（载运工具运用工程专业论文）基于s3c44b0 x的便携式列车管压力测试仪研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路干线全面提速，列车的脱轨事故在每年重大事故中所占的 比率居高不下。列车制动系统的可靠性是影响车辆安全运行的重要因素，能 否及时准确地获得列车制动系统中列车管气体压力的大小是列车运行安全 的重要保证。因此，研制一种安全可靠的测量列车制动系统中列车管气体压 力大小的便携式仪器具有及其重要的现实意义。 嵌入式系统作为自动控制的核心广泛应用于家用电器、计算机设备、机 器人、仪器仪表、汽车制造业甚至航空航天等诸多领域。s 3 c 4 4 b o x 是 s a m s u n g 公司推出的一款基于a r m 7 t d m i 内核的3 2 位r i s c 处理器，为手 持设备和一般类型的应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。 本论文完成的工作包括便携式列车管气体压力测试仪的硬件设计与软 件开发。硬件方面，完成了以a r m 7 微处理器( s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x ) 为核 心的测试系统原理图的设计与p c b 布线。该系统板上资源包括大容量扩展存 储器、s d r a m 、l c d 显示器、键盘，以及u a r t 等。软件方面，在a d s l 2 集成开 发环境下编制键盘、液晶显示、串行通信、f l a s h 等测试程序。 论文内容包括课题的系统需求分析和解决方案。并着重说明了系统各模 块的详细开发过程、关键技术、遇到的问题和解决方法。 关键字：a r m ：$ 3 c 4 4 8 0 ：存储器扩展；人机交互 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 a b s t r a c t w i t ht h ew h o l e s p e e d - u po ft r a i n si no u rt r u n kr a i l w a ys y s t e m ，t h er a t e o f d e r a i l m e n ta c c i d e n th a sb e e ni n c r e a s i n g l yr i s i n ge v e r yy e a r t h er e l i a b i l i t yo f t r a i nb r a k es y s t e mi st h ek e yp o i n tt oi n f l u e n c et h es a f e t yo ft h et r a i nr u n n i n g ， w h e t h e rt h eg a sp r e s s u r ed a t ao ft h et r a i nb r a k ep i p ec a nb ep r e c i s e l yg a i n e di n t i m ed i r e c t l yi n f l u e n c e st h es a f e t yo ft r a i nr u n n i n g t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho nt h e p o r t a b l et e s t i n g i n s t r u m e n tf o rt h et r a i nb r a k e s y s t e m i sf u l lo f p r a t i c a l s i g l n i f i c a n c e e m b e d d e ds y s t e mi s o m n i p r e s e n tn o w a d a y s i t i s a p p l i e d a sa u t o m a t i o n c o n t r o ls u b s y s t e m i naw i d e v a r i e t yo fa p p l i c a t i o n ss u c h a sh o u s e h o l d a p p l i a n c e s c o m p u t e re q u i p m e n t , r o b o t i c s ，a u t o m o b i l e s ，i n s t r u m e n t a t i o n ，a e r o s p a c e ，e t c s a m s u n g ss 3 c 4 4 b o x 1 6 3 2 一b i tr i s cm i c r o p r o c e s s o ri sd e s i g n e dt op r o v i d ea c o s t e f f e c t i v ea n dh i g h p e r f o r m a n c e m i c r o c o n t r o l l e rs o l u t i o nf o rh a n d - h e l d d e v i c e sa n d