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武汉理i 大学硕士学位论文 摘要 对机务段内作业现场接触网安全控制装置进行了研究，提出了以监控隔离 开关为目标的监控系统方案，设计了基于a r m 和o c o s i i 的接触网隔离开关监 控系统，分析了接触网监控系统的国内外研究现状以及常用的处理器a r m 和操作 系统的性能特点，并结合接触网隔离开关整备作业的特点和作业的安全性，和规 范性的关键点，在此基础上提出了监控系统上的上位机监控和下位机操作的模 式，在下位机选用了了a r m 的高性能，低功耗的微处理器，并充分利用o c o s 操 作系统的低成本，移植性强的优势，实现信息的采集自动化与智能化以及操作流 程的规范化，推进整个系统流程的现代化进程。 实现了射频卡身份认证系统，开发i c 卡作业管理系统，采用射频式i c 卡 对检修作业人员的个人信息、作业时间进行管理。并在上位机建立数据库，方 便查询和记录工作状况，建立操作员与监护员档案数据库，更好的反应各工作 人员的值班情况。 采用了可靠性和通信距离较远的c a n 总线数据通信，以单片机为控制单元 与监控装置系统通信，实现发送数据帧，远程帧，以及用于查询状态的信息帧， 实现把c a n 接收到的数据通过r s 一2 3 2 发送给上位机，成功的实现了在机务段内 环境下的远距离信息通信。 移植u c g u i 至操作系统，编写触摸屏及l c d 接口的设备驱动，开发了图形 人机界面，利用触摸屏的轻便直观、方便灵活等优点，监控过程中能直观的显 示系统流程的过程，以及应注意的安全问题，能直观的显示输入的机车号。 设计中央控制系统，采用工业控制机作为上位机，利用c + + b u i i d e r 编写用 户界面，能以动画画面模拟机务段接触网的状态，用模拟图形及文字的形式实 时显示整备场各作业股道机车的进出台位状态、并建立了操作员和监护员的历 史工作数据库。 关键词：a r m ，u c o s - i i ，c a n ，射频认证，监控 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s i g n sc a t e n a r yi s o l a t i n gs w i t c hm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e d o na r m a n dt h eu c o s i i ，a n a l y z e st h es i t u a t i o n so fc a t e n a r ym o n i t o r i n gs y s t e ma th o m e a n da b r o a d ，a sw e l la st h ep e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c so fp o p u l a ra r mp r o c e s s o r a n d o p e r a t i n g s y s t e m ， c o m b i n e d w i t h o p e r a t i o n a l p r o c e s s e s o f r e o r g a n i z a t i o n ，p r o p o s e st h eo v e r a l lp r o g r a mo f m o n i t o f i n gs y s t e m ，m a k i n gf u l lu s e o fa r m sh i g h p e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o na sw e l la s t h eu c o s o p e r a t i n gs y s t e m sa d v a n t a g e so f l o wc o s t ，a n ds t r o n gt r a n s p l a n t a t i o n t h ed e s i 舯a c t u a l i z e sm er fc a r di d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e m ，d e v e l o p si c c a r do p e r a t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，w h i c hu s e sr a d i of r e q u e n c y - t y p ei c c a r dt o m a n a g et h ep e r s o n a li n f o r m a t i o na n dw o r k i n g t i m e i ta l s oe s t a b l i s h e sad a t a b a s eo n t h eh o s tc o m p u t e rt of a c i l i t a t et h eq u e r ya