能稳定可靠，证实本文在硬件电路设计和软 件架构设计上所作的论证是切实可行的。 关键词：p i ) a ；无线通信；文件系统 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h ep d at e r m i n a lu s i n gi nw i r e l e s s n e t w o r kf o rt e a c h i n g a b s t r a o t t r a d i t i o n a lp d ap r o d u c t sj u s th a v es i m p l ef u n c t i o n s ，w h i c hc a nn o tb ec o m p o s e dt o n e t w o r ki nt h ec l a s s r o o m , u n a b l et om e e tt h en e e do fe d u c a t i o na tt h ep r e s e n tt i m e t h ep d a t e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sp a p e rs o l v e sa b o v ep r o b l e m s a l lt h ep d at e r m i n a l si nt h e c l a s s r o o mc a nb ec o m p o s e dt oas m a l lw i r e l e s sn e t w o r k ，w h i c hm a k e sm o r ee f f i c i e n ti n t e a c h i n ga n di m p r o v i n gs t u d e n t si n t e r e s ti nl e a r n i n g t h i sp d a t e r m i n a lb a s e do ne m b e d d e d t e c h n o l o g yp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ni m p r o v i n gt h eq u a l i t yo fe d u c a f i o l l ，m a k e sap r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ei na p p l i c a t i o n t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ei m p l e m e n t a t i o no ft h ep d at e r m i n a lu s i n gi nw i r e l e s sn e t w o r k f o rt e a c h i n g i tm a k e st h ed e v i c es e l e c t i o na n dc i r c u i td e s i g nf o r t h ev a r i o u sm o d u l e so ft h e s y s t e m ，g i v e st h es y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m t h es y s t e ma d o p t st w oa t 8 9 c 5 2m c u ，t h em a i n c p uu s et h es y s t e mb u st oc o n n e c tt h el c dm o d u l e ，n a n d f l a s h ，n o r f l a s h ，p r o g r a m s r a m ，d a t as r a m ，a n du s et h es e r i a lp o r tt oc o n n e c tt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l e t h es l a v ec p uw a su s e dt oc o n t r o lt w op s 2k e y b o a r di n t e r f a c e ，v o l t a g ed e t e c tm o d u l e ，b o o s t m o d u l ea n dd cs u p p l ym o d u l e t h i sp a p e rg i v e st h es y s t e ms o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ，i n c l u d i n g h a r d w a r ed d v e r sl a y e r , t h eu c o s i io p e r a t es y s t e ml a y e r , f u n c t i o n a