（控制理论与控制工程专业论文）基于wince的大型触摸屏控制器的设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着我国工业化的高速发展，对工业自动控制的要求也在不断地增长和提高。触摸屏，作为一 种可视化的人机接口，以其小体积和高可靠性的特点逐步取代传统的按钮控制和仪表监控，成为工 控界人机接口的主流 本文分析了触摸屏设备的特点、国内外现状及发展趋势，设计了一种基于嵌入式实时操作系统 w i n c e5 0 ，并以a r m 9 系列的a t 9 1 s a m 9 2 6 1 为核心处理器的大型触摸屏控制器。综合考虑触摸屏 设备的功能需求，提出了该课题的设计指标，制定了触摸屏控制器总体设计方案，并从控制器硬件 设计和操作系统移植两个方面给出了具体的实现 以模块化和结构化的思想设计和实现了硬件平台。分析了触摸屏控制器中的主要硬件模块，包 括处理器核心模块、存储模块、触摸板模块、键盘模块、以太网模块和u s b 主从模块，给出了硬件 设计方法及电路实现。建立了硬件测试环境，对各个硬件模块进行调试。 基于搭建好的硬件平台，重点研究了嵌入式操作系统w m c e5 0 的移植和b s p 的开发。分析了 w i n c e5 0 操作系统的体系结构和移植原理，在深入理解三星公司$ 3 c 2 4 1 0b s p 的基础上，给出了 基于a t 9 1 s a m 9 2 6 1 的w i n c e5 0b s p 的开发流程。详细分析了w i n c e5 0b o o t l o a d e r 的工作原理和 架构，根据触摸屏系统的功能需要和硬件资源分配，设计了触摸屏设备的b o o t l o a d e r 并给出了具体 的开发步骤。深入研究了o a l 的功能和原理，对o a l 开发中的重要函数和主要模块，给出了具体 的实现。针对触摸屏控制器的主要硬件模块，在分析w i n c e5 0 的中断模型和中断机制的基础上， 开发了触摸屏驱动程序、矩阵键盘驱动程序和u s b 主机驱动程序。 在开发的b s p 基础上，利用w i n c e5 0 操作系统定制工具p l a t f o r mb u i l d e r 进行了操作系统内 核的定制和编译，同时对操作系统的性能进行了测试。测试结果表明：w i n c e5 0 操作系统可成功 移植到触摸屏控制器上，并能满足工业现场的实时性要求。 本课题对于基于a r m 9 和w i n c e 的触摸屏设备的开发具有很高的参考价值，对于其它基于a r m 和w i n c e 的开发也具有一定的参考价值。 关键词：嵌入式系统；触摸屏控制器；a t 9 1 s a m 9 2 6 1 ；w i n c e5 0 ；板级支持包 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a si n d u s t r i a l i z a t i o n , t h ed e m a n df o ri n d u s t r i a la u t o m a t i o ni 。 i n c r e a s i n ga n di m p r o v i n g t o u c h - s c t c e l l ，a sav i s u a l i z a t i o nh u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，g r a d u a l l yr e p l a c e st h e t r a d i t i o n a lb u t t o nc o n t r o la n dm o n i t o r i n gi n s t r u m e n t a t i o n 诵t l li t ss m a l ls i z ea n dh i g hr e l i a b i l i t yf e a t u r e s ， a n db e c o m e st h em a i n s t r e a mo fh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e s t h i sp a p e ra n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h et o u c h s a a me q u i p m e n t , d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l s t a t u sq u oa n dd e v e l o p m e n tt r e n d ，a n dd e s i g n sal a r g et o u c h - s c r e , nc o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e dr e a l - t i m e o p e r a t i n gs y s t e mw i n c e5 0 w i t ht h ec o r ep r o c e s s o ro fa i t m 9s e r i e sa t 9 l s a m 9 2 6 1 c o n s