（计算机应用技术专业论文）车载导航系统的硬件设计与wince系统内核定制.pdf

中文摘要 摘要 随着人民生活水平的提高和汽车工业的发展，人们对汽车操作的简便性、功 能的完备性提出了更高的要求。集计算机多媒体技术、移动通讯技术、g p s 技术 和网络技术等高新技术于体的车载系统有着广泛的市场需求。 本文以成熟的g s m 网络平台和g p s 技术为基础，以嵌入式理论为指导，最 终实现了功能完备的嵌入式车载系统。文中首先阐述了嵌入式系统的基本理论， 介绍了嵌入式系统的概念、组成和特征并使用了当前流行的嵌入式操作系统 w i n d o w sc e ，对车载系统进行了研究和开发。 本文的主要工作是设计以及实现一个车载导航系统，本系统是以i n t e lp x a 2 5 5 高性能微处理器作为硬件平台的核心，嵌入式操作系统采用w i n d o w sc e 。首先对 设备的硬件设计进行选择，主要介绍了核心处理器的选型，并详细论述了存储设 备、通讯接口、人机交互等外围模块的硬件电路设计与实现。在系统移植与驱动 开发部分，着重研究了其系统架构和驱动模型，并在此基础上设计了微控制器、 收音机和键盘的驱动模型，定义了微控制器与核心处理器之间的通讯规则，配置 了w i n d o w sc e 的相关文件及环境变量。并在p l a t f o r m b u i l d e r 编译环境下，完成了 w i n d o w sc e 操作系统特性的定制。 关键词：p x a 2 5 5 ；w i n c e 嵌入式o s ；微控制器；p c b 设计；驱动 英文摘要 d e s i g nf o rt h eh a r d w a r eo fag p sn a v i g a t i o ns y s t e m o nv e h i c l ea n dw i n c ek e r n e l a b s t r a c t w i mt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gl e v e la n dd e v e l o p m e n to f v e h i c l ei n d u s t r y , t h ec o n v e n i e n ta n dm a t u r ee r r sa r eg r e a t l yn e e d e d e l e c t r o n i cs y s t e m o nc a rw h i c hi n t e g r a t e st h et e c h n o l o g yo f c o m p u t e rm u l t i m e d i a , m o b i l ec o m m u n i c a t i o n , g p sa n dn e t w o r kt e c h n o l o g yt o g e t h e rh a sg r e a tm a r k e tv a l u e t h i st h e s i si sb a s e do nt h em a t u r eg p sa n dg s m t e c h n o l o g ya n dg u i d e db yt h e e m b e d d e ds y s t e mt h e o r y f i n a l l yi th a sr e a l i z e dac o n s u m m a t ee m b e d d e dv e h i c l e s y s t e m t h eb a s i ct h e o r yo fe m b e d d e ds y s t e mi n c l u d i n gt h ec o n c e p t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c a n dc o m p o s i n gi sa l s oe x p l a i n e d t h ev e h i c l es y s t e mi sm a i n l yr e s e a r c h e da n de x p l o i t e d w i t ht h ep o p u l a rw i n c eo s t h em a j o rj o bp r e s e n t e di nt h i sp a p e rf o c u s e so nr e a l i z i n gag p sn a v i g a t i o n s y s t e mo nv e h i c l e t h eh a r d w a r ep l a t f o r mi sb a s e do nt h ei n t e lp x a 2 5 5e m b e d d e d m i c r o p r o c e s s o ra n di t se m b e d d e do si sm i c r o s o f tw i n