lm o d u l e sl a y e ra n d a p p l i c a t i o ns o f t w a r el a y e r a n dt h es o f t w a r em a k e sag o o dp e r f o r m a n c e w h i c he n b a n c et h e h a r d w a r e sp e r f o r m a n c ea n di m p r o v es y s t e mf l e x i b i l i t ya n ds t a b i l i t y b e s i d e s ，t h i sp a p e ra l s o f o c u s e do nt h r e ea s p e c t s ：t h ee m b e d d e df i l es y s t e mb a s e do nn a n d f l a s h ；m u l t i - l a n g u a g e i n p u ts y s t e m sb a s e d o np s 2p r o t o c o la n dt r i e - t r e ed a t as t r u c t u r e ；d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o n o f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l eb a s e do nn r f 2 4 0 1 t h ep d at e r m i n a ld e s i g n e di nt h i sp a p e rw a ss u c c e s s f u l ，w h i c hc a nm e e tt h ef u n c t i o n a l r e q u i r e m e m s ，p e r f o r ms t a b l ya n dr e l i a b l y i tc o n f i r m e dt h a tt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g na n d s o f t w a r ea r c h i t e c t u r ed e s i g na l ep r a c t i c a b l e k e yw o r d s ：p d a ；w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ；f i l es y s t e m i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：二年磷丛# 一日期：立圈葺卫耳一 大连理：i = 大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门戎机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名 立4 年_ 监月摹月 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 课题的意义和应用价值 消费类电子是嵌入式系统的一个重要应用方向，而p d a 设备作为消费类电子的一 个重要分支，随着嵌入式技术的不断进步以及市场需求的日新月异，一直以来都以变幻 莫测的形态展示在世人面前。其中最典型的是p d a 、手机、电子辞典等移动终端设备【l 】。 传统的手持设备划分得比较明确，比如p d a 就是单纯意义上的个人信息管理设备、 手机是仅具有通话功能的移动电话，而电子辞典也只是一个掌上的英汉汉英辞典。但是 信息技术的不断进步和人们应用需求的提高，已经促使这些手持设备的界限不再明显， 并且相互之间的融合已是大势所趋。例如将m p 3 以及游戏机等多媒体娱乐终端与传统 手机相结合而产生的多媒体手机( s m a r t p h o n e ) ，再比如将p d a 与传统手机相融合而产生 了当下日趋火热的智能手机。值得一提的是从2 0 0 4 年底开始在消费电子领域异军突起 的学习机，它以英语学习狂潮为大背景，从传统的英语复读机、电子辞典以及普通数码 学习机发展到现在的多功能移动学习系统，以满足人们随时随地学习、不断充电的需求。 目前的数码学习机己经发展成为集电子辞典、m p 3 甚至p d a 为一体的多功能手持 设备。本文所研究的多功能学习机项目，正是将数码学习机与传统p d a 融为一体，市 场定位于职业教育的中专生，普通中学的中学生。 1 2 嵌入式系统发展概述 当前嵌入式系统已普遍应用于国防电子、数字家庭、工业自动化、汽车电子、医学 科技、消费电子、无线通讯、电力系统等国民经济的主要行业。随着嵌入式技术的发展， 嵌入式系统将更广泛地应用于人类生活的方方面面。嵌入式系统是将先进的计算机技 术、半导体技术、电子技术和各行业的应用技术相结合的产物，是一个技术密集，资金 密集，高度分散，不断创新的基于硅片的知识集成系统。嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t v m s ) 是以应用为中心，以计算技术为基础，软件硬件可剪裁的适应应用系统对功能、可靠性、 成本、体积、功耗等严格综合性要求的专用计算机系统。 “嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素 2 1 ，不同 的嵌入式系统其特点会有所差异，一般来说，嵌入式系统有以下特点： ( 1 ) 嵌入式系统通常是面向特定应用的。嵌入式c p u 与通用型的最大不同之处就是 嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，通常都具有低功耗、体积小、集 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于嵌 入式系统设计趋于小型化，移动能力也大大增强，与网络的耦合也越来越紧密。 ( 2 ) 嵌入式系统是将计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相 结合后的产物，是一门综合技术学科。由于空间和各种资源相对不足，嵌入式系统的硬 件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更 高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 ( 3 ) 嵌入式系统软件的固化性。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器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 ( 4 ) 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，本身不具备自动升级能力。嵌入式 系统的升级换代是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较 长的生命周期。嵌入式系统设计完成以后用户通常是不能对其中的程序功能进行修改 的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 嵌入式系统从2 0 世纪7 0 年代末的单片机算起，大致经历了五个阶段【3 1 ： 第一阶段即s c m 一单片微型计算机( s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r ) 阶段，主要是寻求 最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构，最典型的是m c s 5 1 单片机。它具有与监 测、伺服、指示设备相配合的功能，应用于专业性极强的工业控制系统中，没有操作系 统的支持，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。该阶段系统 的主要特点是：系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有 用户接口。 第二阶段即m c i 卜一微控制器( ( m i c r oc o n t r o l l e ru n i o 阶段，该阶段不断扩展满足 嵌入式应用时对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能 力。和s c m 相比，m c u 的最大特点是单片化、体积大大减小，从而使功耗和成本下降、 可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比 较丰富，适合于工业控制。 第三阶段即s o c - 单芯片系统( s y s t e m o nc h i p ) 阶段，该阶段就是寻求应用系统在 芯片上的最大化解决，整个嵌入式系统大部分均可集成到一块或几块芯片中去，应用系 统电路板将变得很简洁，对于减小体积和功耗、提高可靠性非常有利。随着微电子技术、 i c 设计、e d a 工具的发展，基于s o c 的单片机应用系统设计会有较大的发展。 第四阶段即e o s _ 嵌入式操作系统阶段。该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；操作系统内核小、效率高，并且 具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图 大连理工大学硕士学位论文 形窗口以及用户界面等功能；具有大量的应用程序接1 2 1 ( a p i ) ，开发应用程序简单；嵌入 式应用软件丰富。 第五阶段是以基于i n t e r a c t 为标志的嵌入式系统，这是一个正在迅速发展的阶段。 目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r a c t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r a c t 技术 与信息家电、工业控制技术等结合同益密切，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。