（电路与系统专业论文）基于低维量子结构光电传感器的灰度显示系统.pdf

华东师范大学硕士学位论文 d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e eo fs c i e n c e e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y u n i v i d ：1 0 2 6 9 s t u d e n ti d ：5 1 0 7 1 2 0 2 0 4 6 eas tc hinanor maluni v e r s i t y g r a ys c a l ed i s p l a ys y s t e mb a s e do n o 一 i o w d i m e n s l o n a ip h o t o e l e c t r i cs e n s o r s d e p a r t m e n t ： e ! 皇曼! q 凸i 垦i 皇n 皇鱼d 垡主皇垦b d q ! q g y m a j o r ： s p e c i a l t y ： a d v i s o r ： m a s t e rc a n d i d a t e ： i 垦丛i 皇鱼d 笪墨y 墨! 皇幽墨 q 幽乜! 金苎凸皇! 巡q 【酞坌d 垡s i g 凸坌! q 皇墨i n g 墨墨q ： q ! 金苎苎q h 坌dq i d g 垡i d g r u a nj u n m a y 2 0 1 0 r 华东师范大学硕士学位论文 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于低维量子结构光电传感器的灰度显示系统，是 在华东师范大学攻读硕士博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的 研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名_ 2 丕墨 日期：加户年 n z 7 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于低维量子结构光电传感器的灰度显示系统系本人在华东师范大学攻读学位期间 在导师指导下完成的硕，士博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所 有。本人同意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构 如国家图书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东 师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文 共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方 式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密 学位论文， 于 年 月 日解密，解密后适用上述授权。 ( 2 不保密，适用上述授权。 导师签名血楚复本人签名酝呈 ，月 伤口年s 月? 7 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学 位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未 经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文， 均适用上述授权) 。 华东师范大学硕士学位论文 硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 华东师范大学信息科学技术 李明教授主席 学院通信工程系 龚培荣研究员中科院上海应用物理研究所 华东师范大学信息科学技术 钱海峰副教授 学院计算机科学技术系 华东师范大学硕士学位论文 摘要 光电传感器经过多年发展，其应用已经渗入到人类生活的各个环节。随着工业 技术的不断发展人们对其提出了更高的要求，一方面，相应的成像系统在驱动电路、 采集与传输速度、接口的人性化方面存在不足，另一方面，近年来，随着电子技术 和计算机技术的快速发展，相关系统也逐渐向微型化、智能化的方向发展。 本课题通过深入研究成像系统的结构和相关原理，基于本课题组中其他成员设 计的低维量子结构光电传感器，结合s t m 3 2 微控制系统以及p c 机，设计了一个灰 度显示系统，并通过u s b 2 0 总线进行数据传输，实现了光电传感器的灰度实时显示。 整个系统分为两大部分：下位机数据采集传输部分，上位机数据显示部分。