g e n e r a la p p l i c a t i o n s t h i sp a p e rp r e s e n t sap r o c e s so fa “p o r t a b l et e s t i n gi n s t r u m e n tf o rt r a i n b r a k e p i p eg a sp r e s s u r e ”，i n c l u d i n g h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t i nt h ef i r s tp a r t ，t h ed e s i g no fs c h e m a t i c sa n da l s op c b l a y o u to ft h i ss y s t e m ， w h i c hi sb a s e do i la na r m 7m i c r o p r o c e s s o r ( s 3 c 4 4 b o xf r o ms a m s u n gc o r p ) a r ef i n i s h e d t h es y s t e mc o n s i s t so fm a s se x t e n s i o nm e m o r y , s d r a m ，l c d d i s p l a y p a r t ，k e y b o a r d ，u a r t , e t c a sf o rt h es o f t w a r er u n n i n g o nt h i sb o a r d ，t h et e s t i n g p r o g r a m s ，s u c h a sk e y b o a r d 、l c d d i s p l a y 、u a r t c o m m u n i c a t i o na n df l a s h ，a r c w r i t t e nw i t h i n 也ea d s l 2 t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h es y s t e mr e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n dr e s o l v i n g s c h e m e t h i ss t u d yf o c u s e so nd e t a i l e dd e v e l o p i n gp r o c e s so fa l lp a r t s ，p i v o t a l t e c h n i q u e ，d i m c u l t i e sa n d r e s o i v e s k e yw o r d s ：a r m ；$ 3 c 4 4 8 0 ；m e m o r ye x t e n s i o n ；m a n - m a c h i n ei n t e r a c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着我国铁路干线全面提速，列车的脱轨事故在每年重大事故中所占的 比率居高不下。列车制动系统的可靠性是影响车辆安全运行的重要因素，能 否及时准确地获得制动系统中列车管气体压力的大小是列车运行安全的重 要保证。因而，研制一种安全可靠的测量列车制动系统中列车管气体压力的 便携式仪器具有及其重要的现实意义。 1 1 课题来源与背景 当前，在我国铁路系统中，获得列车制动系统气体压力大小的方式还是 很原始的：列车出站前，由制动人员在列车头部给出压力测试信号，在列车 尾部测试人员用气体压力计来观察压力大小是否满足列车安全制动要求。由 车头到车尾气体压力大小不一导致的推诿问题给列车运行安全带来了极大 的隐患。 由此引起的各种问题，诸如列车事故，事故责任，数据分析不便，人力 资源浪费等等，引起了广泛的注意。因而，研制一种安全、方便、可靠的测 试装置提到了日程。 在发达国家，铁路检测设备非常先进，针对制动系统气体压力的检测设 备虽各有不同，但都存在一个普遍的问题，价格高昂。 针对我国铁路发展的现状，研制安全可靠、性价比较高的便携式测量仪 器是完全可能的。与此同时，这种检测仪表的开发与应用，对于促进我国铁 路向更高层次发展具有积极的引导作用。 1 2 课题研究目标和内容及拟解决的关键问题 课题的研究目标是开发一种测量列车管气体压力大小的便携式仪表。为 取得气体压力数据，系统采用高性能的s 3 c 4 4 8 0 x 芯片作为主控制器，通过 高精度和高分辨率的a d 对来自列车管气体压力传感器的信号进行采集，并 把采集到的数据存放到数据存储器中。系统具有可与通用计算机通信的串行 通信接口，并且可以通过良好的人机界面( 键盘和显示屏) 进行人机交互通 信。本研究中拟解决的关键问题如下： 1 、低功耗设计 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 根据实用性原则，该系统需采用电池供电，以适用于野外作业环境的要 求，在该系统设计中需要考虑的一个重要的因素就是降低其功耗。