（控制理论与控制工程专业论文）基于“蓝牙”技术的嵌入式终端设备开发及硬件实现.pdf

重庆邮电学院硕士学位论立 摘要 随着无线通信网络的快速发展，蓝牙技术作为一种新型的无线通信技术逐渐 发展和壮大起来，并迅速应用于手机、蓝牙耳机、标识牌等终端设备。目前，蓝 牙技术是一种颇具优势的无线通信技术，逐渐成为嵌入式终端设备的研究热点问 题。 本文就是基于“蓝牙”技术的基础上开发了嵌入式终端设备，综合运用了二 维条码扫描技术、嵌入式操作系统技术和液晶显示技术等关键技术。文中着重研 究了嵌入式终端设备的硬件设计思路并加以实现。从嵌入式产品开发的角度，对 嵌入式终端设备进行了功能需求分析和功能规划设计，提出了嵌入式终端设备的 核心板与接口板相互结合的模块化设计思想，基于此思想设计与制作了嵌入式终 端设备的目标板。此外，还研究了蓝牙技术的实现原理，在嵌入式终端设各实现 了蓝牙h c i 层数据通信。 除此之外，提出了基于e p a 的蓝牙接入装置的设计思路，开发了基于e p a 的蓝牙接入装置，此装置很好解决了蓝牙无线通信与有线数据通信之间的切换。 关键词：嵌入式终端设备，微处理器，蓝牙技术，嵌入式，l i n u x 操作系统 蔓垦坚皇兰堕堕圭兰些堡兰 一一 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 fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , b l u e t o o t h t e c h n o l o g y ，a s an e w - s t y l ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , i si n c r e a s i n g l y d e v e l o p e da n dq u i c k l ya p p l i e di nm o b i l et e l e p h o n e ，b l u e t o o t he a r p h o n e ，b l u et a ge t c t e r m i n a ld e v i c e a tp r e s e n tb l u e t o o t ht e c h n o l o g yi sak i n do fd o m i n a n tw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n db e c o m e saf o c u sp r o b l e ma p p l i e di ne m b e d d e d t e r m i n a ld e v i c e t h et h e s i sd e v e l o p se m b e d d e dt e r m i n a ld e v i c eb a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y a t t h es a m et i m eb i d i m e n s i o n a lb a rc o d et e c h n o l o g y , l c dd i s p l a yt e c h n o l o g y , e m b e d d e do p e r m i o ns y s t e me t ck e yt e c h n o l o g i e sa r ea p p l i e di nt h et e r m i n a ld e v i c e w ee s p e c i a l l yr e s e a r c ht h ed e s i g nt h i n k i n go fe m b e d d e dt e r m i n a ld e v i c ea n dr e a l i z ei t f r o mt h e a n g l eo fe m b e d d e dp r o d u c td e v e l o p m e n t ，w e ，a c c o r d i n g t of u n c t i o n r e q u i r e m e n ta n a l y s i sa n df u n c t i o n a ll a y o u to fe m b e d d e dt e r m i n a ld e v i c e ，p u tf o r w a r d t h em o d u l ed e s i g nt h i n k i n go ft h ec o m b i n a t i o no fc o t eb r o a da n dp o r tb r o a do f e m b e d d e dt e r m i n a ld e v i c e t h et a r g e tb r o a do fe m b e d d e dt e r m i n a ld e v i c ei sd e s i g n e d a n df i n i s h e db a s e do nt h ed e s i g nt l l