（微电子学与固体电子学专业论文）基于arm的传感图像液晶显示系统的研究.pdf

中文摘要 i i i i i i i i i i i i i i i ii i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i 中文摘要 论文研究了基于a r m 的嵌入式微处理器构成的传感图像液晶显示系统，该系 统充分利用a r m 9 的嵌入式微处理器芯片$ 3 c 2 4 1 0 内部丰富的接口资源，采取软 硬件协同设计的方法完成设计，使系统更易集成。 文中首先针对系统需求设计了各相关模块的接口电路，然后对l i n u x 系统下整 个图像采集系统的程序设计作了详细的分析，重点设计完成了l c d 驱动程序与 u s b 接口驱动程序。在完成各相关模块驱动的基础上设计完成了图像采集与显示 程序，实现了图像数据的采集、传输和图像正常显示。系统设计采集速率为3 0 帧 秒，图像画面流畅，功能稳定，并且数据传输采用d m a 传输方式，使显示数据不 经过c p u 而直接传送到显示缓冲区，加快了数据传输速度。 本系统结构紧凑，运行过程中不需p c 机介入，使配置更灵活，显示界面更友 好。基于嵌入式系统的图像采集处理技术在当前正处于起步阶段，研究前景广阔， 可广泛应用于工业自动化生产，监护、防盗系统，机器人视觉等技术领域中。 关键词图像采集；a r m ：$ 3 c 2 4 1 0 ；u s b 摄像头；嵌入式系统； 黑龙江大学硕士学位论文 i i mjmm mmnjm t i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i a b s t r a c t t h ep a p e rr e s e a r c h e so nai m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do na r mw h i c hi s c o n s i s t i n g o fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o rc h i p s i tt a k e sf u l l a d v a n t a g eo ft h er i c h i n t e r f a c er e s o u r c e s m $ 3 c 2 4 10a n dt a k e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o - d e s i g n m e t h o d o l o g yt oc o m p l e t et h ed e s i g nf o ra l l o w i n gt h es y s t e mt om o r ee a s i l yi n t e g r a t e f i r s t , a c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to ft h es y s t e m ，t h ei n t e r f a c ec i r c u i t so f r e l e v a n t m o d u l e sh a v eb ed e s i g n e d a n dt h e nt h ee n t i r ep r o c e s so fi m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mh a s b ea n a l y z e dd e t a i l e di nl i n u xs y s t e m , t h ed e s i g nf o c u so nc o m p l e t i o no ft h el c dd r i v e r i n t e r f a c ea n dt h eu s bd r i v e r u p o nc o m p l e t i o no f t h er e l e v a n tm o d u l ed r i v e r ，w ed e s i g n t h ei m a g ea c q u i s i t i o na n dd i s p l a yp r o g r a ma n di m p l e m e n tt h ei m a g ed a t ac o l l e c t i o n ， t r a n s m i s s i o na n di m a g ed i s p l a y t h es y s t e ma c q u i s i t i o nr a t eo f3 0f r a l n e s s ，i t si m a g e s i ss m o o t ha n di t sf u n c t i o n a li ss t a b i l i t y i na d d i t i o n , w eu s et h ed m am o d et ot r a n s f e r i m a g ed a t a , t h i sm o d e c a nt r a n s f e rt h ed a t at od i s p l a yb u f f e rd i r e c t l yw i t h o u tg o i n g t h r o u g ht h eb u f f e ro fc p u ，s ot h ed a t at r a n s m i s s i o ns p e e di sm o r ef a s t t h es y s t e mc a nd