在 下位机部分，主要采用基于c o r t e x m 3 内核的s t m 3 2 芯片来完成：包括利用单片机 i o 模拟的方式产生光电传感器的驱动时序、利用片内高速a d 完成信号采样、利用 片内u s b 与上位机交互；上位机软件部分采用d r i v e r s t u d i o + d d k 的方式编写了u s b 设备驱动，并使用m f c 技术编写应用程序软件，该软件能实时接收和显示采集到的 数据。经过实际测试表明，系统工作正常稳定，各功能模块达到预定要求。 本论文的创新点如下： 1 系统整体设计部分：通过使用最新的基于a r mc o r t e x m 3 内核的单片机以及采 用新颖的中断事件驱动程序结构等，把时序驱动模块、a d 采样模块以及u s b 传输模 块都在单片机片内实现，这样能够节省系统成本，并且由于各模块都在片内，因此 各模块互相之间的通信可通过系统内部总线，速度及灵活性得以提高。 2 u s b 传输显示部分：针对该光电传感器：s 片的特性，设计了u s b 传输显示部 分，方案中使用了u s b 作为传输协议，传输速度最高能达到1 2 m s 。该方案灵活， 调整方便，当该光电传感器芯片接下去往大阵列发展时，仅需非常小的调整。 关键词：光电传感器，采集系统，u s b 传输 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t a f t e ry e a r so fd e v e l o p m e n t t h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o ra n di t sa p p l i c a t i o nh a si n f i l t r a t e d a l ia s p e c t so fh u m a n si i f e w i t ht h ec o n t i n u o u sd e v e l o p m e n t u s e r sa r ef o r w a r dt og e t h i g h e rr e q u i r e m e n t s ，b u tt h ec o r r e s p o n d i n gi m a g ec a p t u r ea n dt r a n s m i s s i o nd i s p l a y s y s t e m sd r i v ec i r c u i t ，a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ns p e e d ，i n t e r f a c et ot h ed e f i c i e n c i e s o fh u m a nn a t u r es t i l in e e dt ob ei m p r o v e d o nt h eo t h e rh a n d ，i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h e r a p i dd 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 dc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ei m a g i n g s y s t e mi sd e v e l o p i n gt o w a r di n t e l l i g e n ta n dm i n i a t u r i z a t i o n t h r o u g hi n d e p t hs t u d yo ft h ec c dt h e o r ya n dr e l a t e di m a g i n gs y s t e m s ，b a s e do nt h e l o w d i m e n s i o n a lq u a n t u ms t r u c t u r eo fo p t i c a ls e n s o r st h a to t h e rm e m b e r sd e s i g n e di n t h et e a m ，c o m b i n e dw i t hc o r t e x - m 3a n dp c ，a n du s eu s b 2 0b u sf o rd a t at r a n s m i s s i o n ， id e s i g n e dag r a y s c a l ed i s p l a ys y s t e ma n da c h i e v e dt h er e a l - t i m ed i s p l a yi nt h ep a p e r t h ew h o l es y s t e mi sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：d a t ac o l l e c ts y s t e m ，t h eh o s td i s p l a ys y s t e m