n dr e c o r d i n go fw o r k i n gc o n d i t i o n s ，s oa s t 0e s t a b l i s ha r c h i v a ld a t a b a s eb e t w e e nt h eo p e r a t o ra n dt h es u p e r v i s o r ，i tc a nr e f l e c t t h es i t u a t i o no fs t a f f so n - d u t yb e r e r i ta c h i e v e sc a nb u sd a t ac o m m u n i c a t i o n w h i c hc o m m u n i c a t e sw i t h m o n i t o r i n gd e v i c e ss y s t e mu s i n gm o n i t o r i n gd e v i c e sm i c r o c o m p u t e r a sc o n t r o l l i n g u n i t i ta i s or e a l i z e ss e n d i n gt x d ，r e m o t ef r a m e ，a sw e l la si n f o r m a t i o nf r a m ew h i c h i su s e dt oq u e r y i n gp o s t u r e s f i n a l l yi ts e n d st h ed a t ar e c e i v e di nc a n t ot h eh o s t c o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2 i tt r a n s p l a n t su c g u i t ot h eo p e r a t i n gs y s t e m ，c o m p i l e s t h ee q u i p m e n td r i v e so ft o u c hs c r e e na n dl c di n t e r f a c e ，d e v e l o p sg r a p h i c a l m a n m a c h i n ei n t e r f a c e ，t a k i n gf u l la d v a n t a g e so ft h ep o r t a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c e o f t o u c hs c r e e n i te n s u r e st h ed i r e c td i s p l a yo fs y s t e mf l o w ，a sw e l la ss e c u r i t yi s s u e s ， a n dt h el o c o m o t i v en u m b e rw h i c hh a sb e e ni n p u t i td e s i g n sc e n t r a lc o n t r o l l i n gs y s t e m ，u s i n gi n d u s t r i a lc o n t r o l l i n gm a c h i n ea sa h o s tc o m p u t e r , u s i n gc + + b u i l d e rt oc o m p l i et h eu s e ri n t e r f a c e ，c a ns i m u l a t et h e s t a t eo fc a t e n a r yl o c o m o t i v ed e p o ta d o p t i n ga n i m a t e di m a g e s ，o n t i m ed i s p l a y st h e p a s s i n gi n a n d o u ts t a t e so fl o c o m o t i v e su s i n g ag r a p h i c sa n dt e x t ，f i a l l ye s t a b l i s h e s t h eh i s t o r i c a ld a t a b a s eo fo p e r a t o r sa n dm o n i t o r s k e yw o r d s ：a r m ，u c o s i i ，c a n ，r fc e r t i f i c a t i o n ，m o n i t o r i n g i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在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n j j n 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，也不包含为获得 武汉理工大学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。 