d o w sc e i nt h eh a r d w a r ed e s i g n o ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es e l e c t i o no ft h ec o r ep r o c e s s o r , a n d d i s c u s s e so nt h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es t o r a g ed e v i c e ，c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e ，n l a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n ds oo n i nt h ep a r to fs y s t e mm i g r a t i o na n dd r i v e r d e v e l o p m e n t , t h ew i n d o w sc e sa r c h i t e c t u r ea n dd r i v e rm o d e li sd e e p l ys t u d i e d t h e n t h ed r i v e rm o d e lo fm i c r o c o n t r o lu n i t , k e y b o a r d ，r a d i oi sd e s i g n e da n dt h er u l lo f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep ) o 也5 5 柚dm i e r o c o n t r o lu n i ti sd e f i n e d a l s ot h e r e l a t e df i l e sa n de n v i r o n m e n tv a r i a b l e sa r ec o n f i g u r e d w i n c eo sc u s t o m i z a t i o ni s c o m p l i s h e di nt h ep be n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：p x a 2 5 5 ：w i n c ee m b e d d e do s ：m c u ：p c bd e s i g n ；d r i v e r 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：奎载昱照丞统的亟仕遮让皇受i 翌曼凼毯定剑：。除论 文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经 公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：套镣姿乡7 年弓月a 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。 ：弯救铆警月，捆耻 日期：砷岁月矽日 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着汽车工业的不断发展和人民生活水平的不断提高，汽车消费已经逐渐的 成为大众化的消费行为。而与此同时人们对于汽车的要求也不仅仅局限在汽车的 机动性能了，完备的功能配置也是人们在选购汽车时的主要参数之一。人们希望 在驾驶时能够及时地获知交通状况，从而避开塞车路段，在前往陌生的地方时， 希望能够获得足够的向导信息，希望在行车时能够与家人、朋友和商业伙伴及时 地沟通，人们还希望在车内等待的时间不再漫长，打打游戏，看看电影、听听音 乐以及浏览网页都可以帮助人们打发无聊的时间。因此，人们呼吁集众多功能为 一身的车载终端系统的出现。而微电子工业的发展和g p s 及移动通信技术的不断 完善，为这样的车载终端系统提供了技术支持。 近年来嵌入式系统异军突起，其应用已经逐渐渗透到国防、医疗、移动通信 等各个领域。嵌入式系统是以应用为中心和计算机技术为基础的、系统可裁减的、 能够满足系统对功能、可靠性、成本体积、功耗等方面指标的、严格要求的专用 计算机系统【1 】。嵌入式车载终端系统是在嵌入式理论指导下实现的集计算机多媒体 技术、移动通讯技术、g p s 技术和网络技术等高新技术于一体，面向汽车行业， 功能强、体积小、可靠性高的移动电脑系统，其具有性能完备、结构紧凑、性价 比优异、工作可靠、运行稳定、使用安全、操作简便等特剧2 l 。 1 2 国内外发展状况 早在1 9 9 8 年，歌乐公司与微软公司合作利用w i n d o w s 操作系统开发出了世界 上第一台车载电脑系统“歌乐p c ”，综合运用了汽车音响、计算机技术、导航技 术以及自动语音识别技术。此后，欧美国家和亚洲的日本等汽车大国相继投入了 汽车电脑相关技术领域的开发与实践。 