因此，须 将降低系统功耗的设计思想渗透到整个系统设计的各环节，其中的主要环节 为低功耗硬件设计和软件设计。 2 、数据存储问题 便携式仪表通常是运用低功耗微控制器做成的智能仪表，其本身缺乏大 规模的数据处理能力，实际作用仅限于数据采集器。本测试系统检测到的气 体压力数据经存储后需送到主机做进一步处理，由于这一过程涉及到大量的 数据存储，因此要扩展系统数据存储器。 3 、人机接口设计 人机交互是测试系统与操作人员之间交互的窗口，是系统与外界联系的 纽带。一个安全可靠的应用系统必须具有方便灵活的交互功能，它既能及时 反映系统运行的重要状态，又能在必要时实现适当的人工干预。 测试系统具有测试数据显示功能。人机接口由键盘、液晶显示屏组成， 为操作人员提供了简单友好的操作界面，方便使用。 1 3 a r m 微处理器概述 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) ，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。 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 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 芯片正 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 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。 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。 单片机价格低廉，但处理速度不快；d s p 速度快，但外围管理能力不强； 而a r m 集成了他们的优点高性能和高性价比，也弥补了他们的不足之 处，有丰富的内置部件和极强的外围模块管理能力。 测试系统中采用s 3 c 4 4 b o x 作为主控制器，就在于其是s a m s u n g 推出的 一款基于a r m 7 t d m i 内核的3 2 位r i s c 处理器，为手持设备和一般类型应 用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。 1 4 论文的主要工作 论文是基于我国铁路发展的现状而选定的，主要工作是根据测试系统的 特点，选用s a m s t m g 的s 3 c 4 4 b o x 芯片设计出实用的测试系统。主要工作如 下： 1 、测试系统组成研究，主要是c p u 选型和系统资源的总体分配以及各 模块功能划分； 2 、查阅、收集资料，研究s 3 c 4 4 b o x 的功能和各类外围接口，熟悉并 掌握a r m 系统的开发流程： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 3 、完成测试系统的硬件设计和调试，包括s 3 c 4 4 b o x 的存储器扩展接 口设计，测试系统人机接口，串行通信接口设计及测试系统模数转换设计。 完成电路原理图和p c b ，并焊接和调试； 4 、测试系统软件设计和调试： 5 、论文总结和展望。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章基于$ 3 c 4 4 8 0 的a r m 系统设计 课题考虑到压力测试系统便携性和低功耗的要求，以及方便测试系统的 数据管理和液晶显示控制，因此测试系统的c p u 在选型上决定使用s a m s u n g 公司的s 3 c 4 4 b o x 。s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司推出的一款基于a r m 7 t d m i 内核的3 2 位r i s c 处理器，该处理器为手持设备和一般类型的应用提供了高 性价比和高性能的微控制器解决方案。 本章在介绍s 3 c 4 4 b o x 的基本结构和特点的基础上，基于s 3 c 4 4 b o x 给 出了压力测试系统的结构原理框图，并在后续部分给出了s 3 c a 4 b o x 的电 源、复位、时钟及j t a g 等的具体设计。 2 1 系统设计流程 嵌入式系统的设计，通常划分为硬件系统设计与软件开发两部分。系统 设计将先进行系统要求分析，从而对系统设计模块进行划分。 首先，对系统进行分析，考虑系统功能、功耗以及成本等因素，完成系 统选型；其次，将系统划分为硬件与软件两部分；然后，完成硬件系统元器 件的选型，绘制电路原理图和p c b ，制版并调试；而软件设计则在目标硬件 系统完成之后开始；最后则是对整个系统进行联机测试，包括对所有硬件及 软件组件的完整测试。 2 2 $ 3 c 4 4 8 0 概述 s 3 c 4 4 b o x 是s a m s u n g 公司为手持设备和一般类型应用提供高性价比和 高性能微控制器解决方案的1 6 3 2 位r i s c 处理器。它采用了a r m 7 t d m i 内核、o 2 5 u r n 的c m o s 工艺，通过全面的、通用的片上外设，大大减少了 系统电路中除处理器以外的器件配置，从而最小化了系统的成本。为了降低 成本，s 3 c 4 4 b o x 提供了丰富的内置部件。 