i s p l a yi m a g e si nr e a lt i m e ，i t ss t r u c t u r ei sc o m p a c ta n dr u n w i t h o u tp ci n t e r v e n t i o n i th a sf r i e n d l yi n t e r f a c es h o w sa n dm a k e sc o n f i g u r a t i o nm o r e f l e x i b l e t h ee m b e d e di m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi sc u r r e n t l yi ni t si n f a n c y , t h er e s e a r c h p r o s p e c t si sb r i g h t t h es y s t e mc a l lb ew i d e l yu s e di ns u c ha st h ep r o d u c t i o n o fi n d u s t r i a l a u t o m a t i o n , m o n i t o r i n g ，a n t i t h e f ts y s t e m ，r o b o tv i s i o nt e c h n o l o g y k e yw o r di m a g ea c q u i s i t i o n ；a r m ；$ 3 c 2 4 10 ；u s bc a m e r a ；e m b e d d e ds y s t e m ； 一1 1 独创性声明 ii ii i 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，也不包含为获得墨蕉江太堂或其他教 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 何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：叫旁玄签字日期：弘哆年厂月，垆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨蕉堑太堂有关保留、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。 本人授权墨蕉堑太堂可以将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：书力 签字日期：卅年r 月c f 日 f 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地由 = ： 导师签名： 签字日期：砂卵年f 月垆日 电话： 邮编： 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 在日常生活中，人们获取的信息有6 0 以上来自视觉，可见图像信息的重要 性，而图像信息必须经过显示来实现人机交换。目前，常用的显示器件包括显像 管( c r t ) 、液晶显示器件( l c d ) 和发光二极管( l e d ) 。c r t 在电子工业中占有 十分重要的地位，但c r t 显示器存在体积大，工作电压高，有软x 射线辐射等固有 缺点，因而人们转而寻求新的显示器件，i ! p l c d 与l e d 等平板显示器件。其中l c d 具有工作电压小、功耗低、可使用c m o s 电路直接驱动等特点，因此很快成为平板 显示器、的主流产品，特别是其体积小、显示的色彩信息丰富的特点，使其广泛的 应用于微小型的显示系统中，如掌上p d a ，m p 3 m p 4 ，电子词典，车载电子设备， 数字家电等【1 】。 随着生活质量的提高，人们在要求显示系统小型化、便携化的基础上，对于 图像信息的要求也越来越高，具体表现为由原来的黑白单色显示向彩色的转化， 并且对图像信息的还原质量要求越来越高，即要求显示系统能更好的还原实景的 色彩信息，而这样导致了图像信息的数据变得更大。例如，一幅3 2 0 * 2 4 0 点阵的 2 4 位彩色位图，每个像素的红、黄、蓝分别用8 b i t 数据量来表示，那么这幅图像 需要用3 2 0 * 2 4 0 * 3 * 8 b i t ，即总数据量达2 3 0 4 0 0 个字节，可见数据量非常庞大。这 就要求处理芯片有更高的运算速度，并且要有丰富的接口资源，使系统易于集成， 达到小型化、便携式的目的。随着s o c ( s y s t e mo i lc h i p ) 技术的发展，比现了嵌入 式微处理器。嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高，并且可 对嵌入式操作系统的内核进行定制、裁剪，应用灵活等优点，已广泛的应用于仪 器、仪表、过程控制、工控生产现场等领域。 本文提出了种基于a r m 的嵌入式微处理器构成的传感图像液晶显示系统， 其中a r m 是英国家公司名字，该公司设计处理器d 内核，并将内核出售供下 黑龙江大学硕士学位论文 游厂家设计生产适用于自己的芯片。本系统充分利用嵌入式微处理器芯片内部丰 富的接口资源，采取软硬件协同设计的方法完成设计，使系统更易集成。系统具 有图像显示系统结构简单，成本低，体积小，功耗少等优点；同时能实时显示图 像，其结构紧凑，运行过程中不需p c 机介入，使配置更灵活，显示界面更友好。 基于嵌入式系统的图像采集处理技术在当前正处于起步阶段，研究前景广阔，可 广泛应用于工业自动化生产，监护、防盗系统，机器人视觉等技术领域中。 