i d e r e dt h e f u n c t i o n so ft o u c h - 8 c l = ne q u i p m e n t ，m a k e st h es u b j e c to fd e s i g ns p e c i f i c a t i o n s ，d e v e l o p st h et o u c h - s c r e e n c o n t r o l l e rd e s i g np r o g r a m m e ，a n dg i v e st h es p e c i f i cd e v e l o p m e n tf r o mt h ec o n t r o l l e rh a r d w a r ed e s i g na n d o p e r a t i n gs y s t e mt r a n s p l a n t a t i o n t h i sp a p e rd e s i g n sa n di m p l e m e n t st h eh a r d w a r ep l a t f o r mw i t ht h ei d e ao fm o d u l a rs t r u c t u r e a n a l y z e st h em a i nh a r d w a r em o d u l e so ft o u c h s c 疆 c e l lc o n t r o l l e r , i n c l u d i n gt h ep r o c e s s o rc o r em o d u l e , m e m o r ym o d u l e ，t o u c h - p a n e lm o d u l e , k e y b o a r dm o d u l e ，e t h e r n c ta n du s bm o d u l e ，g i v e st h eh a r d w a r e d e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h ec i r c u i td i a g r a m e s t a b l i s h e st h eh a r d w a r et e s te n v i r o n m e n t , a n dd e b u g st h e v a r i o u sh a r d w a r em o d u l e s b a s e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r m t h i sp a p e rr e s e a r c h e st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mw i i l c e5 o t r a n s p l a n t a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fb s p a n a l y z e st h ew i n c e5 0o p e r a t i n gs y s t e ma r c h i t e c t u r ea n d t r a n s p l a n t a t i o np r i n c i p l e s ，o nt h eb a s i so fi n - d e p t hu n d e r s t a n d i n go fs a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0b s p ，g i v e st h e w i n c e5 0b s pd e v e l o p m e n tp r o c e s sb a s e do na t 9 1 s a m 9 2 6 1 w i t ht h ed e t a i l e da n a l y s i so fw i n c e5 0 b o o t l o a d e rw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t r u c t u r e , a c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n so ft o u c h s c l e a ls y s t e ma n d h a r d w a r er e s o 惝d i s t r i b u t i o n ，d e s i g n st h et o u c h s c l 髓ne q u i p m e n tb o o t l o a d e ra n dg i v e st h ed e v e l o p m e n t s p e c i f i cs t e p s w i mt h ei n - d e p t hs t u d yo ft h eo a l f u n c t i o na n dp r i n c i p l e ，g i v e st h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no