t h ed a t ac o l l e c ts y s t e ml sb a s e do nt h es t m 3 2m i c r o c o n t r o e rt oc o m p l e t ea l lt h ew o r k i n c l u d i n gt h eu s eo fm i c r o c o n t r o l l e rl os i m u l a t i o n sp r o d u c ep h o t o e l e c t r i cs e n s o r s d r i v e nt i m i n g ，u s eo fo n c h i ph i g h s p e e da ds a m p l i n ga n d o n c h i pu s b ，s ot h es y s t e m i n t e g r a t i o ni sv e r yh i g h ；t h eh o s td i s p l a ys y s t e mu s e dd r i v e ! r s t u d i o + d d kt oa c h i e v eu s b d e v i c ed r i v e r s ，a n du s em f ct ow r i t eh o s ts o f t w a r e ，w h i c hn o to n l ya c c e p ta n dd i s p l a y c o l l e c t e dd a t ab u ta l s oc o n t r o lt h ed a t ac o l l e c ts y s t e m t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri sa sf o i l o w s ： 1 t h ed e s i g no ft h es y s t e m b yu s i n gt h ei a t e s ta r mc o r t e x - m 3a n de v e n t - d r i v e nm a i n p r o g r a ms t r u c t u r e ，t h et i m i n g d r i v e nm o d u l e ，a ds a m p l i n gm o d u l ea n dt h eu s bt r a n s f e r m o d u l ew i t h i nt h em i c r o c o n t r o l i e rc h i p ，t h em o d u l e sa r ea l io n c h i p ，a n dt h em o d u l e s c o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rt h r o u g ht h es y s t e mb e t w e e nt h ei n t e r n a ib u s ，s ot h e s p e e da n df l e x i b i l i t ya r eg o o d 2 u s bt r a n s m i s s i o n a c c o r d i n gt ot h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o rc h i p sc h a r a c t e r i s t i c s t h e s y s t e mu s e su s ba st h et r a n s p o r tp r o t o c o l ，t h em a x i m u ms p e e dc a nr e a c h1 2 m s t h e p r o g r a mi sv e r yf l e x i b l e ，w h e nt h ep h o t o e l e c t r i cs e n s o rd e v e l o pt ol a r g ea r r a y , t h e p r o g r a mo n l yn e e ds m a l la d j u s t m e n t s t h et e s ts h o w st h a tt h es y s t e mn o r m a la n ds t a b l e ，t h ef u n c t i o n a lm o d u l e st om e e tt h e p r e s e tr e q u i r e m e n t s k e yw or d ：p h o t o e l e c t r i cs e n s o r ，c o l l e c ts y s t e m ，u s bt r a n s f e r 华东师范大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 论文研究背景1 第二章系统总体设计方案。