签名：盔盐筮日期：型：2 ：绻 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：佟赫b导师( 签名) ：蝴日期么卿7 j 2 武汉理上人学硕十学位论文 第一章绪论 本课题主要针对于国内电力机务段智能化级别低以及工作环境安全性不高 的现实问题进行研究探讨，设计了可行的方案，并现场调试通过。研究的意义 就是实现信息的采集自动化与智能化以及操作流程的规范化，推进整个系统流 程的现代化进程，弥补国内在此领域的不足，提高机车检修整备工作环境的安 全水平，有效的保护施工作业人员的生命安全。本课题的主要研究内容是在针 对机务段内作业现场接触网安全控制装置进行了研究，提出了以监控隔离开关 为目标的监控系统方案设计。 1 1 监控系统的背景与发展现状 1 1 1 隔离开关监控系统的背景 2 0 0 7 年，铁道部制定了铁路信息化发展的远景目标，建设具有先进水平的铁 路信息化通信平台，目的可以实现各个系统部门间的信息数据资源共享，建立 一个有效的资源共享平台，需要将各个机车的作业人员以及出入库的机车作业 记录能准确及时的反馈。 针对电力机车的整备作业中隔离开关传统操作效率低，劳动强度低，存在不 安全的因素，根据襄北机务段内整备作业的监控技术的现状，结合机车登顶的 作业操作流程要求，提出了研制电力机车整备作业场隔离开关及上位机监控系 统【1 1 。 1 1 2 课题的国外发展现状 隔离开关担负着接触网变电所供电、倒闸作业、变换供电方式等重要任务， 是电气化铁路现代化操作的重要设备之一。国内电气化铁道额定电压为2 7 5 k v 户外高压，隔离开关的分合闸操作大多先通过手动操作传动机构带动开关，后 经人工挂接地线的方式来完成的，传统的作业方式劳动强度大、作业效率低， 大大增加了机车停靠时间，减少了铁路的运输能力，而且存在不同程度的安全 隐患，危及作业人员的生命安全【z 】。 而在国外机务段检修作业中，采用自动化控制关键设备，对接触网隔离开 武汉理j r 大学硕十学位论文 关的安全敏感设备进行安全互锁和集中监控，达到保证检修人员安全工作的目 的，国外的基本作业方式有“检修平台和“专用梯子 两种方案，分述如下。 ( 1 ) 检修平台方案 欧美国家电力机务段的检修大多使用检修平台方案，因为国外电力机务段的 股道间距大，可以将通往机车车顶的检修平台建在股道间，并在平台上设立自 动控制门，作业人员必须通过刷卡身份认证方式打开自动控制门。具体操作流 程为作业施工人员要进行机车整备作业时，首先刷卡认证申请上机车车顼，如 接触网断电，则平台自动控制门打开，不然刷卡请求不响应，无法打开控制门。 然而在有作业人员在电力机车顶进行检修时，接触网不能上电，只有当检修人 员离开时，机车接触网才能正常上电工作。 ( 2 ) 专用梯子方案 专用梯子方案也是国外比较普遍的作业方式，欧美国家电力机务段股道的间 距大，相邻高压接触网的安全距离达到了国际标准，所以可使用专用于检修 作业的梯子在各个股道滑动来进行机车整备作业。其具体操作流程为机车停放 在a 股道，检修人员切断a 股道的接触网后，将专用梯子滑到a 股道的车顶检 修作业，在检修完成后，将梯子滑走方能接通a 股道的接触网，假如a 股道接 触网有电时，专用梯子被限制不能到达股道a ，即作业人员就到不了机车顶。 上述两种方案，都是采用现代的通信手段和控制理论在整个整备作业操作 流程中实现联锁控制，大大提高了工作安全系数。相对于国内目前的车顶整备 作业工作操作流程更加简单、可靠。 1 2 隔离开关监控系统研究目的及意义 1 2 1 监控系统研究的目的 根据铁路运输规定，电力机车的整备作业必须是在机务段内完成，而且在 机车进入整备作业工作区时，机车接触网隔离开关必须断开，即车顶必须是没 有电压的，这样施工人员才能安全等顶作业，又由于整备作业是全天候作业， 完全不受天气影响，每r 的作业频率达到几百次，所以工作环境极易受到天气 和人员疲劳强度的影响，如有稍微操作不当，轻则损坏设备和烧坏接触网，重 则危及生命以致国家财产损失，完全复杂手动的操作流程，也是导致事故发生 的主要原因，鉴于上述原因本课题研究开发接触网隔离开关安全监控系统。 2 武汉理- l 人学硕士学位论文 1 2 2 隔离开关监控系统研究的意义 接触网隔离开关监控系统的成功研发有利于机务段和铁路局对人员安排、机 车检修、作业记录等信息的进行现代化管理；有利于以改变电力机务段传统的 整备作业场中隔离开关的监护模式和操作模式，缩短作业施工时间；有利于保 证人民的生命财产安全，大大减少了事故的发生率。而从整个国家的铁路发展 上看，有利于发展我国的铁路运输事业，使机务段的作业更加自动化，智能化， 方便调度，使火车提速更上一层台阶，这一系统方案的提出，也充实了国内在 机车安全整备作业领域的知识，使国内的列车控制系统，检测系统，安全保障 系统得到进一步的提高。 1 3 本文研究的主要内容和关键问题 1 3 1 基本指导思想和作业流程要求 本系统设计的基本指导思想是应用系统控制理论和现代控制技术，研制自 控装置和建立新的作业方式，并最大限度简化操作，确保作业安全。