目前，国外厂商对于车载终端系统的研发工作，已经达到了相对较高的水平。 汽车厂商通过与网络运营商的合作，将车载系统的应用与互联网技术结合，使其 第1 章绪论 具有更为广阔的应用空间。例如，2 0 0 2 年秋天，丰田公司与微软公司签署一项协 定，在丰田汽车上安装带有w i n d o w sc e 操作系统的车载终端系统，来为顾客提 供“g - - b o o k ”车载网络服务。有了这一项网络服务，驾车人可以在车里做任何 事情：下载音乐、网上购物、选择最佳行驶路线以及请求公路救援等。除了丰田 公司以外，当时还有4 家汽车生产厂家计划在1 2 种车型上安装使用w i n d o w s c e 操作系统的车载电脑。宝马公司也在2 0 0 2 年9 月就推出了带有w i n d o w s c e 的新型车。本田公司则在2 0 0 2 年夏推出了声控车载电脑i n t e m a v i ，并在2 0 0 2 年秋推出的雅阁s e d a n 车上配备这一系统。但是国外的车载终端系统，大多是高 档房车的专利，而且只在各别厂商推出了面向高端用户的商用房车上配备，很少 发布可供用户自行安装的车载终端系统平台。因此普通汽车消费者很难享受该项 技术发展的成果。 反观国内对车载终端系统的研发工作则处于f l t j 冈i j 起步的阶段。目前，国内有 很多厂商推出了各自的车载终端系统，但大多数技术含量较低、系统集成度不高 而且功能单一。例如，新科电子出品的车载d v d 导航仪，将g p s 技术与先进的 光存储介质的读取技术结合，实现了能够在汽车运动时进行d v d 功能的g p s 导 航系统，是国内少有的较为成熟的车载终端系统，但其售价偏高，而且系统体积 较大，加上缺少对g s m 网络平台的支持，仍然不能算是较为理想的车载终端系统。 1 3 本文的主要工作和组织结构 本文立足于车载终端系统，在初步了解了嵌入式系统理论的基础上，对 w i n d o w sc e 操作系统作了较为深入的研究，并根据芯片的技术参数以及平台的硬 件指标，对w i n d o w sc e 操作系统进行了合理的裁减和定制。主要的工作涉及硬件 平台设计和操作系统平台的定制，其中硬件设计包括主板的电路原理设计和p c b 制作，以及外围板的电路原理设计和p c b 制作。本课题主要涉及主板部分和全部 外围板的电路原理设计，以及主板和外围板的全部p c b 设计。软件设计主要包括 驱动程序的修改与设计，b o o t l o a d e r 的修改以及操作系统平台的定制。本课题主 要涉及系统平台的定制工作主要包括：设计微控制器驱动模型并予以实现，定义 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 外围设备与系统之间的通讯规则，应用该规则设计外围设备的驱动模型并予以实 现。本文在组织结构上分为五章： 第一章绪论：介绍了车载系统提出的背景以及国内外在该领域的发展状况， 介绍了本文的主要工作和论文的组织结构。 第二章车载导航系统的整体设计：阐述了嵌入式系统的概念以及组成特征， 分别介绍了组成嵌入式系统的硬件平台和操作系统平台，并在此基础上论述了本 文所选用的嵌入式操作系统w i n d o w sc e 。 第三章车载导航系统的硬件平台设计：主要描述了车载系统的硬件平台的设 计与实现，包括核心处理器的选型及存储设备、l c d 、g p s 模块、g s m 模块、电 源、微控制器等模块的硬件电路设计。 第四章车载导航系统驱动程序的设计：本章是本文的重点，在深入研究了 w i n d o w sc e 的系统模型和驱动模型的基础上，结合硬件电路的结构特点，设计了 包括微控制器、键盘和收音机在内的外围设备的驱动模型，并分别予以实现。 第五章w i n c e 嵌入式操作系统定制步骤：主要介绍了p l a t f o r mb u i l d e r n e t 集 成开发环境和w i n d o w sc e n e t 操作系统的定制过程。 第2 章嵌入式系统概述 第2 章车载导航系统的分析与设计 2 1 嵌入式系统硬件平台 硬件部分提供整个系统开发可见的“实体”，而软件部分相当于这个“实体” 内部的功能逻辑。嵌入式系统的开发对硬件要求非常高，这与其他类型系统的开 发有所不同。 一个目标硬件平台主要分三部分：处理器核心，芯片内的外围电路，板级外 围电科3 1 。它的体系框图如图2 1 所示。 图2 1 硬件平台的体系框图 f i g 2 1a r c h i t e c t u r eo f h a r d w a r e 对于处理器核心部分而言，嵌入式内核必须正确设置处理器的工作模式，必 须正确使用相关寄存器等；对于芯片内的外围电路而言，嵌入式内核必须按照正 确初始化流程初始化芯片内的外围电路；对于板级外围电路，一般由专门的b s p 来解决这些板级外设的初始化，嵌入式操作系统需要提供丰富的b s p 来支持各种 硬件平台的外设驱动4 1 。 