f i m p o r t a n tf u n c t i o n sa n dm a i nm o d u l e so f0 a ld e v e l o p m e n t o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fw i n c e5 0 i n t e r r u p t i o nm o d e la n dm e c h a n i s m d e v e l o p st h em a i nh a r d w a r em o d u l e sd r i v e r so ft o u c h - s c 托宅nc o n t r o l l e r , i n e l u d i n gt o u c h s c q e e nd r i v e r ，m a t r i xk e y b o a r dd r i v e ra n du s bh o s td r i v e r i nt h i sp a p e r , o nt h eb a s i so ft h ed e v e l o p e db s p ，c u s t o m sa n dc o m p i l e st h eo p e r a t i n gs y s t e mc o r e u s i n gw i n c e5 0o p e r a t i n gs y s t e mc u s t o m i z a f i o nt o o l sp l a t f o r mb u i l d e r , a n dt e s t st h ep e r f o r m a n c eo ft h e o p e r a t i n gs y s t e m t e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tw i n c e5 0o p e r a t i n gs y s t e mc a n b es u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e dt o t o u c h s c t o c nc o n t r o l l e r , a n dm e e t st h er e a l - t i m er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a lf i e l d t h i st o p i ch a sh i g hr e f e r e n c ev a l u ef o rt h et o u c h s c r e e ne q u i p m e n td e v e l o p m e n tb a s e do na i 蝴9a n d w i n c e i ta l s oh a sar e f e r e n c ev a l u ef o rt h eo t h e rd e v e l o p m e n tb a s e do na r ma n dw i n c e a tt h ee n do f t h i sa r t i c l e ，g i v e st h eo u t l o o kf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o np r o s p e c t so ft h i st o u c h s c r e e ne q u i p m e n t i nt h ei n d u s t r i a lf i e l d ，a n dg i v e st h es h o r t a g ea n dt h en e x tm a j o rt a s k k e y w o r d s ：c r n b c d c ds y s t e m ；t o u c h - s c r e e nc o n t r o l l e r ；a t 9 1s a m 9 2 6 1 ；w i n c e 5 o ：b s p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本j , d f - 导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果尽我所知，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过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它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谢意 签 名：呶飞 日 期：瑚男6 i l 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进f i - g 佥索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签 名：砍飞 导师签名：惫澎蝴 日 期： m 2 1 1 _ 第一章绪论 1 1 课题背景 第一章绪论 触摸屏，在工业领域一般称为人机界面( h u m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ，h m i ) ，是连接p l c 、变频器、 直流调速器、仪表等的一种设备。