3 2 1 系统总体设计要求3 2 2 下位机数据采集传输方案二3 2 3 上位机显示方案6 2 4 本章总结7 第三章系统下位机固件程序设计8 3 1 固件程序开发环境搭建。8 3 2s t m 3 2 下位机固件主程序框架规划。1 1 3 3 s t m 3 2 各主要组件原理及其初始化设置1 5 3 3 1 系统时钟原理及其初始化设置1 5 3 3 2 系统i o 原理及其初始化设置1 6 3 3 3 系统中断原理及其初始化设置1 7 3 3 4 系统片内a d 原理及其初始化设置：1 9 3 3 5 系统片内d m a 原理及其初始化设置2 0 3 3 6 系统定时器原理及其初始化设置2 3 3 4 驱动时序模块固件设计2 4 3 5 采样模块固件设计2 7 3 6u s b 传输模块固件设计 。2 9 3 6 1 描述符固件程序设计3 0 3 6 2u s b 设备中断处理固件程序设计3 4 3 6 3u s b 设备发送与接受固件程序设计3 8 3 7 本章总结4 2 第四章系统上位机程序设计4 3 4 1 上位机u s b 设备驱动编写4 3 华东师范大学硕士学位论文 4 1 1u s b 驱动开发标准模型4 3 4 1 2u s b 驱动开发环境搭建4 4 4 1 3u s b 驱动程序的编写及安装4 6 4 2 上位机应用程序编写4 8 4 2 1 上位机读写u s b 设备程序设计4 9 4 2 2 上位机显示程序设计5 1 4 3 本章总结5 2 第五章系统测试5 3 第六章总结与展望5 8 硕士期间成果发表5 9 参考文献6 0 后记6 3 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究背景 c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 是一种已被广泛使用的半导体成像器件，它是一 种在大规模集成电路工艺基础上研制成的m o s 型集成电路芯片【1 3 j 。当对它施加特 定的时序脉冲时，其各像元存储的电荷便能作定向的传输。自从1 9 7 0 年美国贝尔 实验室w s b o y l e 和g e s m i t h 首先提出以来【1 习l ，随着半导体技术的迅猛发展，c c d 的技术研究也取得了飞速的发展 4 - 8 。 目前c c d 在图像采集领域得到广泛的应用，但是单独的一块c c d 芯片是远不能 完成图像采集的，还需要有相应的驱动时序控制电路、图像的采集控制、图像处理 与传输等组件 1 0 - 1 3 i 。一个典型的c c d 图像采集传输系统主要组件有：光学部分、c c d 芯片、c c d 芯片驱动产生电路、图像信号处理电路、微控制器、图像传输部分等。 当前国内图像采集系统的开发方式主要有两种 1 2 - 1 5 】：一种是直接使用c c d 芯片、驱 动电路、采集模块等集成在一起的完整图像采集系统，例如加拿大d a l s a 公司提供 的各种型号的线阵和面阵相机，用户只需要做少量的改动便可以使用。另一种是除 了c c d 芯片，系统其他部分都根据该c c d 芯片自行开发，例如国内的杭州奥泰图像 系统集成有限公司的系列产品。两种开发方式相比，虽然前者可使系统开发周期大 幅缩短，但由于其产品都是配套使用，因此价格十分昂贵，而且由于是完整的系统， 可做的修改较小，因此其功能不一定能满足用户的需求 1 2 - 1 4 l 。而后者虽然开发周期 较前者长，但是用户可以根据不同的需求进行开发，灵活性比前者大大提高 1 2 - 1 4 】。 目前人们对图像采集成像系统的需求量越来越大，对其性能的要求也越来越高， 然而在该领域中i 。我国与世界先进水平存在一定的差距，而且国外先进产品的价格 普遍较高，因此自主开发一个c c d 成像显示系统十分必要。于是本论文基于课题组 其他成员自主研发的低维量子结构传感器1 9 】，设计了相应的灰度显示系统。 本论文的主要工作是： 1 阅读相关文献，深入了解低维量子结构传感器及其匹配的c o m s 读出电路；深 入了解目前c c d 成像系统中图像采集与传输的最新进展。 2 分析系统整体需求，规划整个系统框架，设计系统总体方案。 1 华东师范大学硕士学位论文 3 下位机系统详细设计，建立开发环境，进行下位机固件开发及调试。 4 上位机系统详细设计，建立开发环境，进行上位机应用程序开发及调试。 5 对成像系统进行整体测试 2 华东师范大学硕士学位论文 第二章系统总体设计方案 本章主要介绍了系统总体设计方案，包括项目的设计要求以及各个模块的选型方 案。 