要保证检 修人员的生命安全，必须保证本系统能够正常、稳定的运行。即使系统出现了 问题，也不应该出现安全上的隐患。需采用了抗干扰能力较强的c a n 通讯方式、 可重复使用的i c 卡、以及接地杆位置、隔离开关操作机构电源、钥匙开关、硬 件互锁等功能，需对对电机的位置以及传感器进行实时检测，防止误判断，以 下介绍隔离开关的分合闸操作流程。 隔离开关的分闸的操作流程： 1 操作员与监护人一起打开接触网开关综合监控装置箱门，操作员打开闭锁钥 匙，液晶显示：“请操作员刷卡”。 2 操作员将有效的i c 卡靠近射频读卡器，液晶显示：“请输入机车号 。 3 操作员使用键盘输入相应的机车号，按“确认”， 液晶显示：“请监护员 刷卡”。 4 监护员将有效的i c 卡靠近射频卡读卡器，若操作模式为2 ，液晶显示：“请 等待值班员同意”，操作员等待同意命令，在进行下步操作；若操作模式为 1 ，液晶显示：“请操作员断开接触网开关”，操作员直接进行下步操作。 5 操作员按“隔离开关分”，若确认操作，则按“执行”，若不确认操作，则 按“撤消”。 武汉理i ：大学硕七学位论文 6 操作员等待电机转动隔离网开关，当开关分开操作成功，液晶显示：“开关 断开，操作成功，谢谢使用”，操作员将闭锁钥匙打到闭锁位置，关闭箱门， 收好操作员卡，挂好接地杆，再上车顶检修。 隔离开关的合闸的操作流程： 1 操作员检修完毕，从接触网上取下接地杆，并归位，与监护人一起打开接触 网开关综合监控装置箱门，操作员打开闭锁钥匙，液晶显示：“请按确认 键，确认接地线已拆除”。 2 操作员检查接地杆是否归位，再按“确认”键，液晶显示：“请操作员刷 卡”。 3 操作员出示与断开开关时一致的i c 卡，液晶显示：“请输入机车号”。 4 操作员输入与断开开关时一致的机车号，按“确认”，液晶显示：“请监 护员刷卡”。 5 监护员出示与断开开关时一致的i c 卡并刷卡。 6 操作员按“隔离开关合 ，若确人操作，则按“执行”，若不确认操作，则 按“撤消“。 7 操作员等待电机转动隔离网开关，当开关闭合操作成功，语音提示：“开关 闭合，操作成功，谢谢使用”，操作员将闭锁钥匙打到闭锁位，关闭箱门。 1 3 2 本课题的主要研究工作 1 接触网开关综合装置的研制，首先利用$ 3 c 2 4 4 0 处理器设计最小系统，开 发外围电路，包括液晶显示模块，以及与通信控制单元通信的c a n 模块，基于 u a r t 的i c 卡作业管理系统，此系统是针对电力机车组整备作业场站场大、隔离 开关多而分散、中央控制系统离站场远等特点设计的，最后移植u c o s - i i 操作 系统，并建立各模块的任务调度和通信，移植u c g u i 至操作系统，开发图形用 户界面。 2 采用s t c 5 2 单片机开发通信控制单元，研制开发网络控制系统，一是利用 c a n 通信接收来自接触网开关综合监控装置的信息，当有报文传来的时候，接收 报文并直接向上发给上位机，把报文的处理交给计算机来完成，一方面为了减 小单片机一侧的负担，另一方面可以充分发挥计算机处理能力强的优势，二是 接收计算机串口发来的命令，并根据用户事先的定义，执行对c a n 总线的操作， 以此实现对各个综合监控装置的通信。 4 武汉理上大学硕十学位论文 3 设计中央控制系统，采用工业控制机作为上位机，利用c + + b u il d e r 编写 用户界面，能以动画画面模拟机务段接触网的状态，用模拟图形及文字的形式 实时显示整备场各作业股道机车的进出台位状态、隔离开关分合闸到位状态、 登顶作业通道的开闭状态、登顶作业人员统计、安全作业信号指示灯状态，申 请作业通讯显示、作业状况的历史记录，以及操作员与监护员的数据库管理， 设计控制软件，对合闸、分闸等安全装置进行状态检测与登录控制。本系统采 用故障导向安全的设计思想，在任何一部分出现故障时，系统都不能进行分、 合闸操作，确保安全。 4 控制面板的研制，上有钥匙开关位置：包含闭锁和操作两种状态；开关和 与开关分按钮：主要进行隔离网开关分闸与和闸操作；执行按钮：是分、合操 作出口按钮，按下操作选择按钮( 开关合或分) 后必须按此按钮，机构才能进 行实际动作；撤消按钮：按下此按钮功能为取消操作选择按钮( 开关合或开关 分) 。 1 3 3 本课题的解决的关键问题 1 使用液晶显示和工控机的语言提示，使操作步骤更明晰更规范，操作员 和监护员需严格按照操作流程执行操作。 2 开发i c 卡作业管理系统，采用射频式i c 卡对检修作业人员的个人信息、 作业时间进行管理。并在上位机建立数据库，方便查询和记录工作状况，建立 操作员与监护员档案数据库，更好的反应各工作人员的值班情况。 3 选择与c a n 总线通信有关的微处理器，以单片机为控制单元与监控装置 系统通信，实现发送数据帧，远程帧，以及用于查询状态的信息帧，实现把c a n 接收到的数据通过r s - 2 3 2 发送给上位机。 1 4 系统的总体方案和结构安排 1 4 1 系统的总体方案 隔离开关安全监控系统总体方案设计的基本指导思路是应用现场总线技 术、和现代控制技术，开发电力机车整备作业接触网隔离开关安全监控系统。 在严格按照机务段整备作业流程时，尽可能的确保人员和设备的安全，假如系 统中的任意一个作业流程发生错误的话，系统将不能再往下执行，液晶显示将 5 武汉理_ l 人学硕士学位论文 报错，检修人员将不能登顶作业。