i n k i n g b e s i d e sw er e s e a r c ht h er e a l i z a t i o n p r i n c i p l eo fb l u e t o o t ht e c h n o l o g ya n dr e a l i z eb l u e t o o t hh c id a t ac o m m u n i c a t i o ni n e m b e d d e dt e r m i n a ld c v i c e ， b e s i d e s ，w ep u tf o r w a r dt h ed e s i g np r o j e c to fb l u e t o o t ha c c e s sd e v i c eb a s e do n e p aa n dd e v e l o pi t t h i sd e v i c es o z v e st h ed a t as w i t c hb e t w e e nb t u e t o o t hw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dw i r ed a t ac o m m u n i c a t i o n k e yw o r d ：e m b e d d e dt e r m i n a ld e v i c e ，m i c r o p r o c e s s o r , b l u e t o o t ht e c h n o l o g y , e m b e d d e d ，l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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 为获得重废查e 电堂陵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 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 前治争 签字日期：多泖伊年r 月i9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庞查陵堂随有关保留、使 用学位论文的规定，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。本人授权 重庞虹电堂瞳一 可以：舟学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 柏p 豸 j 导师签名：多 签字吼炉y 年如9 日 签字吼砂4 年j 月矽曰 重庆邮电学院硕士学位论文 1 1 嵌入武系统概述 第一章绪论 嵌入式系统是先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体 应用相结合的产物，因此嵌入式系统是一个技术密集、资金密集、高度分散、不 断创新的知识集成系统。而嵌入式系统的工业基础是以应用为中心的芯片设计和 面向应用的软件产品开发，所以嵌入式系统可以准确的定义为：以应用为中心、 以计算机技术为基础、软硬件可以裁剪、符合应用系统对功能、可靠性、体积、 成本、功耗严格要求的计算机系统。 1 1 。1 嵌入式系统发展现状及前景1 2 m 随着信息化、网络化、智能化的发展，嵌入式系统获得了广阔的发展空间， 特别是现在的v l s i ( 超大规模集成电路) 技术的运用给嵌入式系统的开发提供 了更大发展潜力。目前，嵌入式系统已经广泛应用于信息家电、移动通信、手持 终端设备以及工业控制等领域，如图卜1 所示，同时国外著名的处理器生产厂商 ( - o t o r o l a 、i n t e l 、a m d 、日立、n s c 、e p s o n 等) 纷纷推出了各自的嵌入式微 处理器，其中最具有代表性的是m o t o r o l a 公司的p o w e r p c 系列、i n t e l 公司的 s t r o n ga r m 系列、a m d 公司的x 8 6 系列和e p s o n 公司的s i c 3 3 系列等，这些嵌入 式微处理器各自具有不同特点，大都是性能优越，系统集成度高，扩展能力强， 可以应用于广泛的嵌入式系统中。 图1 1 嵌入式系统应用领域 重厌邮电学院硕士学位论文 针对嵌入式系统的广泛应用，未来的嵌入式系统发展趋势将向软硬系统集 成、s o c 设计、应用程序开发以及内容服务等几个方面发展。 i 嵌入式操作系统( r t o s ) 同p c 操作系统相比，嵌入式操作系统不能要求所有的功能，但能够依据系 统设计规格，有效地发挥硬 牛的运算能力，使得嵌入式产品达到效率价格比的 最优化。现在新兴的嵌入式操作系统主要有：p a l mo s 、w i n d o w sc e 、l i n u x 等 等，这些嵌入式操作系统各自具有不同优缺点，在不同的领域得到了广泛的应用。 2 集成式芯片：s o c 设计 现在集成技术可以将数百万以上的晶体管电路集成在同一芯片上，包含 c p u 、m e m o r y 、d s p 、f l a s h 等，甚至可以集成操作系统，形成一个单一的完整系 统，简称为“片上系统”( s o c ) 。