2 1 系统总体设计要求 低维量子结构光电传感器成像系统的总体设计目标： 1 利用实验室其他成员制作的2 x 8 低维量子结构c c d 光电传感器，把各个点的 值传到上位机显示 2 采用合适的时序产生方案来驱动c c d 芯片工作 3 采用合适的微控制器来控制整个系统的数据采集及传输 4 在上位机与下位机之间采用合适的传输协议进行通信 5 选用合适的a d 芯片对c c d 输出进行采样 6 提供合适的上位机应用程序显示c c d 的灰度图像 2 2 下位机数据采集传输方案 本项目是基于课题组中的2 x 8 低维量子结构光电传感器，它采用了多种量子效 应，实现了与雪崩倍增效应完全不同新量子倍增机制，能获得高的响应度，其采用 了特殊缓冲层结构和低维机制，能使器件的暗电流更小【9 】。在光电系统中读出电路 是非常重要的组成部分，光电传感器读出电路是处理和输出传感器光电转换后的电 信号，即收集传感器产生的光电子，然后通过电压方式，输出各个像元的电信号， 读出电路的好坏与否对系统的噪声、速度和分辨率有较大的影响l 协圳。 针对该芯片的特点，本文选择的下位机系统设计方案如下： 使用由意法半导体生产的基于最新a r mc o r t e x m 3 内核的3 2 位处理器 s t m 3 2 f 1 0 3 z e t 6 来作为本项目的微控制器【1 6 1 。如图2 - 1 所示的是s t m 3 2 系统结构图， 其主要的优点如下： 1 基于a r mc o r t e x - m 3 内核，它是一种基于a r m 7 v 架构的最新a r m 嵌入式 内核，它采用了哈佛结构使用分离的指令和数据总线，它采用了适合于微控制器应 用的三级流水线，但增加了分支预测功能，保证了流水线性能的发挥，其最大工作 3 华东师范大学硕士学位论文 频率达到7 2 m h z ，在没有内存访问等待的境况下有1 2 5 d m i p s m h z 处理能力1 昏切。 除此以外c o r t e x m 3 还具有其他显著的优点：具有更小的基础内核，价格更低，速 度更快等等 1 6 - 1 7 。 2 集成了丰富的外设：高速g p i o 、u s b 全速接口、多个功能强大的定时器、 2 路1 2 位采样速度高达1 m h z 的a d 、完善的d m a 、外设引脚可重映射等。除此以 外各部件之间紧密整合，使用一个4 1 6 m h z 的晶振，即可驱动c p u 、u s b 以及所有 外设。 3 极高的性价比，基于c o r t e x m 3 的微控制器相比a r m 7 的微控制器，在 相同的工作时钟频率下，平均性能要高大约3 0 ，并且代码尺寸比a r m 编码小约 3 0 ，价格一般也很低。 图2 1s t m 3 2 系统结构图 c c d 芯片的驱动时序是c c d 芯片能否正常稳定工作的关键因素，目前有几种常 用的驱动时序产生方法：数字电路驱动、可编程器件驱动、单片机i o 模拟时序驱动 等。通过综合考虑本项目选择了单片机i o 模拟时序驱动，相比前两种方法，其主要 优点在于时序能灵活地调节，并且不必使用外部额外的芯片，使得集成度更高，成 本更低【1 4 】。但由于时序产生需要占用微控制器的部分资源，比如会产生固定的中断、 4 华东师范大学硕士学位论文 打断当前应用程序执行以及占用处理器资源等；也有可能在产生时序时，被系统其 他任务打断，因此使用这种方法，需要使用者设计良好的系统程序，合理地分配系 统资源。由于s t m 3 2 的g p i o 最高能在5 0 m h z 下工作，并且在产生5 m h z 以下的方 波时上升沿及下降沿波形较好，而且通过设置内置定时器的自动硬件翻转输出，以 及结合状态机思想来产生时序等，能够获得比较稳定的时序驱动波形。因此采用单 片机l o 口模拟驱动的方法来产生c c d 芯片的工作时序能满足项目的要求。 c c d 输出的是模拟信号，为了对信号进行处理及传输，首先需要对信号进行量 化采样，因此需要a d 采样【1 2 。1 4 1 。a d 采样在c c d 系统是非常重要的部分，在选用合 适a d 芯片时需要根据项目的具体要求进行选择，比如分辨率、转换速度等等。a d 模块分为片外与片内a d ，一般来说片内a d 与片外a d 的性能相差非常大：片内a d 一般应用于对成本较为敏感以及精度、速度要求不是很高的地方。而s t m 3 2 则集成 了较为强劲的a d ，本文a d 模块的方案选择了s t m 3 2 的片内a d 来作为系统的a d 模块，理由如下： 1 具有1 2 位分辨率。由于在显示器上进行显示时，每个像素是2 4 位，其中红 绿蓝各占8 位，由于课题中采用的c c d 光电芯片只有一路通道，即显示的时候是8 位0 2 5 5 的灰阶变化，因此1 2 位分辨率已经满足要求。 2 转换速度高达1 m h z 。光电传感器读出电路的读取速率由阵列规模、积分时 间的长短、以及芯片功率等因素决定。从整个传感器芯片来说，一帧图像的成像时 间包括了三个时间：器件的响应时间、读取电路的读取时间以及信号处理时间。对 于实时成像来说，人眼的最小分辨率时间为1 2 4 秒，即要求这三个时间总和不超过 1 2 4 秒 1 6 - 1 7 1 。由于芯片的积分时间最小可到1 0 p s ，并且响应时间以及信号处理时间 都非常短，再由于只有1 6 个像素，因此s t m 3 2 内置a d c 最高到1 m 的采样转换速 度完全足够。 