隔离开关的操作是采用电机控制，如果系统 发生错误，电机将自动断电，简化了整备作业过程中的认为操作。系统的方案 构成包括上位机监控系统p c 机的选取与语音报警音响的安装以及监控界面的实 现方案，下位机监控装置的研制，以及使通信从c a n 总线到r s - 2 3 2 自由转化的 单片机通信控制装置的研制。 1 4 2 监控系统组成 系统由安装于机务段值班室的上为监控主机系统、通讯控制转换单元和安装 在现场的多个接触网隔离开关监控装置。监控主机系统( 负责收集、处理从接 触网开关综合监控装置传来的数据，组织，报表，设置参数) 含一台工业控制 计算机、液晶显示器、语音提示系统、内l 工业键盘、鼠标、音箱、打印机等。 通信处理控制中心：负责处理各接触网开关综合监控装置的有关信息及监控主 机系统的接口通讯。接触网综合监控装置是设备操作员和监护员现场操作的平 台。可对操作员、监护员按照管理流程刷卡进行监控，只有按照操作流程完成 两步刷卡后，系统经过分析，识别操作是安全、有效、符合流程的，才对隔离 开关进行远程电动闭合操作，接触网接地操作，结构示意图如图1 - 1 所示。 6 区堡墨! 占芏堡土堂鱼堡塞 臣画丑一匾 操作机构 图卜1 监控系统结构示意图 1 4 3 论文的结构安排 接触嘲，f 关 综合监控n # 操作机构倍弓灯 论文的结构安排分为五章，第一章为绪论，介绍接触网隔离开关系统构成， 作业流程要求以及现状分析，本课题的现实意义与目的与背景介绍、该系统的 设计指导思想、操作要求及主要研究的工作内容和解决的关键问题，最后是系 统的总体方案设计及系统的通讯方案设计，第二章是接触网开关综合监控装置 的设计。包括各个模块的电路设计，第三章是监控装j 苒c 的的软件构建包括操 作系统移植，图形界面的编写，第四章介绍通信控制单元如何实现上下机通 信和数据的传送，第五章介绍上位机人机界面的编写，工作人员的档案数据库 和历史操作记录数据库的建立，提供日子查询功能和操作员与监护员的档案修 改，而且可通过r s 一2 3 2 与下位机的串口通信软件设计。 武汉理上人学硕士学位论文 第二章接触网综合监控装置设计 2 1 系统的功能需求和整体设计 2 1 1 系统功能需求 嵌入式系统的架构可以分为四个部分：处理器、存储器、输入输出及软件。 嵌入式系统最核心的部分是嵌入式处理器，目前，世界上专为嵌入式应用的处 理器已有数十个系列，多达1 0 0 0 多种。不同的处理器有其不同的功能和优势。 低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的共同要求【3 】。本文选用的是基于 3 2 位a r m 核的$ 3 c 2 4 4 0 微处理器，它是主流的高性能嵌入式处理器，具有低功 耗及高集成度相关突出特性，如支持s d r a m 、f l a s h 及从n a n d f l a s h 启动等。 s d r a m ，f l a s h ，r o m 是目前嵌入式系统使用的主流存储器件木文设计的是一个完 整的嵌入式系统，根据实际的应用需求分析，需要以下外围设备功能接口： 1 r s 2 3 2 串行接口，它是目前p c 就与通信工业中应用最广泛的一种按口， 可实现两台设备的点对点的通信，本系统需要通过串口进行调试工作，以及射 频卡模块的扩展，也是通过u a r t 串口连接的。 2 c a n 总线通信模块，各个接触网监控装置是通过c a n 总线与通信控制单元 连接的，正因为c a n 支持点对点、一点对多点、广播模式通信。其特点包括各 节点可随时发送消息。传输介质为双绞线，通信速率与总线长度有关，采用短 消息报文，每一帧有效字节数为8 个，当节点出错时，可自动关闭，抗干扰能 力强，可靠性高，所以能很好的满足现场总线的需要。 3 触摸屏及l c d 接口，这两个接口用于系统输入及输出，由于它们具有轻 便直观、方便灵活等优点，在监控过程中能直观的显示系统流程的过程，以及 应注意的安全问题，能直观的显示输入的机车号。所以在本系统它们将是重要 的组成部分，在微处理器的选择上会首选带有触摸解接口及l c d 控制器的类型。 2 1 2 监控系统整体设计 操作员与监护员的卡号认证是通过射频卡模块确认的，通过c a n 总线将隔离 武汉理丁大学硕士学位论文 网开关的状态信息，机车类型和机车号，以及工作人员的卡号，发送至通信控 制单元，并接收来至上位机的操作确认消息，隔离网开关的位置状态信息是由 安装在电机上的接近开关获取，并通过i o 口加光耦隔离实现的，信号机以及 驱动隔离开关的电机是通过在i o 口加继电器控制的。引入l c d 模块为监控装 置提供良好的人机界面，监控装置系统的整体框图如图2 一l 所示。 