它可以利用显示屏显示，通过输入单元( 如触摸板、键盘、鼠标等) 写入工作参数或输入操作命令，实现人与机器的交互，是一种集信息处理、数据通信及远程控制于 一体的工业设备【l 】触摸屏与传统的工控机相比体积明显减小，与电气控制面板相比有实时性强、 可靠性高、功耗低、重量轻的明显优势。特别是随着近几年来工业自动化的发展，基于p l c 、单片 机和p c 机的自动化系统与自动化设备越来越普及，与之相应的液晶显示触摸屏人机交互系统也得 到同步发展。用户利用手指或其它介质直接与屏幕接触，进行相应信息的选择和输入，用简单明了 并且灵活方便的方式来取代传统控制设备上大量的触控按钮、开关和指示灯等，较传统的人机接口 有着更大的灵活性和简便性【z - 。 触摸屏系统从功能上划分属于嵌入式系统。嵌入式系统定义为：以应用为中心、以计算机技术 为基础，软硬件可裁剪，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。 嵌入式系统作为特殊的计算机系统，自底向上包括硬件平台、嵌入式操作系统和嵌入式应用系统3 个部分【3 1 。触摸屏设备由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通 讯接口、数据存储单元等，其中处理器的性能决定了触摸屏产品的性能高低，是触摸屏设备的核心 单元。根据触摸屏设备的产品等级不同，处理器可分别选用8 位、1 6 位、3 2 位的处理器。触摸屏软 件一般分为两部分，即运行于触摸屏硬件中的系统软件和运行于p c 机w m d o w s 操作系统下的画面 组态软件。 触摸屏设备能取代人部分传统控制面板的功能，使用触摸屏设备可以节省p l c 的i o 点数，节 省人量的各式按钮开关、数字设定及指示灯等装置，并且能显示重要信息，有利于操作人员正确掌 握机器状况以避免错误。触摸屏设备能储存多幅组态画面，设计者可以根据需要编辑出各种组态画 面，用于显示设备状态、操作指示、参数设定、动作流程、统计资料、报警信息、简易报表等内容 【4 l 。以l c d 和触摸屏组成的触摸屏人机交互界面白其诞生，就以其良好的人性化和避免人为操作错 误、可提供形象、详细、准确和大容量信息等优点，广泛地应用于各种场合。在制造行业，主要用 于与p l c 配套的各种单机设备操作控制，如机床、食品、包装、印刷、纺织、建材设备等；在流程 行业中主要通过r s 2 3 2 4 8 5 、u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 、e t h e m e t 标准通信接口与现场的p l c 、变频 器、智能仪表等控制装置建立网络，完成生产数据采集和数据传输；在其他行业，如医疗卫生设备、 楼宇自控、办公设备、o e m ( o r i g i n a le q u i p m e n tm a n u f a c t u r e r ) 产品中，也有着j “泛的应用。 国内触摸屏市场竞争激烈，国内工控设备厂家面临国外公司的强有力的竞争。工控设备市场稳 步增长、传统工业技术改造、工厂自动化、企业信息化，需要人量的工控系统，市场潜力巨大。因 此大力研究和发展基于嵌入式系统的t 控设备是振兴国产工控产业，占据工控市场的一个重要契机。 本课题探索开放型嵌入式触摸屏设备平台的相关技术，研究和开发适应不同工业现场的触摸屏设备， 将人人简化工业现场监控的复杂度，降低工业成本，提高生产效率，也有助于推进国内的嵌入式系 统技术和人机界面设备开发技术的发展。 1 2 触摸屏国内外现状及发展趋势 近十年来，随着国际高速j = 业化的发展，工业自动化控制渗透到了各个行业和各个领域。特别 是近几年来自动控制水平在不断的提高，对控制设备的要求也在不断的增加。有越米越多的用户或 自动控制设计公司试图摈弃原来使用人量继电器、按钮、指示灯加控制柜的方式，取而代之触摸屏 江南大学硕_ 上学位论文 加p l c 的组合来提高控制可靠性，缩小体积，简化使用者操作，从而提升整个控制系统的档次。在 这样的国内外市场背景下，国际工业触摸屏生产与研发巨头p r o f a c e 公司在国内成立了独资公司，准 备以降低生产成本的方式来抢占国内市场。但是p r o f a e e 在国内市场的开拓并不是很顺利，原因是许 多竞争对手如西门子，三菱，松下电工等，他们已经开发很多在功能和价格上适合于国内市场的产 品，得到了国内用户的认可。虽然，目前p r o f a c e 的产品在功能健全性和可靠性方面是业界首屈一指 的，但是价格在所有同类产品中也是最高的。实际上国内市场上的许多用户并不需要那么丰富的功 能，并且难以承受如此昂贵的价格。他们最多在高端的应用场合使用几台p r o f a e e 的产品，而大多中 低端应用市场全部让竞争对手占据了。在这样的情况下，削减一些仅应用于高端的功能，降低系统 成本，开发在性能和价格上都适合于国内市场的产品，成为抢占国内触摸屏市场的手段【2 】。 据保守的估计，从2 0 0 4 年开始，触摸屏的需求量每年高达几十万台，产值达3 0 - 4 0 亿元，并以 每年l o 以上的速度增加。