同p c 机所用处理器相比，嵌入式产品所需处理 器及芯片组要求体积小、散热好、省电，因此未来的嵌入式系统多采用高集成度 的s o c 为其处理器核心。 3 应用程序 嵌入式软件可区分为用户端应用软件及服务端集成软件，服务器端的软件以 l i 眦x 或w i n d o w s 为核心，并搭配各种数据库系统。由于嵌入式产品种类繁多， 用户端可以根据用户的需要进行定制开发，所以这也是嵌入式系统以后发展的趋 势。 4 内容服务 由于嵌入式产品必须能够方面携带，所以在设计时必须满足体积的轻巧化， 造型及颜色的个性化，输入的自然化，输出的多媒体化等要求。另外由于嵌入式 产品常与网络联系在一起，所以把网络服务提供商或电子商务开发者提供的特性 化服务与嵌入式终端设备相结合，将为嵌入式系统描绘更美好的发展前景。 综上所述，嵌入式系统技术仍然具有广阔的发展前景，即使在当今软件与操 作系统激烈竞争的时代，从市场方面来看，这种技术在未来十年仍存在巨大的发 展潜力。 1 1 2 嵌入式系统的特点 前面概述了嵌入式系统是以应用为中心、软件与硬件相结合的特殊计算机系 统，同通用型计算机系统相比，嵌入式系统具有以下一些特点： 1 及时响应：按照嵌入式系统的定义它是某种技术过程的核心处理环节必 须满足技术过程的时限要求，所以具有实时处理的特性。 2 并发处理：在实际环境中，嵌入式实时系统处理的外部事件往往不是单一的， 这些事件往往是随机发生的，也可能同时出现，因此，嵌入式系统处理具有 分布和并发的特点。 重庆邮电学院硕士学位论文 3 专用紧凑：由于嵌入式设备的用途固定、成本敏感和其软硬件够用即可，因 此它在体积、功耗和配置等方面有明显的约束。 4 键壮可靠：嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定， 往往都是比较恶劣的环境，其健壮性和可靠性是此类系统的必备条件。 5 多样性：嵌入式系统应用广泛，品种繁多，形式多样。 6 技术密集：嵌入式系统是计算机技术、微电子技术和电子技术与其它应用行 业相结合的产物，因此，它必然是一个技术密集、不断创新的知识集成系统。 1 2 课题研究目的及意义 目前无论是我国邮政还是物品投递公司，其物品投递确认信息系统都是以纸 质介质的形式进行存储的，其信息采集和使用都很不方便。随着现代社会的日益 进步、电子商务的迅速发展、信息技术的日新月异，原有的这种操作方式已远远 不能适应信息社会的需要。鉴于我国物流配送和电子商务发展的需要，我们开发 了基于蓝牙通信的数字签名与物流信息采集掌上终端( 下称“掌上终端”) 此“掌 上终端”主要是以“蓝牙”技术为亮点，实现邮件投递过程中的无线数据通信和 无纸化操作方式，促进邮政物品投递业务和物流业的信息化发展。但是在前期课 题研究中，“蓝牙”技术仅仅实现了h c i 层的数据通信，这远远不能充分体现出 蓝牙无线通信技术强大的网络功能，同时在项目开发初期，“蓝牙”技术的一些 深层次的问题也逐渐暴露出来，例如：蓝牙网络的多点通信问题、安全性问题、 稳定性问题等等，因此，我们有必要对前期课题进行二次开发。通过二次开发， 我们重新研究了嵌入式终端设备的设计思路，以产品化的角度来规划嵌入式终端 设备的二次开发。总的来说，基于“掌上终端”的基础上，进一步开发嵌入式终 端设备可以带来以下优点： 增加蓝牙通信网络的功能 能嵌入l i n u x 操作系统 终端设备具有更人性化的操作界面 根据特定环境定制相应的应用程序 能扩大终端设备的应用环境以及拓宽市场潜力 基于以上的居多优点，对掌上终端进行二次开发具有很深远的意义。 1 3 研究的主要内容 一方面，“蓝牙”技术具有丰富的协议栈，可以组建蓝牙无线网络；另一方 面，为了增加人性化的操作界面，嵌入式终端设备必须提供更强的图形和数据处 理能力，而蔚期5 i 系列微处理器开发的终端设备很飕满足这样的要求。因此本 重庆邮电学院硕士学位论文 文基于前期项目开发的基础上，继续深入研究嵌入式系统的开发过程，提出了以 蓝牙网络为中心、以l i n u x 操作系统为平台，开发具有较强实用性的嵌入式终端 设备，本文着重讨论了嵌入式终端设备的开发及硬件实现，具体而言，主要研究 了以下内容： 论证和分析了嵌入式系统开发的设计思想 详细论述了嵌入式终端设备的硬件实现 分析了嵌入式终端设备所应用的关键技术 简要分析了嵌入式终端设备的软件系统构架 详细讨论了基于蓝牙的嵌入式网络装置 1 4 本章小节 本章首先从嵌入式系统的定义着手分析了嵌入式系统的巨大发展潜力及未 来的主要发展方向，随后说明了嵌入式系统同通用的p c 操作系统相比所表现出 来的独特之处，接着介绍了本课题所研究的背景及意义之所在，最后阐明了本论 文所要讨论与研究的内容。 重庆邮电学院坝士学位论文 第二章嵌入式终端设备的总体设计及关键技术 针对邮政信息化产业的发展，我们开发了应用于邮政物品投递确认系统的嵌 入式终端设备，该嵌入式终端设备融合了“蓝牙”技术、微处理器技术、带触摸 的液晶显示技术、二维条码技术等多种技术，针对这些关键技术的应用，嵌入式 终端设备必须具有“蓝牙”无线通信功能、条码扫描功能、液晶显示功能等相关 接口功能，同时还要拥有能与嵌入式l i n u x 操作系统相互兼容的微处理器及与之 匹配的其它硬件属性。 