图2 - 1 监控装置系统的整体框图 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 最小系统硬件设计 2 2 1 电源模块设计 电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地 位，在设计系统电源电路之前对$ 3 c 2 4 4 0 的电源引脚进行分析：v d d a l i v e 引 脚给处理器复位模块和端口寄存器提供1 8 v 电压；v d d i 和v d d i a r m 为处理器 内核提供1 8 v 电压；v d d i m p l l 为m p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源： v d d i _ u p l l 为u p l l 提供1 8 v 模拟电源和数字电源；v d d o p 和v d d m o p 分别为处 9 理器端口和处理器存储嚣端口提供3 3 v 电压；v d d j 、_ a d c 为处理器内的a d c 系统 提供3 3 v 电压：v d d r t c 为时钟电路提供l _ 8 v 电压，该电压在系统掉电后仍需 要维持。由此可见，本系统的设计中需要使用33 v 和l8 v 的直流稳压电源。 为简化系统电源电路设计，要求整个系统的输入电压为高质量的5 v 直流稳压电 源。所以选用l m i l l 7 调节3 3 v 与l8 v 电压，【j m l l l 7 为低功耗正向电压调节器， 可以在一些高效率，小封装的低功耗设计中。其输出电压可调节，可以选择1 5 v ， i8 v ，25 v ，3 0 v 3 3 v 以及5 v 的输出电压，一个i o u f 的输出电容可以有效的 保证稳定性口】，图2 2 是本系统设计的电源电路设计。 图22 电源电路图 2 2 2 晶振模块和复位电路设计 目自口所有的微控制器为时序电路，需要个时钟信号才能工作，绝大部分 的微控制器都具有鼎体振荡器，$ 3 c 2 4 4 0 微处理器的主时钟可以由内部时钟源提 供，也可以由外部振荡器提供时钟信号，采用哪种方式通过引脚o m 3 ：2 来进行 选择，在本系统的设计中，采用0 m 3 ：2 一起接地的方式，外部振荡器由2 个 1 5 p f 的微调电容和1 2 m h z 晶振组成。振荡电路的输入是由x t 0 p l l 引脚提供，输 出接到5 3 c 2 4 4 0 微处理器的x t i p l l 引脚，经过$ 3 c 2 4 4 0 片内的p l l 电路倍频后， 最高频率5 3 3 n z 就能从1 5 删z 的晶振频率倍频得到，系统可以以较低的外部时 钟信号获得最高的工作频率，系统所需的r t c 时钟采用相同的方式，如图23 所示。 丛丛堡芏塑芏垃丝塞 c 2 2 2 p 图2 - 3 品振电路 微控制器在上电时的状态并不确定这将造成微控制器不能正常工作，为解 决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑。它负货将微控制器初始化为某 个确定的状态，这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作，复位门栏的选择非 常诹要，一般选择微控制器的i o 供电标准，本系统采用的复位电路如图2 - 4 所示。 2 2 3 存储系统设计 图24 复位电路图 $ 3 c 2 4 4 0 为a r m 9 2 0 t 内核，采用3 2 位地址总线。$ 3 c 2 4 4 0 的内存总共分8 个 容量为1 2 8 m b 的b a n k ( n g c s o n g c s 7 ) ，并且具有i g b 的可用寻址空间 b a n k o b a n k 5 可以与r o m 与s r a m 接口连接，b a n k 6 、b a n k 7 可以与r o m 、s r a m 和 s d r a m 接u 连接。$ 3 c 2 4 4 0 支持两种启动方式：一种足从n a n dh a s h 启动， 匮_ - = k 厂1 b 马 一5 蹦黜筹 f 怒裟嚣船1 。 ”一赢：一：，：；i f 一 脚t o 蛔b 喊r 嗍岫h 一 h t 秫o r 一的u * g t 圳目 m m m r m s p e 删n n i 埔m 口m 图2 - - 6 内存映射图 ；量一 丛丛型! 厶兰塑主堂堕造塞 系统加电或复位后，$ 3 c 2 4 4 0 处理器取第条指令都从地址0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 升 始的，内置的n a n df l a s h 柠制器将访问控制接口，并将引导代码自动加载到内 部的s r a m 卜运行，所以把f l a s hr o m 的首地址映射到这个地址l ，本系统选用 两种主要的非易失f l a s hr 伽，即n o r 和n a n df l a s h 。前者的特点是程序的执 行是在芯片内，并且芯片独立分配地址总线和数据总线，凼此能快速完成地直 接随机读取。在f i a s h 困存内，应用程序可以直接烧写运行，所以在系统r a m l l ，不需要再把代码读入，可以节省大量的时问，提高代码的启动速度，本系 统的n o rf l a s hr o m 选用了容量2 m b 为s s t 3 9 v f l 6 0 1 存储器米存放b o o t l o a d e r 。 