触摸屏产品的发展趋势如下【5 】： 1 、向低端和高端双向发展； 2 、l c d 显示屏从q v g a 向v g a 、s v g a 方向发展； 3 、彩色从1 6 k 色向6 4 k 色发展： 4 、向网络发展，推出具有e t h e r n e t 功能的触摸屏； 5 、向多媒体方向发展，推出具有视频输入和声音输出的产品； 6 、接口方面，新增具有u s b ( m a s t e r s a l v e ) 功能； 7 、存储方面新增具有电池保护的s r a m 和c f 卡、s d 卡扩展； 8 、新增w e bs e r v e r 和e m a i l 功能。 从目前各大厂商的产品发布情况来看，如s i e m e n s 、o m r o n 、e a s y v i e w 、昆仑通态等，主流 产品都采用3 2 位r i s c 处理器，操作系统大多使用w i n c e 。 1 3 课题的主要研究内容 本课题的主要任务是在分析触摸屏设备的特点和嵌入式操作系统特性的基础上，设计并实现一 种基于嵌入式实时操作系统w i n c e5 0 ，以a r m 9 系列的a t 9 1 s a m 9 2 6 1 为核心处理器的触摸屏控 制器，并能满足t 业现场实时、准确、长期稳定运行的要求。 本课题的主要研究内容包括： l 、深入分析触摸屏设备的特点、工作原理以及触摸屏设备的国内外现状和技术发展趋势，针对 触摸屏设备的功能需求，提出本课题的设计目标，制定触摸屏控制器的总体设计方案。 2 、充分考虑t 业触摸屏恶劣的应用环境和以后的功能扩展，基于核心处理器的各个基本功能模 块，进行触摸屏设备硬件平台的设计。把硬件平台划分为存储、显示、触摸板、键盘、以太网、u s b 等模块，并给出主要模块的具体设计和电路框图的实现。 3 、在熟练掌握a d s1 2 和m u l t ii c e 仿真器使用的基础上，搭建硬件调试环境，设计硬件调试 方案，编写测试代码并进行调试。 4 、分析w i n c e5 0 操作系统的体系结构和移植原理以及b s p 的结构，在深入研究三星公司 s 3 c 2 4 1 0w e5 0b s p 的基础上进行朋n 订e l a t 9 1 s a m 9 2 6 1 的w i n c e5 0b s p 的设计，并制定b s p 的开发流程。 5 、深入研究w i n c e5 0b o o t l o a d e r 的架构、1 ：作流程和原理，针对触摸屏控制器的硬件，编写 相关代码和配置文件，开发触摸屏控制器的b o o t l o a d e r ，并给出主要的工作流程图和函数调用关系图 6 、深入分析o a l 的架构、启动流程和原理，指出开发o a l 需要实现的主要功能和函数。通过 研究o a l 中断处理、时钟操作、通用i o 控制、k i t l 和以太网调试函数，完成触摸屏控制器o a l 的开发。 2 第一章绪论 7 、深入研究和分析设备驱动的功能以及w i n c e5 0 的设备驱动模型和中断机制，根据触摸屏设 备的功能需求和硬件资源的分配进行设备驱动程序的开发，包括触摸屏驱动程序、矩阵键盘驱动程 序、u s b 主机驱动程序 8 、分析操作系统的定制流程，设计b o o t l o a d c r 、驱动程序及系统性能的调试方案并进行调试 3 第二章触摸屏控制器总体方案设计 第二章触摸屏控制器总体方案设计 2 1 方案论证 大部分嵌入式系统的特点是低功耗、低成本、小体积和高实时性，同时为了满足嵌入式人机界 面产品要求，必须保证可靠性和足够的抗干扰性本触摸屏控制器采用a t m e la r m 9 系列的 j m l s m 9 2 6 l 和嵌入式实时操作系统w i n c e5 0 相结合。a t 9 1 s a m 9 2 6 1 是a t m e l 公司的以 a r m 9 2 6 e j s 处理器为核心的超低功耗工业级微控制器。它具有丰富的系统与应用外设及标准接口， 满足工业环境低功耗、低成本、高性能、抗干扰性强的要求。工业领域的操作系统需要严格的实时 处理能力、高可靠性、良好的开发性，对图形界面、开发环境、可操作性、成本也都有特别的要求。 w i i l c e5 0 很好地解决了以上问题。因此，采用a t 9 1 s a m 9 2 6 1 和w i l l c e5 0 相结合的设计方案具 有可行性和很好的市场前景。 2 2 设计指标 触摸屏设备一般具有以下功能：串口调试和串口通信；以太网下载和网络传输；可外接u s b 设 备( 如鼠标、u 盘等) ；和u s b 主机进行通信实现组态画面和系统软件的更新；可外接触摸屏和l c d 进行输入和显示。综合考虑触摸屏设备的工作环境和功能需求，对本课题开发的触摸屏控制器提出 以下指标： l 、具有两个串口、两个u s b 主机接口、一个u s b 设备接口、一个网卡接口、一个j t a g 调试 接口、一个l c d 接口； 2 、具有触摸屏、键盘输入和l c d 显示功能； 3 、具有大容量存储设备，可以存储操作系统映像和大量的用户数据； 4 、在该触摸屏控制器上可以运行w i n c e5 0 操作系统； 5 、用户可以在基于该触摸屏控制器的设备上开发自己的应刚程序； 6 、触摸屏输入无漂移，且能满足工业现场实时、准确、长期稳定运行的要求。 2 3 设计流程 鉴于本课题的复杂度，在设计过程中要十分的仔细。