s o c 和嵌入式操作系统在整个嵌入式系统发展中扮演越来越重要 的角色。 1 3 产业背景分析 1 3 1教育产业中嵌入式数码学习机的发展 中国特定的教育环境促成了教育相关产业的发展壮大，消费电子领域的众多商家也 越来越关注近千万在校初高中学生群体。这部分群体构成规模庞大而又稳定的教辅市场 消费群。2 0 0 4 年以来数码学习机迅速成为中国r r 厂商特别是消费电子类厂商新的市场 增长点。很多学校采用了电子教学仪器：电子辞典、电子书籍、电子实验箱等辅助教学 手段，对提高学生的学习兴趣，强化素质教育起到了很大的作用! 很多企业就此推出了 一系列的产品，以满足当前的需求。 信息和教育资源建设是教育信息化的核心。教育信息化过程中的信息资源组织和有 效传播可谓是重点工程。尽管我国教育信息化的建设正呈现出蓬勃发展的良好态势，但 与发达国家相比仍有很大差距。教育信息化是实现我国教育跨越式发展的重要手段。我 国自“九五”以来，教育信息化就步入了快速发展期，呈现出蓬勃发展的态势。 数码学习机的发展主要经历了电子词典、英语复读机、学习机三个阶段。第三代的 数码学习机凭借微型掌上电脑软硬件技术，集成了复读机、电子辞典、电子书、u 盘、 m p 3 、录音笔等众多功能。各个学习机厂商在广告宣传、新技术和新产品的研发以及学 习资源等多方面展开激烈竞争。其中，“好记星”凭借其强大的广告攻势得到了极高的 市场认可度；快译通、文曲星等传统电子词典厂商凭借雄厚的技术优势也占据一席之地； 同类知名品牌还有e 百分、诺亚舟、d e c ( 中恒) 、爱国者、朝华数码、清华同方等。 就技术含量层面讲，绝大多数数码学习机还集中在低端领域，功能比较单一、扩展 性不够、核心技术不能满足用户需求。因此，提高学习机产品的技术含量、增强多功能 性、拓宽学习机与其他手持设备的融合以争取更多的用户群体将是数码学习机的发展趋 势所在。 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 1 3 2 国内外p d a 产品的发展现状和趋势 中国掌上电子产品市场正进入发展阶段，市场异常活跃。2 0 0 0 年以来各大厂商都加 紧对这一市场的挖掘，产量增长迅速。在需求不断增长的情况下，对于掌上电子产品来 说，市场前景很广。对于各大掌上电子产品厂商来说，这个行业发展空间很大，是一个 成长型的行业。所以市场还可以细分，产品还可以差异化，品牌还可以创新。根据 c b i r e s e a r c h 的调查显示，2 0 0 0 年中国掌上电子产品市场销量接近3 8 0 万台，销售收入 达4 0 亿人民币。 p d a 是p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t 的缩写，中文通常译为“个人数字助理”，是最具 代表性的嵌入式手持设备之一。狭义的p d a 可以称作电子记事本，其功能单一，主要 是管理个人信息，如通讯录、记事和备忘、日程安排、便笺、计算器、录音和辞典等功 能。而且这些功能是固化的，不能根据用户的需求升级和实现个性化定制。广义的p d a 原本特指掌上电脑，兼有计算、网络、传真甚至电话等功能。不断变化发展的p d a 涵 盖了各行业应用p d a 以及融合多媒体、通讯功能，使p d a 的概念更加拓宽。从应用角 度看，p d a 分为如下几大类【4 】： 电子词典+ 记事本：也可以称为初级的p d a 应用系统，比如人们熟知的快译通、商 务通和文曲星等，按照应用系统所完成的功能来说，它主要是提供了最基本、最常用的 p i m ( p e r s o n a li n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t ) 个人信息管理功能，如通讯录、记事本和英译汉、 汉译英电子词典等。 通用型p d a 应用系统：“无处不在的应用终端和随时随地的移动计算”成为驱动 p d a 功能扩展的目标后，推出的一系列p d a 不仅仅限于只完成基本的p i m 功能，更具 备了像p c 那样处理复杂计算的高级功能。这类应用系统采用了“m o r e i s m o r e 的原则， 集成了丰富的扩展功能，相对其它几种应用系统较复杂。 p d a 与手机及其他手持设备复合的应用系统：顺应p d a 与手机在功能上进行整合 的趋势，兼有手机功能的p d a 应用系统应运而生，它强调无线通讯同时也弥补了手机 所无法具有的大存储量和短信息交换的不足。另外将p d a 与诸如学习机、p m p 等典型 手持设备的融合，也成为延续p d a 和其他手持设备市场生命的重要手段。 行业p d a 应用系统：p d a 在行业领域有着非常大的发展空间，诸如石油、金融保 险、证券、医疗、公安司法、房地产、商业、汽车、军队、教育、营销、商品流通、邮 政速递、工商税务、电力、铁路运输等各种行业对p d a 都蕴含着巨大的市场潜力。 