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 2 2 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的发展与嵌入式系统的发展密切相关，都是当代计算机技术 飞速发展带来的硬件小型化、微型化及软件技术深入发展的产物。目前常见的人 机界面良好、易于开发应用程序的嵌入式操作系统有w i n d o w sc e n e t 、v x w o r k s 、 p a l mo s 和 t c l i n u x 等【卵。 从产品角度讲，w i n d o w sc e 的设计目标就是为嵌入式开发人员提供强大的支 持，便于进行开发；另外就是针对原始设备制造商( o e m ) ，使得他们能够构建资源 受到限制的小型手持设备以及个人信息管理( p i m ) 设备。 w i n d o w sc e 操作系统通过简化的开发工具实现了更高的开发人员的生产力， 并且使得原始设备制造商和嵌入式开发人员能够更快的将产品推向市场，并能满 足特殊的嵌入式设备的要求。 2 3 车载导航系统的需求分析 本文研发的车载终端系统在功能上集成了移动通讯、互联网接入、g p s 定位 及导航、语音指令控制以及数字媒体播放等众多实用功能。该车载系统集成度较 高，整个系统的体积只有一个普通c d r o m 的大小，真正实现了高技术含量、高 集成度、低成本且功能完备的车载终端系统。 该车载导航系统是一个集移动通讯、全球定位、数字媒体播放、高精度语音 指令识别、f m a m 等5 大功能为一体的移动设备。平台的核心处理器采用了i n t e l 针对移动设备和个人数字助理推出的p x a 2 5 5 处理器，强大的处理能力为高质量 的数字媒体播放提供了保障；完善的处理器外围接口电路和控制电路，节省了开 发成本和开发周期也增加了系统集成度，减小了系统的物理体积；除此之外平台 集成的g p s 和g s m 模块，为汽车导航和移动通讯提供了硬件基础；低功耗的外 围控制电路设计为系统的功能扩展预留了接口。 第3 章系统的硬件平台设计 第3 章车载导航系统的硬件平台设计 3 1 车载导航系统的硬件框架结构 图3 1 系统结构图 f i g 3 1a r c h i t e c t u r eo f t h es y s t e m 如图3 1 所示为车载导航系统的硬件结构图。由图可见其主要分为以下几个主 要部分： ( 1 ) 核心处理器：p x a 2 5 5 作为系统的中央处理器完成主要的逻辑运算，并提 供了基本的外围接口电路和外围设备控制器。 ( 2 ) 存储设备：存储设备主要包括了s d r a m 、f l a s hr o m 和s d 卡。 ( 3 ) g p s 模块：系统集成全球定位系统，从而为汽车导航和汽车定位提供了硬 件基础。 ( 4 ) g s m 模块：提供了对g s m 网络应用的支持，为电话、短信收发、无线互 联网接入以及更多的网络应用提供了基础。 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 ( 5 ) 人机交互模块：人机交互包括了显示输出设备和输入设备。本系统中考虑 到应用场合的不同，提出了两套显示方案，并分别使用了4 寸和7 寸液晶屏。输 入设备主要包括触摸屏、按键，并且为语音指令控制预留了接口。 ( 6 ) 音频模块：系统采用a c 9 7 音效芯片，支持收音机，电话听筒以及车载 m p 3 播放等多个音源设备之间的切换，节省了开发成本也提高了系统的集成度。 ( 7 ) f m a m ：收音机功能是车载系统的必备功能，本系统中也加入了对收音机 功能的硬件支持，并且收音机模块可以在没有操作系统参与的模式下，独立工作。 3 2 硬件模块设计 3 2 1 处理器的比较与选择 ( 1 ) 处理器的比较 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心，嵌入式处理器的运算速度和处理效率决 定了整个系统的性能。由于本系统采用w i n d o w sc e n e t 作为操作平台，所以应选 择一款w i n d o w sc e n e t 支持的3 2 位嵌入式处理器。3 2 位嵌入式处理器在种类繁 多的嵌入式处理器中只占很小的一部分，目前市场上比较流行的主要有以下几种： a r m 处理器 a r m 这类处理器具有功耗低、成本低等显著优点，a r m 处理器目前已经占 据了7 5 以上的3 2 位嵌入式产品市场，在低功耗、低成本的嵌入式应用领域确立 了市场领导地位嘲。 p o w e r p c 处理器 p o w e rp c 处理器是基于p o w e r 体系结构的功能更强、结构更整洁清晰的 r i s c 处理器，是通信领域中应用最多的处理器。 m i p s 处理器 m i p s 处理器也是一类较流行的嵌入式处理器，它同样采用r i s c 结构，基于 m i p s 的系列产品已为很多计算机公司采用来构成各种工作站和计算机系统。 第3 章系统的硬件平台设计 由于系统使用的是w i n d o w sc e n e t 操作系统，而且需要较高的性能，需要处理 大量的数据。