在前期的芯片选型、中期设计调试和后期 的测试验证等各个环节都要做出合适的选择，同时还要在系统灵活性、成本、开发进度与可用工具 之间做出折中的选择。与通常p c 机上的应用程序开发不同，如果要负责开发一个嵌入式系统，通 常软件开发和硬件开发都是须考虑的内容。基于w i n c e 的嵌入式系统开发同样会涉及剑软件和硬件 两方面的开发。 图2 1 描述了基于w i n c e5 0 的触摸屏控制器的设计流程。 5 江南大学硕士学位论文 需要硬件设计? n 从o e m 厂商购买硬件和b s p 需要0 s 定制? n 一一一 从o e m 厂商得到s d k 和操作系统 运行时映像 开发& 测试 y y 设计开发硬件 为自己的硬件开发b s p 定制w i n c e5 o 操作系统 导出s d k l 望翌j 图2 - 1 基于w i n c e5 o 的触摸屏控制器开发流程 f i g 2 - 1d e v e l o p m e n tp r o c e s so ft o u c h s c r e e nc o n t r o ll e rb a s e do nw i n c e5 0 首先要设计开发触摸屏控制器的硬件平台。这涉及根据具体的应用，选择合适的硬件。选择的 硬件必须满足w i n c e5 0 的运行需要。例如，c p u 是否被w i n c e5 0 支持，是否有m m u 等。然后 根据硬件开发w i n c e5 0 的板级支持包( b s p ) ，包括b o o t l o a d e r 、o a l 、驱动程序，这也是本课题的 研究重点。接着进行操作系统的定制，操作系统定制是通过p l a t f o r mb u i l d e r 工具完成的。使用 p l a t f o r mb u i l d e r ，可根据具体的应用需要，选择需要的操作系统功能组件，然后生成操作系统的运 行时映像，并导出s d k 。当硬件和操作系统都已经具备后，安装s d k ，并通过e m b e d d e dv i s u a lc h 进行应用程序的开发。 2 4 系统总体规划 触摸屏控制器作为嵌入式系统，其体系结构可以分成4 个部分：嵌入式处理器、嵌入式外围设 备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件。图2 - 2 为嵌入式系统体系结构图【3 1 。 图2 - 2 嵌入式系统体系结构 f i g 2 - 2e m b e d d e ds y s t e ma r c h it e c t u r e 大型嵌入式触摸屏设备的结构复杂、功能强人、通用性较强，能够适应不同的t 业控制场合， 在系统平台不变的情况下，只需使用相应的组态软件进行画面组态或者自己开发基于此系统平台的 6 第二章触摸屏控制器总体方案设计 应用软件就可以在信息处理、数据通信、工业监控等多种场合中都得到很好的应用。这要求系统平 台设计可靠；应用程序接口开放程度高，接口丰富：人机交互友好。大型触摸屏设备的系统总体规 划如图2 3 所示。 i 通信控制和】f 设备控制和i 管理 l | 管理 i一1一 f i g 2 - 3s y $ t e mi l l a $ t e rp l a n 2 5 本章小结 本章阐述了触摸屏控制器系统总体方案设计。综合考虑触摸屏设备的功能需求，提出了该课题 的设计指标。然后给出了基于w i n c e5 0 的触摸屏控制器的设计流程。最后分析了嵌入式系统体系 结构，并制定了系统的总体规划。 7 第三章控制器硬件的设计与实现 第三章控制器硬件的设计与实现 本章重点介绍以a 眄ls a m 9 2 6 l 处理器为核心的触摸屏控制器的硬件设计，分析各个主要功能 模块的具体的电路实现，并给出硬件调试方案针对恶劣的工业环境，硬件上采用了性能稳定的数 字式触摸屏，很好地解决了坐标漂移问题，并满足工业现场持续、稳定工作的要求。因为控制器硬 件是在实验室陆林同学的研究基础上进行设计和调试的，详细的硬件选型及方案论证请参考陆林的 基于a r m 9 的大型触摸屏控制器的研究与开发。 3 1 硬件总体结构 嵌入式系统的硬件结构通常是由处理器、存储器、i o 接口、网口等相关外围设备组成。本文开 发的触摸屏控制器有针对性较强的应用背景。出于对工业自动化控制系统性能需求等多方面因素的 考虑，需选用一款具有硬件资源丰富、功能强大、易于系统扩展、抗干扰性强等特点的微处理器为 核心，进而完成对触摸屏控制器的设计与开发。 具有a r m 9 2 6 e j s 内核的a t m e la t 9 1 s a m 9 2 6 1 处理器是目前嵌入式领域较受好评的工业级 微处理器之一，以它为核心完成工业自动控制系统的嵌入式平台，实现工业现场的各种控制功能是 非常合适的。 本系统的硬件设计主要基于核心处理器的各个基本功能模块，辅以外围接口电路完成。根据触 摸屏系统的应用方向及功能需求，有针对性地对各种外设进行了扩展，包括以太网接口、大容量存 储器等功能。另一方面a t 9 1 s a m 9 2 6 1 处理器提供了非常丰富的外围接口控制器，但是在设计过程 中需要有取舍性地应用，对于在触摸屏控制器中并无实际用途的功能模块本系统未予以实现，比如 m c i 、s p i 等。 系统硬件结构如图3 1 所示。 