而且微处理器$ 3 c 2 4 4 0 的0 m 引脚固定接地通过使用跳线，引脚o m o 就可以 用来选择是使用n o rf l a s h 肩动还是n o rf l a s h 启动图27 为n o rf l a s hr o m 接口电路幽 0 rf l a s h l a f l d r j l d a t 面 1 面目矿 _ _ 1 r 茚商矿 3 5 l o a t 船 一) sl d a 4 0 l d a t ” 4 2 “l d a t a 7 ，0l d a t 柚 一，zl d a t 1 9 j 4i j ) a t a l 0 3 6l o a t a i l j 9 i j ) a t a l 2 4 il d a t a i ， i 1 商日w 1 r 口丽 v d d 3 3 v ，? l 2 8i , b o v i t 5 w r 一f 1 i z r 札。 琶奴 ：争? o 盟i 鼍k 一 0 图2 7n o rf l a s hr o m 接口电路 由于采用同一组总线的地址和数据总线，n a n df l a s h 需要使用i 0 口来分 时串行地传送地址、数据和控制信息。n a n df l a s h 的缺点是不能按字节随机程 序存去，而且在随机读取的速度上要比n o r f l a s h 慢，所以在n a n df l a s h 叶1 存 放的代码必须拷贝到内存中才能执行。$ 3 c 2 4 4 0 的n a n df l a s h 控制器载入n a n d f l a s h 存储器的内部起始地址空间为o x 0 0 0 0 0 0 0 0 的4 k b 字节空间，然后，s r a m 中的引导程序将操作系统镜像加载带s d r n h 中，操作系统就能够在s d r a m 中运 行，启动完毕后，4 k b 的s r a m 就可以用作其他用途，引导代码执行完毕后，系 统将跳转到s d r a m 执行，这就是整个系统的肩动过程。本系统采用三星公司的 6 4 m b 的k 9 f 1 2 0 8 来存放用户程序和8 0 0 t l o a d e r ，接口电路如图2 - 8 所示。 j l t v d 由j 1 。“l ； l l 。；如，l 卜 i s备翰 葬 1 峥 ”1 5 i 垣 l b a e 磬f i 【 狮疆 肺姐 1 ： 叫_ ； j 1 珊b j 。i k 圈2 8n a n df a s h 接口电路 s d r a m 具有容量大、存取速度快、成本低的特点，因而被广泛应用到微机 处理系统中。s d r a m 主要用来存放执行代码和变量，是系统启动之后主要进行 存取操作的存储器。在设计中不需要外加s d r a m 控制器，$ 3 c 2 4 4 0 巾自带的s d r a m 控制器逻辑决定了s d b a m d r a m 必须映射o x 3 0 0 0 _ 0 0 0 0 到o x 3 f f l f f f f 这段地址 空间，它们的片选是n g c s 6 或n g c s 7 ，本文选用两片三星的k 4 s 5 6 1 8 3 2 c t c 7 5 芯 片构建3 2 位的s d r a m 存储器系统。该芯片一些重要引脚的说明如下： n s c s ：片选，禁止或使能除c l k 、c k e 和d q m 外的所有输入信号。 b a o 、b a i ：块地址选择，用于片内4 个b a n k 的选择。o o 选择b a n k o ，o l 选 择b a n k l ，1 0 选择b a n k 2 ，1 l 选择b a n k 3 。 1 2 一 0地址总线。 d q l 5 一d q 0 ： 数据总线，数据输入，输出引脚。 n s r a s ： 行地址锁存。 n s c a s ：列地址锁存。 n e w ：写使能。 将两片芯片的数据总线相连，然后与$ 3 c 2 4 4 0 处理器的d a t a o - - d a t a 3 1 引脚连 接；将两片的地址总线相连，然后与处理器的a d d o - - a d d 2 6 相连。两芯片的块 然丛些1 点兰塑土堂丝堡圣 地址选样引脚同样也连接在处理器的地址线l ，这样就够成了个3 2 化的s d r a m 存储器系统，如图29 所示。 图29s d r a m l 乜路设计 2 3 串口通信及i c 卡模块的设计 2 3 1 串口通信设计 在计算机数据传输系统中叶j 行通信是最常用的通信方式之，串行通信 是指利用一条传输线将资料逐位地顺序传送，特点是通信线路简单，利用简单 的线缆就可以实现通信，降低成本，与并行通信的按字节传输相比，串行通信 适用于远距离通信，但传输速度慢的应用场合。$ 3 c 2 4 4 0 微处理器的u a r t 单元 提供了三个独立的异步串行i o 端口，每个都可咀在中断和d m a 两种模式下进 行，它最高可支持1 1 6 2 0 0b p s ，每个u a r t 通道包含2 个1 6 位的f i f o 分别提供 接受和发送，本文使用其中的一组连接串行接1 3 。每个u a r t 通道都包含两个1 6 位的f i f o 队列用于接收或发送数据并且都可以在中断或d 姒方式下进行。