目前w i n d o w sc e n e t 支持的处理器主要有x 8 6 ，p o w e r p c ，a r m ， m i p s 等 7 1 ，其中a r m 是近年来在嵌入式系统中很有影响力的微处理器架构，在 同等处理器主频下，a r m 内核的芯片面积最小，功耗最低，价格也最低廉，在性 能、技术指标、软件支持工具、内置调试工具和开发资料等方面都有优势。考虑 到本系统移动终端的体积、功耗、成本等因素，最后决定选择a r m 内核的处理器。 ( 2 ) a r m 处理器的优点： 优秀的性价比： 和其它类型的处理器相比，在同样的处理器主频下，基于a r m 内核的处理器 具有最低的功耗、最小的芯片面积和最便宜的芯片价格。 w i n d o w sc e n e t 的良好支持 w i n d o w sc e n e t 对a r m 系列的处理器提供了良好的支持，开发者可以基于 w i n d o w sc e n e t 中提供的a r m 处理器开发包建立自己的系统平台i s 。 开发工具较完善 a r m 架构处理器通常内含嵌入式在线仿真宏单元，通过a r m 公司提供的 a d s 开发环境，可以通过j t a g 调试接口实现对a r m 芯片的在线调试。 a r m 架构处理器的这些特点使a r m 处理器更适合于嵌入式领域的应用1 9 l 。 ( 3 ) x s c a l ep x a 2 5 5 处理器： p x a 2 5 5 处理器是基于i n t e lx s c a l e 为体系结构的一款s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 片 上系鲥1 0 1 。频率为2 0 0 4 0 0 m h z ，加强了微处理器速度的管理，加快了多媒体处理 的速度，并支持8 0 2 1 l b 及蓝牙技术、u s b 接口，采用p b g a 封装方式。其主要 针对下一代高性能的p d a 市场，支持视频流、m p 3 、无线互联网存取以及其他边 缘领先技术。这些组件可以提高使用了这些芯片的整机的整体性能。在存储方面， p x a 2 5 5 将支持s e c u r ed i g i t a l 和c o m p a c f f l 硒h 扩展技术，它还有电源管理功能， 这个功能可以根据处理器所执行的任务来调节它的耗电量【1 1 】。缓存达到了6 4 k b ， 并整合了内存控制器、l c d ( 液晶显示器) 控制器和扩展控制器等。 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 x s c a l e 微构架处理器是为新一代无线手持式应用产品开发的嵌入式处理器 0 2 1 。基于x s c m e 技术开发的微处理器，可用于手机、便携式终端( p d a ) 、网络存 储设备、骨干( b a c k b o n e ) 路由器等。该新型微处理器架构经过专门设计，核心采 用了英特尔先进的o 1 8 u r n 工艺技术制造。它具备低功耗特性，适用范围从 o 1 m w - 1 6 w 。同时，它的时钟工作频率将接近1 g h z 。x s c a l e 与s 仃o n g a r m 相 比，可大幅降低工作电压并且获得更高的性能。具体来讲，在目前的s t r o n g a r m 中，在1 5 v 下可以获得1 6 6 m h z 的工作频率，在2 0 v 下可以获得2 3 3 m h z 的工 作频率；而采用x s c a l e 后，在o 7 5 v 时工作频率达到1 5 0 m h z ，在1 0 v 时工作频 率可以达到4 0 0 m h z ，在1 6 5 v 下工作频率则可高达8 0 0 m h z 。当在o 7 5 v 下以 5 0 m h z 的工作频率运行时，其功耗相当于用一只5 号电池连续工作一个星期。最 后，超低功率与高性能的组合使英特尔x s c a l e 非常适用于互联网接入设备，这些 产品包括网络和u o 处理烈1 3 】。网络基础设施制造商可使用x s c a l e 核心来提高新 一代路由器和交换机的密度、编程能力和处理能力。 p x a 2 5 5 处理器具有以下特性： 高性能、低功耗的x s c a l e 处理器核，时钟频率按不同型号分为2 0 0 m h z 、 3 0 0 m h z 和4 0 0 m h z 系统总线速度比p x a 2 5 0 提高一倍，当内核工作在4 0 0 m h z 时系统总线频 率为2 0 0 m h z 采用o 1 8 微米工艺制造，1 7m mx1 7 咖x1 7 5 m m ，2 5 6 脚p b g a 封装 采用i n t e l 多媒体处理技术 增强型存储控制器，支持2 5 w 3 3 v 、1 6 3 2 位的存储器 支持m m c s d 卡和p c m c i a c f 卡 提供9 2 0 k b p s 蓝牙接口 p x a 2 5 5 处理器的外围部件： 1 存储控制器。