电源模块 u s b h t 接口 ，r a g u s bd c v i c e 接口 s d r a ma m i - i 峪2 3 2 调试串口 a t 9 ls a m 9 2 6 1 微处理器 n o r f l a s h r s 2 3 2 标准串口 n a n df l a s h l c d 触摸屏 矩阵键盘 r j 4 5 图3 - 1 系统硬件结构框图 f i g 3 - 1s y s t e mh a r d w a r e a r c h i t e c t u r e b l o c kd i a g r a i 硬件平台主要组成部分如下： l 、核心处理器。处理器的性能决定了整个触摸屏设备的性能高低，是整个系统的心脏。根据系 9 江南大学硕士学位论文 统的需求，选用了业界第一款删9 2 6 e j s 微内核构建的工业级微控制器a t 9 1 s a m 9 2 6 1 。 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 作为系统的中央处理器完成主要的运算功能和控制功能，并提供基本的外围接口电 路和设备控制器，能够有效减少外围设备芯片，提高系统的可靠性和抗干扰性 2 、存储模块。存储模块主要包括了6 4 m b 的s d r a m 、6 4 m b 的n a n df l a s h 和4 m b 的n o r f l a s h 。由它们构成的大容量存储系统为触摸屏设备复杂多变的人机交互和以大量数据分析为基础 的工业控制提供了存储保障。 3 、以太网模块。嵌入式以太网可以远程传输监控信息和操作命令，实现工业控制的网络化，并 可以实现系统的i n t e m e t 在线更新1 6 】。 4 、u s b 主从模块。u s b 主控制器可以连接u s b 鼠标，u s b 键盘等输入设备和u 盘等存储设 备；u s b 从设备接口可以使工业触摸屏与p c 机相连，以实现组态画面和系统软件的下载更新。 5 、l c d 显示模块。l c d 显示器负责信息的图形化显示。 6 、触摸屏模块。提供了除鼠标，键盘外的另一种简便的人机交互方式。 7 、键盘模块。采用4 * 4 的键盘设计，方便0 - 9 数字及一些功能键的输入 8 、串口模块。包括调试串口和通信串口，可以用来进行软硬件调试及串口通信。 9 、j t a g 模块。通过连接仿真器可以实现系统的调试功能，并可以通过仿真器更新系统。 1 0 、电源模块。负责整个设备的电源管理，复位控制。 3 2 主要硬件模块的设计与实现 3 2 1 处理器核心模块 本文的触摸屏设备使用了以a r m 9 2 6 e j s 处理器为核心的a t 9 1 s a m 9 2 6 1 。采用a r m 9 2 6 e j s 核的处理器具有以下特点1 7 】： ( 1 ) 支持1 6 3 2 位r i s c 体系架构； ( 2 ) 高性能和高灵活度的3 2 位a r m 指令集： ( 3 ) 高代码密度的1 6 位t h u m b 指令集； ( 4 ) 支持d s p 扩展指令与单周期的m a c 运算； ( 5 ) a r mj a z e l l e 技术，支持j a v a 解决方案； ( 6 ) 集成m m u ，支持包括s y m b i a no s 、w i n c e 、l i n u x 在内的多种操作系统； ( 7 ) 指令和数据c a c h e 大小可以灵活配置； ( 8 ) 包含分离的指令和数据t c m 接口，并支持插入等待状态； ( 9 ) e m b e d d e di c e r t 实时调试单元； ( 1 0 ) 符合行业标准的a m b a 总线a h b 接口； ( 1 1 ) e t m 接口( 通过e t m 9 ，可以实现实时跟踪功能) ； ( 1 2 ) 可选的m o v e 协处理器具备视频编码性能。 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 是a t m e l 公司推出的业界第一款以a r m 9 2 6 e j s 处理器为核心的超低功耗工业 级微控制器。其待机电流仅为2 5 u a ，当t 作频率为5 0 0 h z 时，电流消耗为4 0 0 u a 。在工业级温度 范围内，处理器性能达剑2 0 0 m i p s 时，即使所有外设都处于工作状态，其t 作电流也仅有6 5 m a 。 它具有丰富的系统与应用外设及标准接口，是专为低功耗、低成本、高性能的计算机宽范围应用提 供的一个单片解决方案【引。 a t 9 l s a m 9 2 6 l 还外扩了d s p 指令设备和j a z e l l ej a v a 加速器。在- 1 作频率为1 8 0m h z 的情 况下，其运算速度为2 0 0m i p s 。采用多层总线矩阵的并行机理，可以显著提高数据流量。该总线矩 阵能把5 个高速总线控制，包括处理器指令和数据总线、外设直接存取内存控制器( p e r i p h e r a ld m a c o n t r o l l e r , p d c ) ，以及两个用于u s b 主机和l c d 控制器的专用d m a ，同时连接到片上外设，以及 l o 第三章控制器硬件的设计与实现 内置或外置的存储器上。在a t 9 l s a m 9 2 6 l 中增加了1 9 条p d c 通道。