3 具备同步采样功能。s t m 3 2 内置a d c 能够把两路a d 配置成同时采样模式， 能很好地匹配课题中采用的c c d 两路输出。 4 能够与d m a 控制器相接。通过与d m a 相结合，使得a d 采样得到的数据从 a d 外设寄存器传输到内存中时，无需占用处理器的资源，完全由d m a 硬件完成。 5 除了以上几点，s t m 3 2 的片内a d 还具有自校准、从通道0 到通道n 的自动 扫描模式、单次和连续转换模式、规则转换盒注入转换均有外部触发选项等优点。 5 华东师范大学硕士学位论文 在成像系统中，需要一种传输总线在上位机与下位机之间进行数据传输，本文 选用了已经在计算机以及电子工业广泛使用的u s b 2 0 作为数据的传输协议2 2 - 2 3 。 s t m 3 2 内部集成了u s b 外设，其实现u s b 2 0 全速接口协议，因此本文使用了s t m 3 2 的u s b 外设作为u s b 数据传输模块，相比使用片外u s b 芯片如c h 3 7 5 ，节省了成本 以及功耗，并且系统集成度更高。u s b 2 0 具有以下优点： 1 传输速率高。相比u s b l 1 最高1 2 m b p s ，u s b 2 0 可以达到4 8 0 m b p s ，完全能 满足上位机及下位机之间的数据传输。 2 可热插拔。采用u s b 接口的设备能在计算机运行时安装或移除。只需要使用 时插上设备，完成工作后拔出就可以了，无需关机状态下插拔，大大方便了用户使 用。 3 功耗低。使用u s b 的外设如果所需功耗不大可以通过u s b 接口直接给系统 供电，如果3 m s 内如果没有总线活动的话，总线就自动挂起。 4 接口较为普遍。目前的台式机及笔记本基本上都有u s b 接口。 s 可以连接多个设备。u s b 在p c 上往往具有多个接口，可以同时连接几个设 备，最多可以连接1 2 7 个设备。 2 3 上位机显示方案 为了编写上位机软件，需要有相应的集成开发工具以及图形界面编写软件。本 文选用的集成开发环境是目前比较流行的v i s u a l s t u d i 0 6 0 。软件界面选用的是微软 的m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s e s ) ，它是微软提供的一个类库( c l a s sl i b r a r i e s ) ， 其以c + + 类的形式封装了w i n d o w s 的a p i ，并且包含一个应用程序框架，以减少应 用程序开发人员的工作量【3 2 引。在m f c 中包含了大量w i n d o w s 句柄封装类以及很 多w i n d o w s 的内建控件和组件封装类。开发者使用m f c 的主要优点是可以使用面 向对象的方法来调用w i n d o w sa p i ，除此以外m f c 提供了文档框架视图结构和活动 文档这样的便于自定义的应用程序框架1 3 u ，大大方便了应用程序的开发。 u s b 外设要能正常工作，需要上位机( p c 端) 安装相配套的u s b 驱动程序，这 样上位机软件才能接收并处理图像数据。由于文中下位机的u s b 设备是自定义设备， 因此需要自己开发相应的u s b 驱动程序。驱动的开发采用的是d d k ( d r i v e r 6 d e v e l o p m e n tk i t s ) + c o m p u w a r e 指w i n d o w s 设备驱动程序开发 本文的上位机使用w i n d o w sx p d d k 编写w i n d o w s 驱动，那是 了操作系统面向对象的优良特 ( 驱动程序设计模型) 的驱动程序3 2 1 。 2 4 本章总结 本章首先说明了系统的设计要求，接着根据本项目中采用的光电传感器的特性， 分析了成像系统的下位机部分的方案选择，通过采用最新的基于c o r t e x m 3 内核的 s t m 3 2 处理器，把驱动时序，a d 采样以及u s b 通信都通过该j 醛片片内外设实现，因 此系统的集成度高。接着是上位机部分的方案选择，使用了技术成熟，实现便捷的 d d k + d r v e r s t d i o 来进行上位机u s b 驱动的开发，使用了w i n d o w s 系统下常用的 v c 6 + m f c 作为上位机应用软件的开发方案。如图2 2 所示是系统的整体框图： 图2 - 2 成像系统总体框图 7 华东师范大学硕士学位论文 第三章系统下位机固件程序设计 本章主要介绍了s t m 3 2 开发环境的搭建，固件函数库的使用，以及各个模块的 基本原理及其程序设计。 3 1 固件程序开发环境搭建 下位机固件程序是整个成像系统的核心部分，由于整个成像系统的关键部分都 在s t m 3 2 片内实现，因此需要固件程序能在充分利用片内资源的情况下协调各模块 任务通信。下位机固件程序设计的好坏对整个成像系统的性能有着较大的影响，并 且下位机固件程序也是整个系统中最复杂、代码量最大的部分。 