可为多种存储器芯片提供可编程的控制信号。支持4 个 s d r a m 分区，6 个s r a m 、s s r a m 、f l a s h 、r o m 、s r o m 静态片选和2 个 p c m c i a 或c o m p a c tf l a s h 槽。 第3 章系统的硬件平台设计 2 时钟和电源控制器。时钟可由3 6 8 6 4 m h z 和一个可选的3 2 7 6 8 k h z 两种 晶体驱动。3 6 8 6 4 m h z 晶体驱动一个核心锁相环和一个外围锁相环。3 2 7 6 8 k h z 晶体产生一个硬件复位后选定的可选时钟源，用于驱动实时时钟( r t c ) 、电源管理 控制器和中断控制器【1 4 1 。 3 u s b 从端设备控制器。支持1 6 个终结点，提供一个内部4 8 m h z 时钟。 4 d m a 控制器。提供1 6 个优先级不同的通道，用于响应来自片内外围部件 和片外设备的数据传输请求。 5 液晶控制器。提供支持双扫描无源阵列彩显( d s t n ，俗称伪彩) 或有源 阵列彩显( t f t ，俗称真彩) 屏的接口。最大支持显示分辨率为1 0 2 4 x1 0 2 4 像素 6 通用i o 引脚。每个引脚都可以独立地编程定义为输入或输出。 7 4 个u a r t 。每一个u a r t 都能用作低速红外收发。 8 全功能u a r t ( f f u a r t ) 可编程波特率最大为2 3 0 k b p s 蓝牙u a r t ( b t u a r t ) ：可编程波特率最高可达9 2 1 k b p s ， 标准u a r t ( s t u a r t ) ：可编程波特率最高可达2 3 0 k b p s 9 实时时钟。实时时钟可提供恒定频率的输出，它带有可编程闹钟寄存器， 可用于从休眠模式中唤醒处理器。 1 0 o s 定时器。可用于提供一个带有4 个寄存器的3 6 8 6 4 m h z 参考计数器。 这些寄存器可用于产生中断，其中一个还能用于产生看门狗中断。 1 1 脉冲宽度调制( p w m ) 。其频率和占空比可以独立编程。 1 2 中断控制。中断控制器可以通过屏蔽寄存器禁用或启用单个中断源。 1 3 网络同步串行协议端口( n s s p ) 。该端口可用于连接其他的网络a s i c 。 p x a 2 5 5 处理器具有强大的处理性能，同时提供了丰富的外围设备接口，这些 基本满足了本系统对核心处理器要求。p x a 2 5 5 处理器的基本结构如图3 2 所示。 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 图3 2p x a 2 5 5 理结构图 f i g 3 2a r c h i t e c t u r eo f t h ep x a 2 5 5 3 2 2s d r a m 接口 s d r , m m ( s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a n d o ma c c e s sm e m o r y ) 即同步d r a m ，从理 论上说，s d r a m 与c p u 频率同步，共享一个时钟周期。它可以和c p u 同步工作， 无等待周期，数据传输延迟较少。s d r a m 的存取速度非常快，但不具备掉电保持 数据的特性。因此，s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间、数据及堆栈区。 p x a 2 5 5 处理器共支持4 块1 6 位或3 2 位的s d r a m ，每块提供最多6 4 m 大 小的存储空间。本系统采用两片现代公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 构成系统的s d r a m 模 块，h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 为4 m x1 6 b i t x 4 b a n k s 的s d r a m ，两片并联的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 共构成大小为6 4 m 的3 2 位地址空间，占用在p x a 2 5 5 的s d r a mb a n k 0 区。 第3 章系统的硬件平台设计 二e ，；i - 占漪下翟干甯二 v b j ” 2 4 a 0 d q 0 ；4z n 0 1 j ；l | p l ，口l 筘； a i d q l j 。 