2 2 1 $ 3 0 4 4 8 0 的内部结构 s 3 c 4 4 b o x 除了具有a r m 7 系列处理器的优点，还具有丰富的片上资源， 其内部组成如图2 - 1 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 图2 - 1s 3 c 4 4 b o x 内部结构图 ( 1 ) 2 5 v a r m 7 t d m i 内核，带有8 k 高速缓存器( s a m b a i i 总线体系结 构，主频高至6 6 m h z ) ； ( 2 ) 外部存储器控制器( f p e d o s d r a m 控制，片选逻辑) ； ( 3 ) l c d 控制器( 最多支持2 5 6 d s t n ，l c d 具有专用d m a ) ： ( 4 ) 2 通道通用u a r t ( 内置1 6 b y t ef i f o ，并兼容i r d a l 0 ) 1 通道s i o ； ( 5 ) 2 通道d m a ，2 通道外设d m a 并具有外部请求引脚； ( 6 ) 8 b a n k 外部存储器接口。每个b a n k 有独立的片选口，寻址能力高达 3 2 m b b a n k 8 b a n k = 2 5 6 m b ，同时b a n k 6 & 7 还可外接各种 f p e d o s d r a m ： ( 7 ) 6 通道多功能定时器p w m 发生器； ( 8 ) 7 1 条通用输入输出口； ( 9 ) 具有日历功能的实时时钟( r t c ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 1 0 ) 8 通道l o b i ta d c ( 采样速率可到5 0 0 k s p s ) ： ( 1 1 ) 1 通道i i c 总线( 可工作于多主模式) ： ( 1 2 ) 1 通道i i s 音频数据接口( 可工作于主从模式) ； ( 1 3 ) 1 通道多功能同步串行口( 可工作于s p i s c i 模式) ； ( 1 4 ) 多种省电工作模式：普通，慢速，空闲和停止模式。 2 22s 3 c 4 4 b o x 的引脚分布及信号描述 考虑到体积、功耗等因素，本系统选择s 3 c a - 4 b o x 的封装为l q f p 1 6 0 ， 其引脚分布如图2 2 。该器件共有1 6 0 根引脚，去除电源线、数据总线、地 址总线以及通用i o1 2 1 等，只剩余少量控制信号，而这些也正是设计阶段需 5 襄擎霾酽嚣9 霉笋琴5 蘸l | 黼兰蠹 ， 一一一。 。i|一一 纯 一 嫩豢黥擎群黼然_lf蒸一 黼黼鍪嚣黼瓣黜 哦 m 肿矾 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 要特别注意的。尽管s 3 c 4 4 b o x 引脚较多，但根据各自的功能，其分布呈现 出一定的规律性。本节对芯片引脚只做简单的分析介绍，在后续的单元电路 设计里，将对其做详细的说明。 在硬件系统的设计中，应当注意芯片引脚的类型，s 3 c 4 4 b o x ( 也包括 其他的微处理器) 的引脚主要分为三类，即：输入( i ) 、输出( o ) 、输入 输出( i o ) 。 输出类型的引脚主要用于s 3 c 4 4 b o x 对外设的控制或通信，由 s 3 c 4 4 b o x 主动发出，这些引脚的连接不会对s 3 c 4 4 b o x 自身的运行有太大 的影响。 输入输出类型的引脚主要是s 3 c 4 4 b o x 与外设的双向数据传输通道。 而某些输入类型的引脚，其电平信号的设置是s 3 c 4 4 b o x 本身正常工作 的前提，在系统设计时必须小心处理。 s 3 c 4 4 b o x 的主要控制信号如下： e n d i a n ：大、小端模式选择引脚。逻辑电平在复位期间由该管脚的上 拉下拉电阻确定。高电平= 大端模式；低电平= 小端模式。在实际应用中一般 使用小端模式，因此本系统中该引脚下拉接地。 o m i ：0 ：设置s 3 c 4 4 b o x 测试模式和确定n g c s 0 的总线宽度，逻辑电 平在复位期间由这些管脚的上拉下拉电阻确定。本系统选取的b o o tr o m 采 用1 6 b “的f l a s h ，故设置为 o m - - 0 1 ，即b a n k 0 为1 6 位数据总线宽度。 o m 慨2 】：设置系统时钟模式。本系统设置时钟模式位o m 【3 ：2 】= 0 0 ，采 用外接无源晶振、由内部时钟电路产生时钟的方式。注：o m 3 为测试模式 位，高电平= 芯片测试模式；低电平= 正常工作模式；一般不作芯片测试，该 引脚下拉或接地，使芯片处于正常工作模式。 p l l c a p ：如果使用p u ，倍频电路，在该引脚和地之间接8 2 0 p f 的环路 滤波陶瓷电容。在实际系统中，一般应使用p u 。电路，因此，该电容应连接。 t c k 、t m s 、t d i 、t d o 、n t r s t ：j t a g 接口引脚。根据i e e e 标准， t c k 应下拉，t m s 、t d i 和n t r s t 应上拉。