2 1 功能需求分析 从功能上可以将嵌入式终端设备划分为三部分：接口部分，控制核心部分和 电源模块部分。接口部分主要分析了终端设备与外围环境数据交换的各种方式： 控制核心部分主要负责l i n u x 操作系统的正常运行、读写f l a s h 存储器和s d r a m 存储器、实现特定接口功能及执行相关控制信息；电源模块部分主要完成熬个硬 件系统的供电功能，包括蓝牙接口、扫描接口和液晶显示接口的供电。 1 控制核心部分 在前期项目开发的过程中，嵌入式终端设备已经实现了蓝牙h c i 层数据通 信、扫描接口以及带触摸的液晶显示接口等方面的功能，但在网络功能方面还有 待改进和扩充。这些已实现的功能远远不能满足以后开发的需求，且应用在此终 端设备上的“蓝牙”技术并没有充分发挥其应有的优势。由蓝牙协议可知，“蓝 牙”技术具有很丰富的协议栈，规范了许多蓝牙服务，基于这些服务可以开发出 丰富的网络功能。所以在前期开发基础上进行二次开发，应着重于增加嵌入式终 端设备的网络功能、提供更人性化的操作界面、开发更多的蓝牙服务等功能。而 通用的单片机( 如5 1 系列或w 7 7 e 5 8 ) 不能满足这些功能需求的开发，因此我们 选用了高档微处理器作为嵌入式终端设备的控制中心。此外，还需要外扩f t a s h 和s o r a m 存储器，这样就构成了嵌入式终端设备的控制核心部分。f t a s h 存储器 主要存储操作系统以及相关的应用程序；s d r a m 主要存储操作系统运行时需要保 存的相关中间信息及中间处理数据。针对嵌入式终端设备的功能需求，对控制核 心部分的主要部件选型作如下分析： ( 1 ) 嵌入式微处理器 目前，世界上具有嵌入式功能的处理器有1 0 0 0 多种，3 0 个系列。不同的处 理器有其不同的功能和优势，但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系统应用的 特殊要求，现在市场上嵌入式处理器的主流类型有p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 、 重庆邮电学院硕士学位论文 a r m s t r o n ga r m 等系列。针对本次开发的具体需求，必须考虑以下几个方面： 具有多种串行接口( 至少3 个) 能与l i n u x 操作系统相互兼容 具有较高的总线运行速度 应该拥有很灵活的存储控制机制 工作电压要求较小 综合考虑了嵌入式终端设备的应用领域、功耗要求、应用成本及开发的难易程度 等因素，我们选用了i n t e l 公司推出的3 2 位高性能嵌入式处理器s t r o n ga r m s a n 1 0 ，该处理器以a r ms a 1 为内核，包含了1 6 k b 指令快存、8 k b 写回方式 数据快存、一个5 1 2 字节的微型数据快存、个写缓冲器、一个读缓冲器和一个 存储管理单元( 删c ) ，最高的工作频率可以达到2 0 6 姗z 。s a 一1 l l o 微处理器的 整个设计理念是以高性能、低功耗为中心而设计的。 ( 2 ) 存储器 针对嵌入式终端设备面言，主要考虑了两种存储器：f l a s h 存储嚣和静态数 据存储器s d r a m 。在选择f l a s h 存储器时，主要考虑两个方顽的因素：其一考虑 同微处理器的兼容性：其二考虑f l a s h 存储器的读写速度。兼容性主要考虑了微 处理器所支持的数据格式及存储容量；考虑读写速度主要是选择f l a s h 存储器的 读写速度不能低于微处理器的内部总线的工作速度。在分析了操作系统及应用程 序大小，综合考虑以上的需求，我们选用了一款容量为3 2 m b y t e 、性能稳定及使 用方便的f l a s h 存储器，型号为：e 2 8 f 6 4 0 j 3 a 1 2 0 。在选择s d r a m 时，从两个方 面的因素考虑：一是存储容量；其二是读写速度。选择存储容量的大小时，主要 估算操作系统运行时需要多少缓存空间和运行应用程序时需要多少空间来存储 中间结果，当然还必须充分考虑到存储裕量及扩展性；读写速度主要考虑与嵌入 式处理器的运行速度基本一致。综合考虑以上因素，选用了一款容量为3 2 m b y t e 、 性能可靠及通用的s d r a m 存储器，型号戈：k 4 s 5 6 1 6 3 2 d 。 2 接口部分 接口部分提供了两种类型的接口：通信接口和调试接口。通信接口包括蓝牙 接口、扫描接1 ：2 和液晶显示接口；调试接口包括j t a g 口和串行下载接口。蓝牙 接口主要实现嵌入式终端设备与数据处理中心之间的无线数据通信；扫描接口就 是完成二维条码的识读功能；液晶显示接口就是提供人机接口界面，实现数字签 名的功能：j t a g 接口主要用于d o w n l o a d 引导代码到系统的f l a s h 中：而串行下 载接口用于d o w n l o a d 操作系统、应用程序和系统级的调试。