0 2 l | o u i ，l2 l 2 4 2 d q 2 7 g - o ，；l ：l ”f l 瑚l a 3 d 0 3 8 ；l 卧j ll ；| 一 8 ，镕l a 4 d q 4 1 02 簪 - o 罨l ；l j 伟jj 1 a 5 d q 5 ，i zb - d 吲 5 一二 缸 1 t 驺l 6 d 0 6 l ；l d 7 il ；| 缸 口 3 3 ” d 0 7 2 口 _ d gl ；， 如日 ；斟 8 d q 8 ：o 九o ，5 ；j ； 9 d 0 9 5j ；- 协 # 女- a 1 0 d q l 0 l ”io - o i i m ； 靳 a i l d q i i 4 0l - d l ： ，l lj ； 1 1 2 d q l 2 w2 1 i ) a 0 d 0 1 3 5 0 ；每l i l k 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5 和s t r a t af l a s h 之间的硬件连接示意图。 3 2 4i _ 0 d 接口设计 图3 4f l a s h 硬件连接图 f i g 3 4f l a s hh a r d w a r e c o n n e c t i o n l _ d d 一0 _ l d d 一4 b 1 一b 5 一 l d d 一5 一l d d - i 0 g 0 - g 5 l ，- d d 一1 1 一l d d _ 1 5 1 0 1 一r 5 p x a 2 5 5 l c d l - p c l k c l o c k l k h o f t z o n t a ls y n e l f c l k v e f t a c a ls 3 r n e 图3 5l c d 和p x a 2 5 5 硬件连接图 f i g 3 5h a r d w a r ec o r m e e t i o nb e t w e e nl c da n dp x a 2 5 5 第3 章系统的硬件平台设计 显示器采用8 0 0 4 8 0 的n 叮l c d ，兼容标准的t t l 电平，可以直接支持 p x a 2 5 5 内部集成的l c d 控制器，完全满足w i n d o w sc e 对显示设备的要求。由 于所使用的l c d 具有1 8 位深，即1 8 个数据位，而p x a 2 5 5 只有1 6 个数据位接 口，即l _ d d 0 l _ d d l 5 ，所以这里将l c d 的r i r 5 接至l c d 接口的r 0 r 4 上，将l c d 的g 0 g 5 接至l c d 接口的g 0 g 5 上，将l c d 的b 1 b 5 接至开 发板l c d 接口的b 0 b 4 上。l c d 和p x a 2 5 5 的硬件连接方式如图3 5 所示。 3 2 5g p s 模块 g p s 即全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 。g p s 模块用于接收g p s 卫 星的信号，并计算出车载终端目前所在的位置，最终实现车载定位。g p s 模块是 车载导航的硬件基础。g p s 模块占用了p x a 2 5 5 的红外串口，p x a 2 5 5 通过向红外 串口发送指令控制g p s 模块；g p s 模块也是通过红外串口将数据返回给p x a 2 5 5 。 3 2 6g s m 模块 g s m 模块是实现车载电话，短信收发等移动通讯功能以及扩展网络应用的硬 件基础。g s m 模块占用了p x a 2 5 5 的全功能串口，p x a 2 5 5 通过向全功能串口发 送a t 指令操作g s m 模块，从而实现电话、短信收发等功能。本系统选用了西门 子公司的无线模块m c 3 5 i ，m c 3 5 i 是新一代的双频g s m g p r s 无线模块。 3 2 7 微控制器单元 本文所实现的系统中，使用m s p 4 3 0 作为外围设备的微控制器，从而能够控 制更多的外围设备。从电源管理、实时时钟、数字调频收音机到专用的键盘控制 电路，以及可能在将来需要扩展的语音控制系统，都是通过m s p 4 3 0 来完成的。 如图3 6 所示为m s p 4 3 0 上的设备连线方式。外接按键连接在m s p 4 3 0 的g p i o 口上，按键动作会引起g p i o 口上的电平变化，m s p 4 3 0 通过检测g p i o 的电平变 化判断键盘行为。微控制器通过m i c r o w a r e 同步串口总线对收音机模块发送指令， 实现对收音机模块的控制状态监测。m s p 4 3 0 与实时时钟( r t c ) 、电机控制模块、 电源检测以及语音指令识别模块之间都是通过1 2 c 总线进行数据和指令交互，从 而完成对相应模块的控制。 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 p x a 2 5 5 与m s p 4 3 0 之间的数据交互使用了p x a 2 5 5 的蓝牙串口( b u a r t ) 。 p x a 2 5 5 通过蓝牙串口向m s p 4 3 0 发送控制指令，由m s p 4 3 0 根据p x a 2 5 5 的指令 进行外围设备的控制，并通过蓝牙串口将信息返回给p x a 2 5 5 。 