但s 3 c 4 4 b o x 的t c k 必须接一 个1 0 k 的上拉电阻。这些信号将直接关系到j t a g 仿真器可否于目标板正常 连结、通信等。 e x t c l k ：当o m 3 ：2 选择外部时钟时的外部时钟输入信号线，不用时 必须接高( 3 3 v ) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 n r e s e t ：系统复位引脚。低电平复位，当系统正常工作时，该引脚应 处于高电平状态。在电源打开已经稳定时，n r e s e t 必须保持低电平至少4 个m c i x 周期。 s 3 c 4 4 b o x 的其余引脚为电源线、接地线、数据总线、地址总线以及其 他功能模块的输入，输出线，对c p u 自身运行的影响相对较小，其连接方式 也比较简单，在此不详述。 2 2 3 $ 3 0 4 4 8 0 的主要特征 s 3 c 4 4 b o x 采用了a r m 7 t d m i 内核，0 2 5 u m 工艺的c m o s 标准宏单 元和存储编译器。它的低功耗、精简和出色的全静态设计特别适用于对成本 和功耗敏感的应用。同时s 3 c 4 4 b o x 还采用了一种新的总线结构，即 s a m b a l l ( 三星a r mc p u 嵌入式微处理器总线结构) 。 s 3 c 4 4 b o x 的杰出特性是它的c p u 核，是由a r m 公司设计的1 6 3 2 位 a r m 7 t d m ir i s c 处理器( 6 6 m h z ) 。a r m 7 t d m i 体系结构的特点是它集 成了t h u m b 代码压缩器，片上的i c e 断点调试支持和一个3 2 位的硬件乘法 器。 2 3 压力测试系统结构介绍 气体压力测试系统是关系着测试仪是否能够正常运行的的关键环节，其 基本任务是对来自列车气体压力传感器的信号进行采集，并把采集到的数据 存放到数据存储器中，并通过液晶屏进行数据显示，在需要数据分析的时候 把数据传到计算机中。测试系统以高性能、极低功耗的a r m 处理器为核心， 形成模数转换( a d ) 、数据存储及数据显示等环节的便携式测试仪器。测试 系统结构参见图2 3 。 电源模块为s 3 c 4 4 b o x 及其它需要供电的外围电路供电。复位电路可完 成系统上电复位和在系统工作时按键复位。时钟电路为系统提供工作时钟。 压力传感器输出的模拟信号( 经抗混滤波器组，滤去信号中的高频成 分) ，并使后续的a d 采样满足采样定理。预处理的信号经a d 转换后，变 为数字信号。 中央处理单元采用3 2 位的a r m 架构微处理器s 3 c 4 4 b o x ，整个测试系 统是围绕其进行设计的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 存储器 线性f l a s h ( 1 6 m b i t ) n a n df l a s h ( 1 2 8 m b i t ) s d r a m ( 6 4 m b i t ) 人机接口 l c d 显示屏l i 键盘 ( 3 2 0 * 2 4 0 点阵式显示屏) | l ( 4 4 ) 基于a r m 构架的3 2 位 微处理器 s a m s u n g s 3 c 4 4 8 0 x - _ 一一_ 一 一一_ - - - - - - 一- 一_ l望堕堡堕 l 1 - f , 2 3 2 串行 通信接口 j a t g 调试 端口 a d 转换 电源模块ll 时钟电路ll 复位电路 图2 - 3 测试系统结构框图 s 3 c 4 4 b o x 作为处理器，其外部扩展存储器包含s d r a m 和f l a s h 两大部 份，s d r a m 存储器作为系统运行时的主要区域，系统及数据、堆栈均位于s d r a j , f 存储器中，s d r a m 的扩充弥补了微处理器内部r a m 容量小的缺陷，可大幅提 高程序运行速度，并为软件升级预留空间。f l a s h 存储器可存放已调试好的 应用程序或其他在系统掉电后需要保存的数据等。f l a s h 作为程序存储器， 并在系统掉电后提供数据备份空间，不可避免地需要外接存储器作为程序和 数据的存储单元，因而在系统中设置了1 个1 2 8 m b i t 的数据存储器和1 6 m b i t 的程序存储器，以构成整个系统的存储系统。 人机接口由键盘、液晶显示屏组成，可为操作人员提供良好的操作环境。 键盘为4 x 4 矩阵式键盘，液晶显示屏为3 2 0 x 2 4 0 点阵字符型显示器。通信 链路为一路r s 2 3 2 串行通讯接口。通信口是s 3 c 4 4 8 0 x 自身的u a r t 接口， 具有高速，接口方便的特点，其主要功能是用于测试系统和计算机的通讯。 j t a g 接口可对芯片内部的所有部件进行访问，通过该接口可对系统进 行调试、编程等。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 4 电源模块设计 本设计采用双层p c b 板实现系统功能，由于考虑到电平转换的复杂度， 设计中电源电路应尽量简化。 为简化系统电源电路的设计，整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流 稳压电源。