在固件设计初期，选择合适的开发环境是非常重要，合适的开发环境能加快开 发进度、节省开发成本。本系统采用了k e i l 集成开发环境以及s t 公司提供的固件函 数库来进行固件程序开发，r e a l v i e wm d k 开发工具源自德国k e i l 公司，是a r m 公 司目前最新推出的针对各种嵌入式处理器的软件开发工具n 7 1 。r e a l v i e wm d k 包括 u v i s i o n 3 集成开发环境与r e a l v i e w 编译器，其保留了k e i lu v i s i o n 3 集成开发环境易 于使用的特性，其主要特性如下： 1 h v i s i o ni d e 调试仿真环境 2 r e a l v i e wc c + + a r m 编译器 3 m i c r o l i b 高度优化的运行时库 4 能实时跟踪c o r t e x m 3 系列处理器 使用p v i s i o ni d e 环境开发程序有以下三个步骤： 1 使用p v i s i o ni d e 和r e a l v i e w 编译工具创建应用程序工程。 2 为创建的工程配置各种参数，图3 - 1 是工程配置窗口的截图。在d e v i c e 选项 中需要为该工程选择兼容的c p u 作为仿真平台，本系统中选择s t m 3 2 f 1 0 3 z e 。在 t a r g e t 选项中选择晶振( x t a l ) 频率为8 0 m h z 。在o u t p u t 选项中选择c r e a t eh e xf i l e ， 使得编译生成固件，用于烧入s t m 3 2 片内f l a s h 中。在c c + + 选项中指定项目包括的 头文件地址，编译优化选项有l e v e l o ，l e v e l l ，l e v e l 2 ，l e v e l 3 四个级别，其后缀数字 越高，则编译器的优化程度越高，编译程度越高则生成的h e x 文件越小，执行速度 也越快，但是有时候编译器做的优化并不是开发者所需要的，甚至出现错误的优化， 8 华东师范大学硕士学位论文 因此具体选用哪个优化级别需要根据用户自己决定，本文使用的优化级别为最低的 l e v e l 0 。在d e b u g 中选择需要的d e b u g 方式，有两种，一种是使用k e i l 自带的模拟 仿真，其功能非常的强大，并且带有逻辑分析仪，性能分析器等工具，另一种是硬 件仿真，本系统中，选择了硬件仿真器u l i n k lc o d e xd e b u g g e r 【1 刀。 3 配置下载f l a s h 时，见图3 - 2 ，添加s t m 3 2 f 1 0 xh i g h d e n s i t y 内部f l a s h ，大 小为5 1 2 k 映射地址为0 8 0 0 0 0 0 0 h 一0 8 0 7 f f f f h 。接着编译程序通过生成h e x 文件，就 可以下载了。 o p t l 。n sf o rt a r 9 e t s t m 3 2 1 0 e e v a l 隧浏1 d “c elt l r g e tio u t p u tl u l t i 珥lu s ”lc ，c + + l n i l i n k e rld e b u giy t i l i t i _ l i ) a t m ：l c p u d a t ab a s e v e n d o r ：g n 氛玑d 杈打哦镐 d 嘲：s 硎3 2 f 1 瑾l z e t o o t s e t ：删 as t m 3 2 f 1 r d a r m3 2 艄c o f t e 菹- m 3m i 赋纠自1 醴并7 捌h z 5 1 2 k br a s h 6 讯bs r a m as t m 3 2 f 1 0 3 r e f l e x 玉l es t a t i cm e m o r yc o n t r o l e r f o rs 只a m p s r a m n o ra n dn a n df l 耐 as t m 3 2 f 1 0 3 t 4 ： p l l ，e m b e d d e dk 1 【e m a lr c8 m h z 硼d3 ：k h z r e a i t r n ea o c k 。 as t m 3 2 f 1 0 3 t 6 “n e s t e di n t e r r u p tc c 删凹p o w e rs a 慵1 9m o d e s j t a ga n ds w d as t m 3 2 f 1 0 3 t 8 ： 4s y n c h 1s b th n 邮w i t h 嘶c a p t l e o u t p u tc o r r l p c 3 r ea n dp w m 21 6 七最a d v a n c e dt h 胃21 铀蠢b a 鬟ct i m e r 。