p d c 的作用是在外设及存储 器之间传输数据，这样既可分担c p u 的工作量，也能提高数据传输率。a t 9 1 s a m 9 2 6 1 充分发挥了 a r m 9 2 6 e j - s 紧密式耦合内存曲f l yc o u p l e dm e m o r y , t c m ) 构架的优势，让传统( 非高速缓 存) s r a m 直接连接到a r m 处理器上而不会出现滞后情况。在运算能力方面强于$ 3 c 2 4 1 0 等常见 a r m 9 处理器，尤其在处理流媒体数据时更为明显。 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 具有一个大小为1 6 0 k 的高速片上s r a m 和一个低等待时间的外部总线接口 ( e b i ) 。e b i 有s d r a m 、b u r s t f l a s h 及静态存储器控制器，并设计了专用电路以方便与s d m m c 、 c o m p a c t f l a s h 及n a n df l a s h 的连接。 高级中断控制器( a i c ) 通过多向量、中断源优先级划分及缩短中断处理传输时间来提高 a r m 9 2 6 e j s 处理器的中断处理性能。输入，输出口线可以复用，以最大程度上减少引脚数目，适应 器件的配置。电源管理控制器( p m c ) 通过软件控制有选择的使能禁用处理器及各种外设的时钟来使 系统的功耗保持最低。它用一个增强的时钟发生器来提供包括慢时钟( 3 2 7 6 8 h z ) 在内的选定时钟信 号，以随时优化功耗和性能。 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 具有丰富、优良的外设资源，这是本课题选择它作为核心处理器的重要原因之一。 包含通用同步异步收发器( u s a r t ) ，可用于全双工通用同步异步串行连接。具有u s b2 0 全速主从 机端口和用于液晶屏控制的l c d 控制器等。此外，还提供了一系列符合工业标准的外设，可在音频、 电信、f l a s h 卡及智能卡中使用。 为了完善性能，a t 9 1 s a m 9 2 6 1 集成了包括j t a g i c e 、专片ju a r t 调试通道( d b g u ) 及嵌入式 实时追踪等一系列调试功能。这些功能使得开发、调试所有的应用特别是受实时性限制的应用成为 可能。 3 2 2 显示模块 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 集成了l c d 控制器，通过外接l c d 构成触摸屏控制器的显示模块。l c d 控制 器支持单扫描和双扫描模式的单色或彩色s t n 屏，也支持单扫描模式的t n 屏。对于单色的s t n 屏，通过扫描抖动算法及帧速率控制机制可支持高达1 6 级灰度。对于彩色的s t n 屏，可产生高达 4 0 9 6 种颜色。该l c d 控制器有一个显示输入缓冲器( f i f o ) ，通过配置可支持多种不同的规格，例如： 高达2 0 4 8 2 0 4 8 的分辨率、像素深度( 1 ，2 ，4 ，8 ，1 6 ，2 4 位) 、数据线宽度( 4 ，8 ，1 6 或2 4 位) 和 各种接口时序等。l c d 控制器有d m a 控制器，可以不经处理器直接读取显示缓存中的数据，加速 了l c d 的显示。 l c d 采用夏普公司的6 4 0 * 4 8 0 的1 l 丌屏，最高可以支持2 4 位的像素深度。a t 9 1 s a m 9 2 6 1 与 l c d 的接口电路如图3 - 2 所示。l c d 控制器通过l c d d 2 3 ：0 把像素点数据送给l c d 屏显示，其中 的时序由l c d d o t c k 、l c d d e n 、l c d h s y n c 和l c d v s y n c 等信号来控制。 p b o v s y n c p b lh s y n c p b 2v c l k p b 4l c do c p b 孓中b 2 8ic d 啦u ：d 2 3 r 9 i s a m 9 2 6 lu ：d 图3 - 2l c d 显示电路框图 江南大学硕士学位论文 3 2 3 存储模块 本硬件平台的存储模块包括6 4 m b 的s d r a m 、6 4 m b 的n a n ) f l a s h 和4 m b 的n o rf l a s h 。 s d r a m 选用两片m i c r o n 公司的m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 。n a n df l a s h 选用的是三星公司的 k 9 f 1 2 0 8 u o b 。n o rf l a s h 选用的是s s t 公司的s s t 3 9 、伊3 2 0 l 。 ( 1 ) 地址空间分配 为了方便指令访问，本平台把各部分设备映射到内存空间。具体的地址空间由表3 1 给出。 表3 - 1 地址资源分配 t a b 3 - 1a d d r e s sa ll o c a t i 0 1 1 地址范围 资源大小功能宽度位 0 x 1 0 0 0 0 0 0 0 - o x l f f f f f f