在具体实现接口功 能时，对通信接口的选择主要考虑如下因素： ( 1 ) 蓝牙接口 目前，市场上有多种蓝牙模块，其中主要以爱立信( e r i c s s o n ) 、诺基亚 重庆邮电学院硕士学位论文 ( n o k i a ) 、东芝( t o s h i b a ) 、国际商用机器公司( i b m ) 、因特尔( i n m l ) 和c s r 公司开发的蓝牙芯片为主，这些蓝牙芯片都具有以下特点： 完全符合蓝牙协议1 。1 规范 可以运行在低功耗运行模式 集成了1 8 v 电源监控器 具有双u a r t 接口以及其他通用接口 基于终端设备对蓝牙接口的要求，蓝牙芯片必须满足蓝矛1 1 协议规范、体积小、 功耗低及价格适中等等居多要求，综合考虑了这些因素，我们选用了c s r 公司 开发的以b l u e c o r e 0 2 为内核的蓝牙芯片，型号：b c m 0 5 。 ( 2 ) 扫描接口 扫描接口主要实现= 维条码的识读功能。同一维条码相比，二维条码具有存 储信息容量大、编码范围广、容错能力强、译码可靠性高、保密防伪性好、成本 低等优点，而邮政物品投递信息系统需要保存的信息量大，所以采用二维条码的 方式保存物品投递的相关信息。基于这样的基础上，我们开发了嵌入式终端设备 来采集二维条码的信息，然后处理二维条码的数据信息。作为终端设备的扫描接 口，应该要求扫描电机具有体积小、重量轻、价格适中及使用方便等特点，综合 考虑了这些因素，我们选择了s y m b o l 公司生产的款扫描电机，型号：s e 9 2 3 h s ， 此扫描电机满足以上所提到的绝大部分要求。 ( 3 ) 带触摸的液晶显示接口 通常来说，终端设备的人机接口界面通过带触摸的液晶显示来表现的，带触 摸的液晶显示屏主要完成功能菜单的显示以及实现数字签名的功能。因此选择液 晶显示屏时要考虑以下因素： 要求点阵精度较高 具有文本和图形两种显示方式 重量轻、安装方便 要求功耗低、供电方式方便 综合考虑了终端设备的要求及显示需求，我们选用了深圳欣瑞达公司代理的液晶 显示屏，型号：a t 3 2 0 2 4 0 q 2 。此款显示屏能较好的显示文本及简单的图形信息， 同时具有较好的触摸特性，在文后设计具体电路时详细介绍了液晶显示屏的特 性。 3 电源模块部分 相对于整个硬件系统来说，电源电路部分具有举足轻重的作用，它担负起整 个硬件系统的供电任务。高质量的、高可靠的电源模块将是整个硬件系统可靠运 行的首要保证，因此在设计电源部分电路时，主要考虑电源稳定性、可靠性及功 率强度等方面的因素。稳定性和可靠性主要表现在输出电压稳定且受负载影响较 重庆邮电学院硕士学位论文 小：而功率强度将保证硬件系统的持续工作时间，同时也是能否驱动负载的首要 条件。就嵌入式终端设备而言，各自消耗电流情况如下表所示： 输入电压输入电流( m a ) 名称 ( v ) 工作模式保持模式低功耗模式备注 扫描接口 51 7 01 0 00 5 液晶显 3 38 0 带背光 示接口 52 0 不带背光 蓝牙接口3 32 0 0 s a 1 1 1 03 35 01 5 0 0 4 核心电压1 5 伏 集 f l a s h ( 2 片)334 00 0 5o 0 5 处于读方式 成 芯 s d r a m3 3 15 05 1 个b a n k 激活 片 m a x i m 3 2 4 451 2 0 0 0 5连续工作时 b q 2 0 5 0 h50 1 2 表2 一l 终端设备电流消耗表( 主要部件) 从表2 1 可以看出，蓝牙接口和扫描接口的消耗电量最大，而带触摸的液晶显 示接口、s d r a m 和m a x i m 3 2 4 4 也消耗比较大的电流。在选择d c d c 转换芯片时 主要考虑整个系统最大消耗的电流量，基于此基础上对电流量乘以适当的裕量参 数。由表2 1 可计算嵌入式终端设备的最大电流消耗量，即就是累加主要部件 的电流消耗量：1 7 0 + 1 0 0 + 2 0 0 + 5 0 + 4 0 2 + 1 5 0 + 1 2 0 + 0 ，1 2 = 8 7 0 1 2 ( m a l ：最 小消耗的电流量，即累加嵌入式终端设备核心部件的运行时消耗的电流量：1 0 0 + 5 0 + 4 0 2 + 1 5 0 = 3 8 0 ( m a ) 。针对不同的情况，裕量参数具有不同的标准值， 通常来说，裕量参数= 最大消耗电流量最小消耗电流量，则裕量参数= 8 7 0 1 2 3 8 0 = 2 2 8 。由此可计算出嵌入式终端设备所要消耗的电流量为：8 7 0 1 2 2 2 8 = 1 9 8 3 8 7 ( m a ) 。综合以上需求，我们选择了5 v 和3 3 v 的d c d c 转换芯 片的输出电流各为1 0 0 0 ( m a ) ，其型号分别为：t p s 6 1 0 3 0 和t p s 6 1 0 3 l 。 2 2 功能规划设计 从嵌入式终端设备的功能需求可知，我们对嵌入式终端设备进行了模块化设 计，把整个系统划分为核心扳和接日板。核心板就是由以s t r o n ga r ms a 一111 0 为控制中心、配置了f l a s h 和s d i a m 存储器及其它相关电路组成；而接口板主要 是由蓝牙接1 3 、扫描接口、液晶显示接口及串行调试接口等接口电路和电源模块 电路组成。 