在本测试系统中，有c p u 、s d r a m 、f l a s h 、l c d 等，需要使用5 v ， 3 3 v 和2 5 v 的直流稳压电源，系统不但有静态功耗而且有动态电流。根据 系统的实际功耗，选择l d o ( l o w d r o p o u t l i n e a r r e g u l a t o r ) c m l l l 7 2 5 和 c m l l l 7 3 3 为系统提供直流稳压电源，系统电源电路如图2 - 4 所示。 图2 - 4 系统电源电路 2 5 时钟电路设计 时钟电路分为系统主时钟和r t c ( r e a lt i m ec l o c k ) 。系统主时钟用于 向c p u 及其它接口电路提供工作时钟，r t c 为系统提供确切的时间信息。 系统主时钟通过设置时钟模式位o m 3 ：2 = 0 0 ，采用外接无源晶振、由内 部时钟电路产生时钟的方式，c p u 原有的外部时钟赢接输入功能被禁止。 外部无源晶振的频率是8 m h z ，系统时钟频率可由软件设置，最高能到 6 6 m h z ，这样就提高了该系统的灵活性。系统主时钟电路如图2 5 所示。 因为系统时钟是由内部p l l 电路产生的，为了在启动后得到正确的频率， 需要对p l l 进行一定设置，主要有三个参数m 、p 、s ，分别在m d i v 、p d i v 、 s d i v 三个寄存器中设置。p l l 的输出时钟跟外部无源晶振的输入频率之间的 关系由下面的公式给出： f p l l ；鬻 ( 2 _ 1 ) 选择时需要遵循以下几个原则： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 0 6 6 m h z 之间。在一对给定的f j n 和f p l l 下，必定有许多m 、p 、s 参数组合符 合上式的数学关系，选择时需要遵循下面几个原则： ( 1 ) ( f p l l x 2 8 ) 1 7 0 m h z ； ( 2 ) s 尽可能地大； ( 3 ) 1 m h z ( f i n ( p + 2 ) ) 2 m h z ； 在本系统中，f i n = 8 m h z ，f p l l = 3 2 m h z 。由原则( 1 ) 先得到s 最大只能到 1 ，代入公式( 2 1 ) 得： 3 2 。坐坠璺 ( p + 2 ) x 2 1 由原则( 3 ) 可以估计出p 的值可取在3 、4 、5 之内，确定p 就可以得出m 了。 系统中选p = 4 ，则b l = 1 6 。 图2 5 系统主时钟电路图2 6 r t c 电路 r t c ( r e mt i m e c l o c k ) 是指实时时钟计数模块，s 3 c 4 4 b o x 的r t c 采用 单独的供电引脚和单独的时钟源( 3 2 7 6 8 k h zc r y s t a l ) ，可以用电池对r t c 进 行不间断供电，在系统中r t c 的电源是跟c p u 的电源接在一起的，所以每次 断电后需将后备电池跳线到供电状态，以便保留时间信息。r t c 电路如图2 6 所示。 2 6 复位电路设计 在系统中，复位电路主要是完成系统的上电复位和系统在运行时的按键 复位功能。复位电路选用m a x 7 0 6 电路构成，输入到复位芯片( m a x 7 0 6 ) 的 手动复位，从而产生c p u 的复位信号。接至s 3 c 4 4 b o x 的硬件复位使能端 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 n r e s e t ，产生系统复位。复位信号再经过缓冲输入到系统其它器件( j t a g ) 。 常见的r c 复位电路虽在实验环境可正常工作，而且成本较低，但不适 合工业控制环境。因此本系统采用了专用的复位芯片，提高了系统的抗干扰 性能，减少了系统误动作的可能性。 2 7j t a g 接口电路 j t a g ( 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1 是一种国际标准测试 协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。j t a g 技术是一种 嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路t a p ( t e s ta c c e s s p o r t ，测试访问口) ，通过专用的j 1 a g 测试工具对内部节点进行测试。目前 大多数比较复杂的器件都支持j t a g 协议，如a r m 、d s p 、f p g a 器件等。 标准的j t a g 接口是4 线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别为测试模式选择、 测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。在a r m 处理器中，可以通过j t a g 直接控制a r m 的内部总线，1 0 口等信息，从而达到调试的目的。 