图3 6 微控制单元结构 f i g 3 6s t r u c t u r eo f m i r e o c o n t r o lu n i t 3 2 8 电源管理 由于a r m 芯片的高速、低功耗、低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹 波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性、电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高 的要求。由于主板电路复杂，布线密度高，c p u 的主频高以及g p r s 和g p s 射频 干扰，所以对系统的电源管理有着较高的要求。 本系统所需电源都是由外围板上的t p s 6 5 0 1 3 来提供，该电源芯片由微控制 器m s p 4 3 0 来控制。t p s 6 5 0 1 3 芯片是整合式电源和电池管理组件( p m u ) ，专门 支持使用一颗锂离子或锂聚合物电池、并且需要多组电源的各种应用。说简单点， 就是电源的分配管理芯片。在芯片周围，还有一些抗高频电信号干扰的低通滤波 器，保证电源的洁净以及芯片组件能稳定工作，排除了有害的高频干扰，机器工 作更稳定，输出的声音、画面质量更高。如图3 7 所示为t p s 6 5 0 1 3 硬件连接电 第3 章系统的硬件平台设计 路图，由于t p s 6 5 0 1 3 由1 2 c 通信接口。所以与m s p 4 3 0 之间采用1 2 c 通信协议。 m s p 4 3 0 通过向t p s 6 5 0 1 3 写寄存器来控制对主板以及外围电路电源的管理。 s c l k t p $ 6 5 0 1 3m s p 4 3 0 s d a t 图3 7t p s 6 5 0 1 3 和m s p 4 3 0 硬件连接图 f i g 3 7h a r d w a r ec o n n e c t i o nb e t w e e nt p s 6 5 0 1 3a n dm s p 4 3 0 3 3 主板p c b 设计 印制电路板( p c b ) 是电子产品中电路元件和器件的支撑件。它提供电路元件和 器件之问的电气连接。随着电子技术的飞速发展，p c b 的密度越来越高。p c b 设 计的好坏对抗干扰能力影响很大。因此，在进行p c b 设计时，必须遵守p c b 设计 的一般原则，并应符合抗干扰设计的要求。要使电子电路获得最佳性能，元器件 的布线及导线的布设是很重要的。为了设计质量好、造价低的p c b ，应遵循以下一 般原则。 3 3 1p c b 设计一般原则 印刷线路板的布线要注意以下问题：专用零伏线，电源线的走线宽度l m m ： 电源线和地线尽可能靠近，整块印刷板上的电源与地要呈“井”字形分布，以 便使分布线电流达到均衡：要为模拟电路专门提供一根零伏线；为减少线间串扰， 必要时可增加印刷线条间距离；安插一些零伏线作为线间隔离；印刷电路的插头 也要多安排一些零伏线作为线间隔离；特别注意电流流通中的导线环路尺寸；如 有可能在控制线( 于印刷板上) 的入口处加接r - c 去耦，以便消除传输中可能出 现的干扰因素；印刷弧上的线宽不要突变，导线不要突然拐角( 9 0 度) 。 车载导航系统的硬件设计与w i n c e 系统内核定制 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系，这里仅就p c b 抗干扰 设计的几项常用措施做一些说明。 电源线设计 根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时使 电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。 地线设计 地线设计的原则是： 数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路，应使它们尽 量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地，实际布线有困难时可部分串联 后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地，地线应短而粗，高频元件周围尽 量用栅格状大面积地箔。接地线应尽量加粗。若接地线用很细的线条，则接地电 位随电流的变化而变化，使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗，使它能通过三 倍于印制板上的允许电流。如有可能，接地线应在2 3 m m 以上。接地线构成闭环 路，只由数字电路组成的印制板，其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。 退藕电容配置 p c b 设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。 退藕电容的一般配置原则是：电源输入端跨接1 0 1 0 0 u f 的电解电容器。如有可能， 接1 0 0