重庆邮电学院硕士学位论文 2 2 i 核心板结构设计 核心板作为嵌入式终端设备的控制核心部分，主要以s t r o n ga r ms a j 11 0 嵌入式处理器为控制中心，配置了2 片1 6 位f l a s h 存储器和1 片1 6 位同步动态 数据存储器( s d r a m ) ，同时还包括了其它一些辅助的电路。其主要功能：运行 l i n u x 操作系统启动驱动程序执行相关的接口功能，实现二维条码识读和蓝牙 无线通信，同时驱动液晶显示接口完成二维条码信息的显示以及数字签名功能。 整个核心板结构框图如下所示 j 晒曦口b 堡垒。 1 6 m b y t e1 6 ) b y t e f l a s h 存储器f l a s h 存储器 e 垫1 、，。 u a r t 串行接口l i 丛卫l 广 广 ，1r 地址数据总线 e 婴i - ff u a r t 串行接口l i 工堑上 s t r o n g a r m q jl 。 s a 一1 i i 0 微 ， 处理器 i 蹦qo 3 2 m b y t es d r a m 红外接口b 堕 数据存储器 一 复位电路 一 液晶 1 主时钟 显示8 位并行接口 接口n _ 实时时钟 圈2 1 核心扳系统结构图 图2 一l 所示的就是整个核心板的系统结构图。整个系统扩展了3 2 m b y t e f l a s h 存储器和3 2 l f 8 y t es d r 蛐数据存储器。前者是用来存储所有的指令代码和 参变量；后者主要是用来存放数据和运行应用程序；同时系统也扩展了u s b 接口， 用来与u s b 接口的外设进行通信：扩展两个u a r t 串行口分别连接至蓝牙接口和 扫描接口，通过串行口实现蓝牙无线通信和条码扫描功能；扩展液晶显示接口， 显示条码信息及完成数字签名功能；另外还有复位电路( r e s e t ) 、主时钟和实时 时钟( c l o c k ) 模块等。 核一t l , 板包括了嵌入式终端设备的关键部件，如s a 一1 1 1 0 微处理器、f l a s h 和 s d i a m 等等，而s a l11 0 嵌入式处理器是2 5 6 引脚的8 g a 封装，内韶总线工作频 率是1 3 3 m h z ，同时s d r a m 的总线速度达到1 3 3 m h z ，f l a s h 存储器的总线速度也 达到1 2 0 m h z ，因此要求印制电路板按照高速p c b 设计规则来设计。针对s a 一1 l1 0 微处理器的1 7 r a m 1 7 r a m 方型尺寸，且为b g a 封装，此印制板必须采用多层板设 汁技术来设计。 重厌郏电学院硕e 学位论文 2 2 2 接口板结构设计 接口板主要由电源模块、蓝牙接口、扫描接口、液晶显示接口及r s 2 3 2 电乎 转换模块组成，如图2 2 所示。 u a r t 串口38 位并行口 u a r t 串口1 圈2 - 2 接口板结构图 从图2 2 可以看出，蓝牙接1 3 连接至s a - 1 1 1 0 微处理器的串行口l ，通过 串行口l 完成蓝牙初始化及蓝牙无线数据通信功能；扫描接口连接至s a i l l o 微处理器的串行口3 ，通过串行口3 实现二维条码的识读功能：r s 2 3 2 调试接口 通过电平转换模块连接至串行口2 ，利用串行口2 来下载操作系统、应用程序和 系统级的调试；最后液晶显示模块连接至s a - 1 l l o 微处理器的并行接口，通过并 行接口来显示二维条码信息和执行数字签名的工作。 接口板主要包括电源部分和接1 3 部分，接口部分基本上都是接插件，而电源 部分采用模块化设计，且从制板成本上考虑接口板印制电路板采用两层p c b 设计及通用的p c b 设计技术来设计。 2 3 嵌入式终端设备的关键技术 2 3 1 嵌入式操作系统技术2 i 嵌入式操作系统就是以提供“微内核”( m i c r ok e r n e l ) 为主，配置相关的窗口 系统界面及通信模块和开发相关的应用程序来实现特殊的功能。相对通用操作系 统来泷，嶷入式摄传系统主要功能如下图所示： 0 重庆邮电学院硕卜学能论文 幽2 - - 3 陂入式操作系统功能示意刨 从图2 3 可知，嵌入式操作系统的主要功能由内存管理、多任务管理和周 边设备管理三个部分组成，分别介绍如下： i ，内存管理 内存管理主要是所谓的动态内存管理的功能。当程序的某一部分需要使用到 内存的对候，可以利用操作系统中所提供的分配函数( m e m o f ya l l o c a t i o n ) 柬处 理， 一旦使用完毕之后，可以通过释放函数( m e m o r yf r e e ) 来释放所占用的内 存，这样内存就可以重复使用，从丽达到动态分配内存的目的。 2 多任务管理 多任务处理主要就是提供设计人员多个同时存在的线程( t h r e a d ) 或是进程 ( p r o c e s s ) ，通过操作系统本身的调度机制( s c h e d u l i n g ) 的辅助来简化程序设计。 现在嵌入式c p u 提供了多组寄存器来辅助执行模式的切换，而操作系统土要是 提供调度机制来控制这些执行程序的起始、执行、暂停和结束。 3 周边资源管理 一个嵌入式系统除了系统本身的中央处理器、内存之外，还提供了许多不同 的周边设备，例如按键、显示面板、通信接e l 或外接控制器等等，因此操作系统 必须安排这些资源以满足每一个应用程序的需求，弼时要求编写驱动程序的程序 员提供一个固定格式的周边资源驱动程序界面，以便资源管理。 