4 一 大连理工大学硕士学位论文 1 3 3 职业教育用p d a 学习机的需求分析 目前，大多数的p d a 学习机提供的只是背单词，英汉汉英的功能，是针对普通的 中小学生学习之用的。他们并不能满足职业教育行业的教学使用需求。在职业教育这个 领域，学生们需要的学习机是针对专门的应用而定制的。比如职业学校的学生需要进行 五笔打字训练，日文打字训练，传票翻打训练等等。一般来说配置普通p c 机是最好的 选择，但是这样的配置成本过高，一般的职业中专学校难以承受得起。这就需要一种既 能进行专业录入训练的学习机，又能辅助学生日常学习的p d a 学习机。所以职业教育 行业用p d a 学习机的市场需求是十分巨大的。 本课题研制无线课堂教学网络的p d a 终端。支持标准的p s 2 键盘，支持中英日文 输入法，支持文件系统，支持教室内小型无线教学网络，能进行专业的职业教育训练， 并且能够把一个班里面几十个同学的p d a 学习机组成网络来组织教学，如图1 1 。 图1 1 无线课堂教学网络 f i g 1 1 w i r e l e s sn e t w o r ki nc l a s s r o o m 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 1 4 本文主要工作内容及具体章节安排 本文所论述的型号为e c o u r s e 0 7 的p d a 学习机终端是在e c o u r s e 0 6 的技术 基础上做全新设计的产品。本文主要完成了以下工作： ( 1 ) 对系统各个模块进行器件选型和电路设计，着重进行了系统电磁抗干扰分析， 最终确定系统的硬件方案并给出了系统的结构框图。同时，还制作了系统的开发板并且 调试成功。 ( 2 ) 根据软件体系架构的理论，对系统软件架构进行了深入的分析，对将系统的软 件设计部分分成四个层次：硬件驱动层、u c o s i i 操作系统层、功能模块层和应用软件 层，并且编写了各个层次的实现代码。 ( 3 ) 根据p d a 终端的使用环境，设计了基于n a n d f l a s h 的嵌入式文件系统。嵌 入式文件系统共分为三层，驱动程序层、存储块管理层、文件存储管理层。该嵌入式文 件系统有较快的读写速度和很强的容错性能。 ( 4 ) 设计了基于p s 2 协议和t i l e 树结构的多语言输入系统，支持外接普通电脑的 p s 2 键盘进行操作。系统支持中英日三种语言输入，包括有英文输入法、拼音输入法、 五笔输入法、日文r o m a 输入法、日文k a n a 输入法。 ( 5 1 通过对射频收发芯片n r f 2 4 0 1 的分析，设计了基于n r f 2 4 0 1 的无线通讯模块的 电路，并且通过调试制作出外置的无线模块产品。基于a t 8 9 c 5 1 编写了对n r f 2 4 0 1 的 模拟s p i 接口通信程序，实现了r e a d 和w r i t e 等接口函数。此外，还设计了无线课 堂教学网络内的通信协议，实现了无线课堂教学网络。 ( 6 ) 实现了p d a 终端的功能模块，包括：五笔录入、日文录入、英语学习、日语学 习、传票练习、工具书、工具箱、设置等等。 本文的具体章节安排如下： 第一章：绪论 第二章：系统硬件部分的总体方案设计 第三章：系统软件部分的总体方案设计 第四章：基于n a n d f l a s h 的嵌入式文件系统设计 第五章：基于p s 2 协议和t r i e 树结构的多语言输入系统设计 第六章：基于n r f 2 4 0 1 芯片的无线通讯模块的设计 结论 一 一6 大连理工大学硕士学位论文 2 硬件方案的设计与实现 2 1 硬件需求分析 针对教育领域对课堂电子化教学的需求，本文论述的无线课堂教学网络p d a 终端 要实现的基本功能如下： ( 1 ) 液晶界面显示 使用2 5 5 1 2 8 分辨率的液晶图形点阵界面，能够显示3 2 级厌度的图片，能够显示 各个点阵级别的汉字和简单的灰度动画。 ( 2 ) 键盘输入功能 除了p d a 学习机自带的精简键盘外，系统还可以外接p s 2 协议的标准1 0 7 键键盘， 方便学生用户进行课堂练习。 ( 3 ) 文件管理功能 支持基于n a n d f l a s h 芯片的嵌入式文件系统，可以进行文件的建立、删除、修 改、复制等操作。能够兼容p c 机上的f a t l 6 文件系统，和p c 机进行文件交互。 ( 4 ) 无线通信功能 支持基于n r f 2 4 0 1 芯片的无线通信模块，可以组成无线课掌教学网络，包括有一个 主站( p c 机端) 和最多1 0 0 个终端节点( p d a 学习机终端) 。 ( 5 ) 多语言输入法功能 支持英文、中文、日文三种语言的输入。英文输入法输入的是a s c i i 码，中文输入 法输入的是g b 2 3 1 2 汉字编码汉字，包括五笔输入法和拼音输入法。日文输入法输入的 是s h i t t - j i s 编码标准所纳入的日文假名和日文当用汉字，包括日文r o m a 输入法和日文 k a n a 输入法。 ( 6 ) 英汉辞典和汉英辞典功能，英语学习和日语学习功能 具有英汉词库和汉英词库，可以进行英汉，汉英互译的操作。配合学生教材设计外 语学习功能，包括有单词记忆、语法学习、文章浏览等功能。