通过j t a g 接口，可对芯片内部的所有部件进行访问，因而是开发调试 嵌入式系统的一种简洁高效的手段。目前j t a g 接口的连接有两种标准，即 1 4 针接口和2 0 针接口，本系统采用2 0 针j t a g 接口，支持几乎所有的a r m 实时在线仿真和调试工具。其引脚定义如表2 - 1 所示。 表2 - 12 0 针j t a g 接口定义 引脚符号引脚名称描述 1v 托f 目标板参考电压，接电源 2v c c a r m 内核电源接电源 3n t r s t 测试系统复位信号 4 、6 、8 、1 0 、1 2 、1 4 、1 6 、1 8 、2 0g n d 接地 5t d i 测试数据串行输入 7t m s测试模式选择 9t c k 测试时钟 1 1r t c k 测试时钟返回信号 1 3t d o测试数据串行输出 1 5n r e s e t 目标系统复位信号 1 7 、1 9n c 来连接 板上的j t a g 接口支持高达1 0 mb p s 的串行速率。这种基于j t a g 协议 的i c e 实时调试方法是现在最好的一种调试方法，它不需要占用板上的其它 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 资源，实现了真正意义上的实时监测和控制。 2 8 通用i o 接口电路和其他模块电路设计 s 3 c 4 4 b o x 提供了7 1 个通用的i o 端口，可将每个端口配置为输入模式、 输出模式或特殊功能模式，由片内的特殊功能寄存器控制。其他模块的电路 设计将在后面几章详细介绍。 2 9 本章小结 1 、硬件电路的设计是整个系统设计的基础，硬件设计的好坏直接影响 硬件系统本身功能的实现。本章就装置的硬件系统做了详细的论述， 介绍了各个功能模块的结构、设计原理和作用，并且附有部分模块 的电路图。 2 、根据测试系统的特点选用s 3 c 4 4 b o x 作为c p u ，恰当的扩展外围接 口电路。 2 、充分考虑各个模块电路的特点，给以正确的电路设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章测试系统扩展存储器系统设计 s 3 c 4 4 b o x 本身具有外部存储器控制器，为外部存储器操作提供必要的 存储器控制信号。s 3 c 4 4 b o x 具有以下特性： ( 1 ) 小大端( 通过外部引脚选择) ； f 2 ) 地址空间：3 2 m 字节每b a n k ( 总共2 5 6 m b ：8 b a n k s ) ； ( 3 ) 所有b a n k 都具有可编程的总线宽度( 8 1 6 3 2 位) ； ( 4 ) 总共8 个存储器b a n k s ； 6 个可用作r o m ，s r a m 映射空间的存储器b a n k ： 2 个可用f p e d o s d r a m 等映射空间的存储器b a n k ； ( 5 ) 7 个起始地址固定、大小可编程的存储器b a n k ； ( 6 ) 1 个具有灵活起始地址、大小可编程的存储器b a n k ： 对所有的存储器b a n k ，具有可编程的操作周期； ( 8 ) 采用外部等待来扩展总线周期； ( 9 ) 专用d r a m s d r a m 接口支持自刷新模式： ( 1 0 ) 支持异步和同步d r a m 。 s 3 c 4 4 b o x 存储器扩展设计考虑的主要问题是：如何采用f l a s h 加高速 r o m 或r a m 的配置方式来实现存储子系统。f l a s h 用来存放测试系统的程 序和初始化数据及需要保存的数据，系统加电运行时，s 3 c 4 4 b o x 自动将程 序和初始化数据从低速f l a s h 装载到高速r a m 或r o m 中。装载完毕，程序 在高速r a m 或r o m 中全速运行，需要记录的数据存储到f l a s h 中。 3 1 s 3 c 4 4 b o x 存储器控制器简介 s 3 c 4 4 b o x 的存储器映象和使用情况如图3 - 1 所示，存储器除去内部的 寄存器和c a c h e ，全是由外部存储器控制器通过片选端控制的。外部地址总 线最大为2 5 位，最大寻址空间则为2 2 5 = 3 2 m b ，一共有8 个片选引脚分成8 个m e m o r yb a n k ，所以整个的存储器容量极限是2 5 6 m b 。在本系统中，并不 是使用了全部2 5 6 m b 的存储空间，而是使用了其中全局总线中一部分问作 为系统的存储空间。 在系统复位后，测试系统中的b o o t l o a d e r 程序从线性f l a s h 的地址 0 x 0 0 0 00 0 0 0 h 运行，装载程序和初始化数据。初始化后，程序代码调入 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及堆栈、运行数 据也都放在s d r a m 中。当需要将测试的数据保存时，b l a n df l a s h 提供了 更大的存储空间。 