2 3 2 高速电路设计技术8 i 高速电路就是数字逻辑电路的频率达到或超过4 5 - - 5 0 m h z ，而且整个系统工 作在这个频率之上的电路已经占到整个电子系统一定的分量。在发计高速电路 时，需要考虑传输线效应和信号完整性两个方面的问题。 1 传输线效应 实际的传输线就是由一些离教电容与离教电感、电阻和电导所组成等效电路 结丰勾。对于高频电路来说传输线会对整个电路设计带来多方面的影l 晌。例如： 反对信号、延时釉时序错误、多次跨越逻辑电平门限错误、过冲与下冲、牟扰， 重庆邮电学院硕士学位论文 电磁辐射等等。为了避免产生传输线效应我们在具体设计对必须注意以下几个 方面： ( 1 ) 严格控制关键网络的走线长度 f 2 ) 合理规划走线的拓扑结构 ( 3 ) 采取相应措臆抑止电磁干扰 2 信号完整性 信号完整性是指信号在电路中以正确的时序和电压做出响应的能力。从广义 上讲，信号完整性问题主要表现为：延时、反射、串扰、同步切换噪声( s s n ) 和电磁兼容性( e m i ) 。在具体设计高速电路板时，需要综合考虑这些因素，这 样就形成了一种基于信号完整性分析的设计方法，其具体步骤如下： ( 1 ) 首先建立高速数字信号传输的信号完整性( s i ) 模型 ( 2 ) 根据s i 模型仿真结果选择合适的元器件类型、参数和电路拓扑结构 ( 3 ) 在电路设计完成后，各高速数字信号应该都具有一个连续的、可实现的 解空间 ( 4 ) 将解空间的边界值作为版图设计的约束条件 ( 5 ) 最后将部分完成或全部完成的设计送回s i 模型进行设计后的信号完整性 分析 2 3 3 多层印制板设计技术口 所谓多层电路板就是把两层以上的薄双面电路板牢固地胶合在一起，成为一 块组件。多层电路板可以改善p c b 板的信号特征，例如：电源层和地线层深埋 在主板的内层，这样不受电源杂波的干扰，尤其高频电路可以获得较好的抗干扰 能力等等，也可以改善电路板的体积，提高产品设计的质量。多层电路板设计流 程如下图： 图2 4 多层电路扳的、瑷计流程 墨塞塑皇兰堕堡主兰堡望塞 对于高频电路来说，设计合适的电路扳层叠配置和选择合适的p c b 叠加层 次可以减少布线的很多麻烦，因此我们需要对电源、地的层数及信号层数进行仔 细规划。通常情况下，扳层的排列遵循以下原则： 元件面下面( 第二层) 为地平面，提供器件屏蔽层及为顶层布线提供参 考平面 所有的信号层尽可能与低平面相邻 尽量避免两信号层直接相邻 主电源尽可能与其对应地相邻 兼顾层间对称 而具体在规划多层印制板设计时，需要根据具体情况对p c b 多层印制板进行合 理规划。 2 3 。4 蓝牙技术1 0 “蓝牙”技术是一种短距离的无线通信技术，同时具有丰富的蓝牙协议栈， 可以组建独立的蓝牙局部网络，也可以同8 0 2 1 1 或有线网络共存。在制定蓝牙 规范之初特别定义了“蓝牙”的各层通信协议，整个蓝牙协议栈按其逻辑功能划 分为三部分：传输协议、中介协议和应用协议。传输协议负责蓝牙设备之间相互 确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备之间的物理和逻辑链路，包括了链路 管理器协议( l m p ) 、逻辑链路控制与适配协议( l 2 c a p ) 和主机控制接口( h c i ) ； 中介协议主要为高层协议提供逻辑链路上的应用平台，主要包括了串口仿真协议 ( r f c o m m ) 、服务发现协议( s d p ) 、i r d a 互操作协议、网络访问协议 ( p p m w t c p ) 和电话控制协议( t c s ) ：应用协议就是那些位于蓝牙协 义栈之 上的应用软件和其中所涉及的协议。因此蓝牙整个挤议栈构成了丰富的网络功 能，同时也具有许多特点与优势：采用全球通用的i s m 频段：可以同时进行语 音和数据通信：可以建立f | 蠡时性的对等连接；具有很好的抗干扰能力：体积小功 耗低。 2 4 开发工具介绍 1 软件开发工具 在开发嵌入式终端设备过程中，我们选用了北京赛德菱( s e e d i n g ) 信息技 术有限公司研制的s a 1 1 1 0 开发板作为硬件设计参考和软件开发工具。此开发板 提供了软件调试和硬件参考两个方面的内容开发板扩展了s a 一1 1 1 0 微处理器的 所有接口，我们可以通过开发板做大量的调试与检测工作，具体如下： 调试b l o b 引导程序，然后根据目标板修改br o b 引导程序 重庆邮电学院硕士学位论文 调试和裁剪l n u x 内核，然后编译和修改 调试相关驱动程序，例如蓝牙接口驱动、扫描接口驱动、液晶显示接口 驱动 提供了基于a r mc o r ec p u 交叉编译器 2 硬件开发工具”1 在p r o t e l 9 9s e 环境下，我们绘制了整个硬件系统的原理图，即终端设备的 且标板，并且制作了目标板的印制电路板。p r o t e l 9 9s e 是一种全新、通用的制 作电路原理图工具，它是基于w i n d o w s9 5 n t 环境下的新一代电路原理图辅助设 计与绘制软件，其功能模块包括电路原理图设计、印制电路板设计、无网络布线 器、可编程逻辑器件设计、电路图模拟仿真等，是体化的电路设计与开发环 境。