另外还具有错误记忆功能， 实现错误题目重复练习。 ( 7 ) 常用工具功能 具有通讯录、课程表、计算器、记事本等常用工具功能。 硬件方案设计必须满足上述的功能要求，并且有一定的性能盈余。硬件方案设计必 须考虑很多因素：是否能够提供足够数据处理能力；是否能够提供足够外围扩展接口； 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 是否能减小应用程序开发工作量；是否便于进行系统二次开发和功能扩充等。下面将重 点介绍各个硬件模块的设计分析，并且最终给出硬件方案设计图。 2 2 处理器选型及连接设计 考虑到系统的可扩展性和成本要求，本系统采用了两片8 0 5 1 内核的a t 8 9 c 5 2 单片 机来组成其核心处理器部件。主要原因如下： 首先，8 0 5 1 内核的8 位微控制器能满足本系统的数据处理要求。对于低端消费类电 子产品来说8 位体系结构是绰绰有余的，8 位单片机以良好的性价比，占据着嵌入式 c p u 领域的大部分市场份额。其次，8 0 5 1 内核的处理器芯片本身及其配套开发工具的 价格都比较低。8 0 5 1 内核处理器芯片的价格只是a r m 9 内核的处理器芯片的1 1 0 ，其 开发工具价格也后者的1 8 。最后，8 0 5 1 内核的微控制器其通用性强，容易找到兼容芯 片。它们都遵从标准m c s 5 1 指令系统，产品引脚兼容。现在全世界仍有2 0 多家8 位 处理器厂商在始终如一地、定期地推出新的器件和系列。这样，可以在基本不增加成本 的条件下提高产品的性能【5 1 。 a t 8 9 c 5 2 是美国a t m e l 公司生产的低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含 8 k b y t e s 可反复擦写的只读程序存储器r ( e e p r o m ) 和2 5 6 b y t e s 的随机存取存储器( r a m ) ， 器件采用a t m e l 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准m c s 5 1 指令系统及 8 0 5 2 产品引脚兼容，内置通用8 位中央处理器和f l a s h 存储单元。功能强大的a t 8 9 c 5 2 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。a t 8 9 c 5 2 的管脚定义如图2 1 所示。其主要 功能特性如下【6 】： 工作电压：l 版本3 帖3 6 v ，c 版本4 5 5 5 v ； 兼容8 0 5 2 系列； 每机器周期为1 2 时钟周期； 8 k b 片上程序闪存； 2 5 6 1 3 片上r a m ； 3 个1 6 位定时器计数器； 4 个8 位i o 端口( d i p 封装) ； 全双工串口； 两个中断优先级； 省电模式：挂起和掉电模式； 代码保护功能； 一8 大连理工大学硕士学位论文 p 1 5 p 1 8 p 1 7 r s t ( r x d ) p 3 0 n c ( t x o ) p 3 1 ( i n t o ) p c ) 2 ( 1 n t l ) p 3 3 f r o ) p 3 4 r r l lp 3 ，5 ooq q 铊冀 爿f - 舌z 型型定定裂 “ 妻室喜三薯 a t 8 9 c 5 2 的管脚定义图 a t 8 9 c 5 2p i nc o n f i g u r a t i o n s p o ，4 ( a d 4 ) p 0 5 ( a d 5 ) p 0 6 ( a d 6 ) p 0 7 ( a d 7 ) e a ，v p p n c a l e ，p r o g p s e n p 2 7f a i s ) p 2 6f a l 4 ) p 2 5 ( a 糟) 系统使用了两片m c s 5 l 单片机，分为主c p u 和从c p u 两个部分。主c p u 控制包 括液晶屏幕、n a n d f l a s h 、n o r f l a s h 、程序s r a m 、数据s r a m 、无线通信模块 等主要模块。从c p u 控制两个p s 2 键盘接口、电压检测模块、电源升压模块、蜂鸣报 警模块等。主从c p u 之间有四根连线相通，从c p u 可以控制主c p u 复位，还可以和 主c p u 进行键盘码通讯，解决了主c p u 管脚不够的瓶颈及其与外设的速度匹配问题。 主c p u 中的程序存储空间共8 k ，不足以容纳庞大的代码，所以这些代码是被放到 n a n d f l a s h 中的。系统需要把代码读取出来放到程序s r a m 中并且作为程序来执行， 这就需要主c p u 能够做“片内”和“片外”程序的相互切换。主c p u 不能自主切换， 需要外界的控制把e a 管脚从高电平变为低电平并且复位r s t 管脚。这时，从c p u 就 很好的完成了这_ 功能。在这个从c p u 控制下，主c p u 系统可以自由地运行于片内 r o m 的8 k b 程序或者片外s r a m 的6 4 k b 程序，实现了程序代码空间的扩展。