o x l 0 0 00 0 0 0 o x o e 0 00 0 0 0 o x o c 0 00 0 0 8 0 x o a 0 00 0 0 0 0 x 0 8 0 0o 0 0 x 0 6 0 00 0 0 0 0 x 0 4 0 00 0 0 0 0 x 0 2 0 00 0 0 0 o x 0 1 c 00 0 0 0 0 x 0 0 0 00 0 0 0 n c s 7 ( b a n k 7 ) d p a m ( 需特殊 n c s 6 ( b a n k 6 )t 考虑见注释) n c s 5 ( b a n k s ) 可用作s r k m r o m n c s 4 ( b a n k 4 ) ： 1 3 2 m b 等( d r a m 除外) d c s 3 ( b a a k 3 ) ：3 2 m b n c s 2 ( b a n 蚴：。3 2 m b n c s i c b a n k t ) ：。3 2 m b c h i pr e g i s t e r ：1 4 m b 口g s 钾j b 目蚺牡0 x 0 0 1 f f f f f 注：b a n k 6 i f i b a n k 7 必须设置成相同的容量，不同情况下的地址分配见表3 一l 图3 - 1s 3 c 4 4 b o x 存储器殃象和使用 表3 - 1b a n k 6 厂7 地址分配 b a n k6 s t a r ta d d r e s s0 x o c 0 00 0 0 00 x o c 0 0o o o o0 x o c o o0 0 ( ) 00 x o c 0 00 0 0 00 x o c 0 00 0 0 0 e n da d d r e s s0 x o c ：i f 饪0 x o e 3 f f f f0 x o c 7 f f f f0 x o c f ff f f o x o d f f f f b a n k 7 s t a r ta d d r e s s0 x 蚴0 0 0 00 x o e 4 00 0 0 0 0 x o c s 00 0 0 00 x o d 0 00 0 0 00 x o e 0 00 0 0 0 e n da d d r e s s0 x o c 3 f 任f0 x 0 c 7 f 腊0 x o c f f 任0 x o d f f f 瞪0 x o f f f f f 3 1 1 存储器控制器功能描述 s 3 c 4 4 b o x 具有一个输入引脚e n d i a n ，处理器通过它的输入逻辑电乎 来确定数据类型是小端还是大端：o 外端1 ：大端，逻辑电平在复位期间由该 管脚的上拉或下拉电阻确定。在本系统中使用小端模式，因此该引脚下拉接 地。 b o o t r o m 在地址上位于s 3 c 4 4 b o x 处理器的b a n k 0 区，它可能具有多 种数据总线宽度，这个宽度是可以通过硬件设定的，即通过0 m 【1 ：0 1 引脚上 的逻辑电平进行设定，如表3 2 所示本系统选取的b o o tr o m 采用1 6 - b i t 的 f l a s h ，故设置为 o m - - - 0 1 ，即b a n k 0 为1 6 位数据总线宽度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 表3 - 2r o mb a n k o 的数据总线宽度设定 o m l ( o p e r a t i n g m o d e 1 )o m 0 ( o p e r a t i n g m o d eo )b o o tr o md a t aw i d t h 008 - b i t 011 6 - b i t 1 0o3 2 b i t 11t e s tm o d e 3 2 线性f l a s h 存储器设计 f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 进行电擦写，掉电后信息不 丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系 统编程( 烧写) 、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作， 因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的 数据宽度，编程电压为单3 3 v 。主要的生产厂商为a t m e l 、a m d 、h y u n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式，可通用。 由于a r m 微处理器的体系结构支持8 位1 6 位，3 2 位的存储器系统，对 应的可以构建8 位的f l a s h 存储器系统、1 6 位的f l a s h 存储器系统或3 2 位的 f l a s h 存储器系统。3 2 位的存储器系统具有较高的性能，而1 6 位的存储器系 统则在成本及功耗方面占有优势，8 位的存储器系统则现在已经很少使用。 本设计中采用一片s s t 3 9 v f l 6 0 构建1 6 位的f l a s h 存储器系统，其存储 容量为2 m b 。f l a s h 存储器在系统中通常用于存放程序代码，系统上电或复 位后从此获取指令并开始执行，因此，应将存有程序代码的f l a s h 存储器配 置到r o m s r a mb a n k 0 ，即将s 3 c 4 4 b