同时还具有以下特点： 全新的文件管理方式 支持网络设计 添加了自动布局和信号完整性规则设计 提供了p c b 自动布线规则的复合选项，方便了布线规则设计 增强了自动布局功能 从原理图到印制电路板的更新功能，加强了s c h 和p c b 之间的联系 改进了电路仿真功能 2 5 本章小节 本章首先从嵌入式终端设备的功能需求着手。具体规划和设计了嵌入式终端 设备的功能模型结构图，基于这些基础上对整个硬件系统进行了选型分析。然后 阐述了嵌入式终端设备所涉及到的关键技术，介绍了这些关键技术的相关特性及 其优势。最后，从软件和硬件开发角度上说n t 各自开发所需要的软件工具和硬 件平台。 萋庆邮电学院硕士学位论文 第三章嵌入式终端设备的硬件实现 3 1 核心板电路实现 3 1 1 微处理器电路设计 1 s t r o n ga r m 处理器简介i 铷 s t r o n ga r m 处理器就是在a r m 系列处理器基础上扩展了硬件和软件两方面 的功能。s a l l l o 微处理器是i n t e l 公司生产的一种基于s t r o n ga r m 环境的微 处理器，主要针对网络通信功能而设计的其内部结构包括处理器内核、存储器 和p c m c i a 控制模块、钋围控制模块和系统控制模块，如图3 一l 所示。 图3 - is t r o n ga r ms a - 1 1 1 0 微处理器的架构图 从图3 一l 可以看出，s a i i i 0 微处理器是以s a l 为处理器的内核，它采用 了a r mv 4 结构。软件与a r mv 4 架构相互兼容，增加了可至1 6 k b 的指令缓存 ( 卜c a c h e ) ，可至8 k b 的数据缓存( d - c a c h e ) 及相应的存储器管理单元 i 一蹴u d m m u ，同时，还带有j t a g 测试接口。作为赢性能的微处理器，具有以下 特性： 重庆邮电学院硕士学位论文 ( 1 ) 频率可以达到2 0 6 涮z ：通过内核电压来选择最高工作频率，当内核电 压是1 5 v 时。最高工作频率是1 3 3 m h z ；当内核电压是1 7 5 v 时，最高工作频率 是2 0 6 m h z 。 ( 2 ) 具有3 种电源管理模式：正常模式、空闲( 省电) 方式和睡眠( 省电) 方式 ( 3 ) 主时钟和实时时钟相结合的方式：主时钟通过扩频后供给c p u 和各个 i o 控制器，同时分频后可以作为串行口波特率发生器：实时时钟用于实时控制 和电源管理模块。 ( 4 ) 拥有6 根片选信号：支持各种静态存储嚣，对应着6 个独立的扩展段接 口，每个扩展段有2 5 6 m b ，且处于可编程等待状态 ( 5 ) 拥有2 8 个通用的i o 接口：既可以多路复用，又可以实现特殊的功能 ( 6 ) 能完全兼容w i n c e ，l l n u x 嵌入式操作系统 ( 7 ) 5 通道d 姒控制器：可以支持各种i o 功能服务 ( 8 ) 包含多种串行通信接口：最高可以支持2 3 0 k b p s 的u a r t 串行接口通信 以及1 1 5 k b p s 和4 m b p si r d a 规程的串行控制器 ( 9 ) 包含4 个通用可产生中断的定时器：可以用作通用系统定对器和 w a t c h d o g 定时器 ( 1 0 ) 个电源控制器：可以控制处理器进入或退出睡眠和空闲方式 ( 1 1 ) 支持完全的j t a g 接口边界扫描测试标准 ( 1 2 ) 支持两个p c m c i a 插座 ( 1 3 ) 支持f l a s h 存储器的页读写方式以及1 6 位数据总线访问( 除s m r o m 外) ( t 4 ) 嵌入l c d 控制器：支持被动和主动两种方式的l c d 显示 ( 1 5 ) 集成了u s b 端点控制器 2 s a 1 l l oc p u 基本工作原理 s a l l l o 微处理器的核心逻辑功能是建立在s a - i 基础上的，以高性能和低 功耗为中心进行优化设计的，并使用了0 2 5 帅的蕊0 s 制造工艺，同时低功耗的 思想也体现在电源管理、时钟使用的模式上。现主要介绍一下关键部件的工作原 理： ( 1 ) c p u 的内核 图3 一l 所示，c p u 的内核是由a r ms a l 内核、1 6 k b y t e 指令缓存、8 k b y t 。 数据缓存、指令存储管理单元( i m 蛳j ) 、数据存储管理单元( d m m u ) 和读写缓存 组成a 指令缓存和数据缓存各自对应着帽应的存储管理单元，这样指令流和数据 流可以相互独立的进行传输，可以提高c p u 的执行效率。同时在内核里分配了一 个5 1 2 字节的微型缓存，在处理大量数据时通过这个微型缓存可以改善数据缓存 萝庆邮电学院硕士学位论文 性能。 ( 2 ) 状态控制 s t r o n ga r ms a 一1 1 1 0 微处理器支持3 种电源管理特性：正常方式、空闲( 省 电) 方式和睡眠( 省电) 方式。每一种方式有不同的电源消耗。空闲方式通过软 件进入；睡眠方式由软件或表示电源故障的2 根输入引脚之一有效进入