21 6 七曩w a t c h d o gt m 臼s t m 3 2 f 1 0 3 v 8s y s n c l ct u n e r 3s p 2 s 2i 芯。5u s a r t u s b2 0 f u l ls p e e di m e r f a c e ， as t m 3 2 f 1 0 3 v b f 饧 c a n2 a c t i v e 31 2 七i i1 6 c u r r e n t _ c o n f i g u r a t i o n = 0 ； 幸c u r r e n tf e a t u r ei n i t i a l i z a t i o n p l n f o r m a t i o n 一 c u r r e n t _ f e a t u r e = c o n f i g d e s c r i p t o r 【7 】； 簟s e tv i r t u a l _ c o r n p o r td e v i c ew i t ht h ed e f a u l ti n t e r f a c e 宰 p l n f o r m a t i o n 一 c u r r e n t _ i n t e r f a c e = 0 ； s e t b t a b l e ( b t a b l e _ a d d r e s s ) ； 毒i n i t i a l i z ee n d p o i n t0 毒 s e t e p t y p e ( e nd p 0 ，e p _ c o n t r o l ) ； s e t e p t x s t a t u s ( e n d p 0 。e p j x j t a l l ) ； s e t e p r a d d r ( e n d p 0 ，e n d p o _ r x a d d r ) , s e t e p t x a d d r ( e n d p o ，e n d p 0 j x a d d r ) ； c l e a r _ s t a t u s - o u t ( e n d p 0 ) ； s e t e p r x c o u n t ( e n d p 0 ，d e v i c e p r o p e r t y m a x p a c k e t s i z e ) ； s e t e p r x v a i i d ( e n d p 0 ) ； i n i t i a l i z ee n d p o i n t1 3 6 华东师范大学硕士学位论文 s e t e p t y p e ( e n d p i ，e p _ b u l k ) ； s e t e p t x a d d r ( e n d p i ，e n d p i _ t x a d d r ) ； s e t e p t x c o u n t ( e n d p i ，1 6 ) ； s e t e p t x s t a t u s ( e n d p i ，e pt xn a k ) ； s e t e p r x s t a t u s ( e n d p i ，e p - r x d i s ) ； s e t e p t x v a l i d ( e n d p i ) ； i n i t i a l i z ee n d p o i n t2 s e t e p t y p e ( e n d p 2 ，e p - i n t e r r u p t ) ； s e t e p t x a d d r ( e n d p 2 ，e n d p 2 _ t x a d d r ) ； s e t e p r x a d d r ( e n d p 2 ，e n d p 2 一r x a d d r ) ； s e t e p r c o u n t ( e n d p 2 ，i n 。r ：5 i z e ) ； s e t e p r x s t a t u s ( e n d p 2 ，e p r xv a l i d ) ； s e t e p t x s t a t u s ( e n d p 2 ，e p 一n a k ) ； | s e tt h i sd e v i c et or e s p o n s eo nd e f a u l ta d d r e s s | s e t d e v i c e a d d r e s s ( 0 ) ； b d e v i c e s t a t e = a t t a c h e d ； 2 c t r 正确传输事件 在u s b 响应c t r 正确传输中断事件后，转入c t r _ l p ( ) 函数处理，该函数首先判 断是那个端点产生的正确传输事件，之后转到该端点相应的回调函数进行处理，用 户在回调函数中实现各端点正确传输后需要做的处理【静2 引。在定义各端点相应的回 调函数之前需要在u s b _ c o n f h 中把相