主从 c p u 的管脚连接如图2 2 所示。 (lv一od对nlv一“o乱一i_2一i_om0lvo0d o o 。n 一巴old一山“上)l正魁l d 1 d寸l d 州_ 1 卜 卜mo正一心z 誊一引图毽 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 图2 2 主从c p u 的管脚连接图 f i g 2 2c o n n e c t i n gm a po fm a s t e rc p u a n ds l a v ec p u 2 3 液晶显示模块选型及连接设计 常用的有l e d 显示器和l c d 液晶显示器，二者又都可分为字段式和点阵式两种。 l e d 显示器由于其功耗较大，而电子词典功耗一般很低，所以此系统没有采用l e d 显 示器。液晶显示器l c d 具有功耗低、体积小、字形美观等优点，在电子类消费产品中， 尤其是在低功耗系统中得到日益广泛的应用。l c d 显示模块有三种不同的显示方式，一 是七段数码显示，这种结构只能显示数字。二是采用点阵式显示字符，每个字符可采用 5 x 8 点阵显示。它可以显示所有的a s c i i 符号，显示的位数一般也比较多。三是图文式 点阵液晶显示器，整个显示屏由均匀的点阵组成，可显示数字、字母、图形、图像等各 种符号。 点阵式液晶通过点阵的组合，能显示大量的字符、曲线及图形，所以它提供的显示 信息量非常大，但它的接口及控制电路相当复杂。一般情况下，厂家都给点阵液晶模块 本身配上智能型接口控制电路及字符存储器，用户只需对点阵液晶模块进行控制。 针对本产品需要实现的功能，本文选用了深圳晶华液晶厂生产的2 5 5 x1 2 8 点阵的 液晶模块，控制器是台湾矽创电子( s i t r o n i x ) 的s t 7 5 2 9 型号的控制芯片。该芯片 支持3 2 级灰度图形点阵显示，它有2 5 5 个s e g m e n t 输出端和1 6 0 个c o n u n o n 输出端。 一1 0 大连理工大学硕士学位论文 液晶内部有升压模块可以使液晶的驱动电压从3 7 6 v 达到1 8 v 。电源部分可以采用内部 升压也可以使用外部升压【7 】。 s t 7 5 2 9 可以直接接到单片机上，输出模式可以是8 _ b 1 6 b i t 并行接口或者是 4 一l i n e ，3 - l i n e 串行接口( s p i ) ，也可以采用i i c 总线模式接收显示数据并把显示数据 存储到片上的显示r a m 区域。这个显示区域的容量是1 6 0 * 2 5 5 * 5 b i t = 2 0 4 0 0 0 b i t s ，因为 该液晶的每个点都是3 2 级灰度显示，每个点用5 b i t 来表示，那么全部1 6 0 x 2 5 5 个点的 信息就需要2 0 4 0 0 0 b i t s 来表示。 液晶和c p u 的连接需要考虑到总线时序问题，液晶作为总线上的一个器件要符合 单片机读时序和写入时序的要求。在不选择液晶的时候要使液晶脱离总线，向液晶写入 的命令也需要符合总线模式的设置。考虑到上述的要求，需要有一个液晶的引脚a 0 ，通 过3 7 3 锁存器接到i o 的p 0 0 口上。这样系统总线就把液晶作为一个类似r a m 的普通 器件处理，时序也和处理普通器件的时序一致。液晶和c p u 的连接如图2 3 。 l c dc o n 2 0 图2 3 液晶模块电路连接原理图 f i g 2 3 s c h e m a t i cd i a g r a mo f l c dm o d u l ec i r c u i t 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 2 4 存储芯片选型及连接设计 目前，大部分的嵌入式设备都使用闪存芯片( f l a s h ) 来作为其存储单元。闪存是一种 能够长期存储数据的设备，即使在不加电的情况下，数据也不会丢失。和硬盘相比，闪 存在体积、抗震性、耗电等方面都有很大的优势，成为嵌入式系统的首选存储设备。常 见的闪存芯片一般有以下两种：一种是传统的n o r 闪存，其芯片内储存的数据可以直 接读取，因而速度比较快，但是价格较高：另外一种是n a n d 闪存，这种闪存也称为 固态硬盘，它内部数据以块为单位进行存储，地址线和数据线共用，使用控制信号选择。 各种存储设备如优盘、主板b i o s 芯片、m p 3 、s m a r t m e d i a 卡、p c m c i a 卡等都是使 用上面的两种芯片作为存储介质的。 f l a s h 存储器技术分类嘲： ( 1 ) n o r 技术 n o r 技术闪速存储器是最早出现的f l a s hm e m o r y ，目前仍是多数供应商支持的技术 架构。它源于传统的e p r o m 器件，与其它f l a s hm e m o r y 技术相比，具有可靠性高、 随机读取速度快的优势。在擦除和编程操作较少而直接执行代码的场合，尤其是纯代码 存储的应用中广泛使用，如p c 的b i o s 固件、移动电话、硬盘驱动器的控制存储器等。 