系 丛堡墨! ：厶= i ! = 塑土芏笪丝塞 统要实现堆简单的串行通信，其实只需要r x d 、t x d 和g n d 三个引脚即可，但由 于在微处理器$ 3 c 2 4 4 0 系统中的所定义的l v t t l 的高、低电平信号标准与串口 通信r s 2 3 2 c 定义的高、低电平信号的标准完全不同，在r s 2 3 2 c 标准中电平 信号是采用负逻辑方式，- i - 5 4 - 1 5 v 电平对应的是标准逻辑0 ，一5 - - 一1 5 v 电平信号对应的标准逻辑i ，而在l v t t l 的标准中，电平2 33 v 对应的是 标准中逻辑i ，电平0 04 v 对应的是标准逻辑0 。所以两者之问的信号 通信必须首先经过电平信号的转换，常用的电平转换芯片采用的是m a x 2 3 2 。图 2 - 1 0 所示为$ 3 c 2 4 4 0 所采用的m a x 2 3 2 接口电路。 2 3 2i c 卡模块的设计 图2 一1 0 串口电路 i c 卡叉称为智能 ，一般是指一张瑚定大小的封装了j ； j 于储存和处理数据 的集成电路的塑料卡片而奉系统采用的是非接触i c 卡，其核心是应用最广泛 的m i f a r es t a n d a r d 中的m i f a r e $ 5 0 卡芯片，内部包括8 b 高速c m o s 铲p r o m ，数 字逻辑模块和一个高频率的射频天线模块，卡片无源，工作时使用的电源能量 由卡片读写器天线发送无线电载波信号耦合到卡片上的天线产生，其电压可达 2 v 以上，足以满足卡片上的i c 电路供电需要，m i f a r e 卡的工作频率为1 3 5 6 m h z ， 读写距离为1l o c m ，读写速度可【三i 达到1 0 6 k b i t s 。m i f a r e 卡主要特性：1 分 为1 6 个扇区，每个扇区分为4 块，每块1 6 个字节，以块为存取单位；2 每个扇区 有独立的一组密码及访问控制：3 无电源。自带天线，内含加密控制逻辑和通 信逻辑电容；4 工作温度为一2 0 。c 一5 0 。c ，频率为1 35 6 m h z ，读写距离为l o m 以 内。射频接口通过射频电波取得工作所需能量，并与t x s 0 0 系列m i f a r e 卡读写 模块通信；数字控制单元实现加密、认证与存取控制等功能。是整个i c 的核心： 存储器保存着各种应用数据和相应的密钥，这是在卡片应_ l j 中重点的部分， m i f a r e1 $ 5 0 卡的存储器空f l j 分配如图2 1 l 所示。 m i b 愕1s 5 0 卡軎罩 一| | 簿i 辫竺1 1 曼叠i 一 ： 卜。、譬，“壤1 “臀。 卜。+ 曩篓慧芬妇“嗍! ，镬“棼麓矗f 。r l 翼璺曼曼墼塑鬯塑曼奥翼璺笪1 j 应用。n 禁，考勤 密饵 l 读写扇伍盎目 i 密胡b ：无用 i 应用，- 市公共交置 _ 密帆 ：扣救 i 密蚺8 | 充值 其他用i 多t i3 十 应月z 碡忖费水衰 密铒扣毂 密q b ：充值 图2 1 1m i f a r e1 $ 5 0 卡存储器结构 本系统设计使用扇区0 的门禁，考勤的应用，密钥b 无用，密钥a 读取扇区0 ，块l 的数据，使用写卡器讲数据和密钥a 写入m i f a r e 卡中。 i c 卡应用系统包括三个部分内容：m i f a r 8 卡读写模块，控制器( a r m ) 。 读写模块选用t x 5 0 0 b 的m i f a r e ，通过射频电波为卡片提供工作所需能量，并与 武汉理r 大学硕十学位论文 卡片进行通信，实现密钥验证、读卡、写卡等低级操作，t x s o o b 是一个简单的 串行读写模块，用于与常用的微处理器的u a r t 接口，用户可以通过控制器向 t x 5 0 0 b 模块发送命令来对t x 5 0 0 b 进行读写控制，配置为自动寻卡模式，使用u a r t 接收中断( 接收s t x ) ，在t x 5 0 0 b 模块在寻到卡后，主动向主机发送请求s t x 。 t x s o o b 与a r m 处理器的接口电路如图2 - 1 2 所示。 2 4l c d 显示模块 图2 - 1 2t x 5 0 0 b 与a r m 串口接口图 2 4 1l c d 显示控制 l c d 显示器，即人们常说的液晶显示器，具有耗电省，体积小等优点，被广 泛应用于嵌入式系统中，在l c d 显示器中，显示面板薄膜被分成很多小栅格，每 个小栅格有一个电极控制，通过改变栅格上的电极就能控制格内液晶分子的排 列，从而控制光路的通道，彩色显示通过利用3 种彩色混合的原理显示不同的色 彩：彩色面板中，每个像素都是由3 个液晶单元构成的，其中每个单元格前面都 分别有红色，绿色或蓝色的过滤片；光线经过过滤片的处理变成红色，蓝色， 绿色，利用三原色的原理组合不同的色彩。 l c d 屏显示图像，不但需要l c d 驱动器，还需要相应的l c d 控制器。通常l c d 驱动器会与l c d 玻璃基板做在一起，而l c d 控制器则由外部电路来实现【l 引。 $ 3 c 2 4 4 0 内部已经集成l c d 控制器，可自动把位于系统存储器中的图像数据传送 到外接的l c d 上显示，支持s t n 和t f t 的各种规格l c d 屏，本系统选用n e c2 5 6 k 色 2 4 0 x 3 2 0 3 5 英寸t f t 真彩触摸液晶屏，每像素1 6 位，采用的是5 ：6 ：5