n o r 技术f l a s hm e m o r y 具有以下特点： 程序和数据可存放在同一芯片上，拥有独立的数据总线和地址总线，能快速随机 读取，允许系统直接从f l a s h 中读取代码执行，而无需先将代码下载至r a m 中再执行： 可以单字节或单字编程，但不能单字节擦除，必须以块为单位或对整片执行擦除 操作。在对存储器进行重新编程之前，需要对块或整片进行预编程和擦除操作。由于 n o r 技术f l a s hm e m o r y 的擦除和编程速度较慢且块尺寸又较大，因此擦除和编程操作所 花费的时间很长，在数据存储和文件存储的应用中，n o r 技术显得力不从心。 ( 2 ) n a n d 技术 这种结构的f l a s h 存储器适合于数据存储和文件存储，主要作为s m a r t - m e d i a 卡、 c o m p a e t f l a s h 卡、p c m c i a 卡、固态盘的存储介质，并正成为闪速磁盘技术的核心。 n a n d 技术f l a s hm e m o r y 具有以下特点： 以页为单位进行读和编程操作，l 页一般为2 0 4 8 字节，以块为单位进行擦除操 作，1 块一般为1 6 k b 1 2 8 k b 。具有快编程和快擦除的功能，其块擦除时间是2 m s ，而 n o r 技术的块擦除时间达到几百m s 。 数据、地址采用同一总线实现串行读取。随机读取速度慢且不能按字节随机编程。 芯片尺寸小，引脚少，是单位成本最低的固态存储器。 大连理工大学硕士学位论文 芯片包含有失效块，失效块不会影响有效块的性能，但设计时需要将失效块在地 址映射表中屏蔽起来。 ( 3 ) a n d 技术 a n d 技术是h i t a c h i 公司的专利技术。h i t a c h i 和m i t s u b i s h i 共同支持a n d 技术。a n d 技术与n a n d 一样采用“大多数完好的存储器”概念，目前，在数据和文档存储领域中 占重要地位的是另一种闪速存储技术。 ( 4 ) 由e e p r o m 派生的闪速存储器 e e p r o m 具有很高的灵活性，可以单字节读写( 不需要擦除，可直接改写数据) ，但 存储密度小，单位成本高。部分制造商生产出另一类以e e p r o m 做闪速存储阵列的f l a s h m e m o r y ，这类器件具有e e p r o m 与n o r 技术f l a s hm e m o r y 二者折衷的性能特点。读 写的灵活性逊于e e p r o m ，不能直接改写数据。在编程之前需要先进行页擦除，但与 n o r 技术f l a s hm e m o r y 的块结构相比其页尺寸小具有快速随机读取和快编程、快擦除 的特点。 根据上述比较，结合本系统的特点要求，本文分别选择了三星公司的n a n d f l a s h ： k 9 f i g 0 8 芯片和s p a n s i o n 公司的n o r f l a s h ：s 2 9 g l 0 3 2 a 。k 9 f 1 g 0 8 作为系统的大容 量可修改存储芯片，包括各个菜单项对应的程序文件、每个程序所需要的数据信息、记 事本文件、英汉字典和汉英字典库文件等等。s 2 9 g l 0 3 2 a 主要存储不可修改并需要高 速访问的数据，包括1 2 1 2 点阵的中文字模信息，1 6 1 6 点阵的日文字模信息，五笔、 拼音、日文s h i f tj i s 编码信息等。 图2 4k 9 f 1 g 0 8 结构框图 f i g2 4 k 9 f i g 0 8s t r t l c t u r ef r a m e 无线课堂教学网络的p d a 终端设计与实现 k g f l g 0 8 的容量为1 2 8 m 字节【9 】。存储芯片包括1 0 2 4 块，每块6 4 页，页大小为2 0 4 8 + 6 4 字节，6 4 字节为备用空闻。其中备用空间可以用来存储e c c ( 纠错码1 ，坏块信息 和文件系统相关的数据。k 9 f 1 g 0 8 的具体结构如图2 4 所示。 n a n d f l a s h 存储器只提供了8 个数据f o 1 ( i 0 0 i 0 7 ) ，它复用其8 个通用的i o 口来传递信息，依靠c l e 和a l e 这两个引脚来区分传送的是数据、地址还是命令。对 芯片读写，擦除命令的写入都是通过置高c l e 引脚同时向i o 口写入命令代码来完成。 地址的写入则是通过置高a l e 引脚同时向i o 口写入地址字节来完成。当同时置低c l e 和a l e 引脚时，可以通过优i 口对芯片写入数据。 另外k 9 f l g 0 8 只提供了8 个数据i ，o 口，确有1 2 8 m 字节的存储空间，单片机如何 去访问一个指定的存储单元呢? 原来k 9 f 1 g 0 8 的地址共有4 个字节，高两个字节是页 地址，低两个字节是页内地址。单片机每次访问k 9 f 1 g 0 8 内的存储单元前，都要先传 送4 个字节的地址信息。 主芯片通过读取r b 这个引脚来判断f l a s h 读写是否完成，如果正在读写，那么这 个引