1 2 嵌入式系统 1 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪， 适用于对功能、可靠性、成本、体积和功耗有严格要求的应用系统。该系统一般 由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统及用户的应用程序等4 部分 构成，用于实现对其它设各的控制、管理等功能2 1 。嵌入式系统是软件与硬件的结 合体，其主要特点如下：【3 】 1 嵌入式系统是面向应用的，也就是根据实际需求设计的应用系统，重在实 现最优化结构。 2 嵌入式系统对可靠性与实时性要求非常高。由于是面向应用的专用系统， 因此需要做最大限度的精简以适应体积、成本的限制要求，从而提高效率，增强 实时性。 1 2 2 嵌入式微处理器 目前应用较广泛的嵌入式处理器包括m i p s 处理器、p o w e r p c 处理器和a r m 处理器，简要介绍如下： 1 m 口s 处理器 m i p s 的意思是无内部互锁流水级的微处理器( m i c r o p r o c e s s o rw i t h o u t i n t e r l o c k e dp i p e ds t a g e ) ，最早是由斯坦福大学h e n n e s s y 教授领导的研究小组于2 0 世纪8 0 年代研制出来的。在嵌入式应用方面，m i p s 系列微处理器是目前仅次于 第1 章绪论 a r m 的应用最多的处理器之一，其应用领域覆盖游戏机、路由器、激光打印机、 掌上电脑等各个方面。m i p s 的系统结构及设计理念比较先进，强调软硬件协同提 高性能，同时简化硬件设计。m i p s 处理器的缺点是发热量大，且价格较高，故常 用于高端产品中【4 】。 2 p o w e r p c 处理器 p o w e r p c 处理器架构采用了r i s c ( 精简指令集计算机) 技术，使其具有发热量 小、速度快、良好的可伸缩性等优点，并集成了功能强大的外设接口，使其不仅 拥有强大的数据处理能力，还具有很强的通信处理能力，特别适合对网络性能要 求较高的场合。其应用领域非常广泛，从高端的工作站、服务器到桌面计算机系 统，从消费类电子产品到大型通信设备等各个方面。市场上应用较多的p o w c r p c 处理器包括p o w e r p c 7 5 0 、p o w e r p c 4 0 5 和p o w e r p c 4 4 0 等【州。 3 a r m 处理器 a r m 内核是由英国的a r m 公司研制的，同样采用r i s c 的架构技术，它具 有体积小、功耗低、成本低和性能高等特点，并且支持t h u m b ( 1 6 位) 和a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件。与一般公司不同的是，a r m 公司只 作为产权供应商提供i p 核，由得到授权的生产商根据需求增加适当的外围电路， 形成自己的产品推向市场【刀。市场上较为流行的a r m 核有a r m 7 t d m i 、 s t r o n g a r m 、a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 0 t 、a r m 9 4 0 t 、a r m l 0 t d m i 等。 基于a r m 内核的微处理器目前在世界上应用最为广泛，其应用领域包括无线通 信、数码相机系列、手机、安全控制系统等i s ) 。 1 2 3 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统的主要作用是管理硬软件资源、提供人机接口并提供应用软 件平台，当前流行的嵌入式操作系统有以下几种： 1 v x w o r k s v x w o r k s 由w i n dr i v e r 公司推出，是近几十年来嵌入式系统领域中应用最广 泛，市场占有率最高的操作系统。它有一个高效率的实时微内核，支持多种处理 黑龙江大学硕士学位论文 器，兼容p o s i x 、a n s ic 和t c p i p 等标准并且支持快速多任务处理、抢占式和 轮转式调度，对于要求强实时性的嵌入式系统是最好的选择，但其价格昂贵，且 对同系列的不同处理器都要收费【9 1 。 2 d o w sc e m i c r o s o f t 公司的w i n d o w sc e 系统是一个功能强大的、开放的、高效率的实 时多平台嵌入式操作系统。它在w i n d o w s9 5 平台的基础上从整体上为有限资源的 平台设计的多线程、完整优先权、多任务的操作系统。它适用于快速构建新一代 内存少、体积小的设备，如加工业控制器、手持式设备、智能电话和机顶盒等。 它能够满足3 2 位嵌入式程序开发的需求，同样重要的是w i n d o w sc e 使嵌入式的 设计者得以充分利用m i c r o s o f t 的3 2 位基于w i n d o w s 开发工具全部a p i ( 应用接 口函数) 。在最终用户端，w i n d o w sc e 的优点在于便携性、提供对微处理器的选 择以及非强行的电源管理功能。内置的标准通信能力使w i n d o w sc e 能够访问 i n t e m e t 并收发e m a i l 或浏览w e b 。w i n d o w sc e 特有的与桌面w i n d o w s 类似的用 户界面也使用户易于使用。从d r e a m c a s t 游戏机到大部分的掌上桌面电脑都采用了 w i n d o w sc e ，单其价格较高，也使整个产品的成本急剧上升【1 0 1 。 3 u c o s i i u c o s i i 嵌入式实时操作系统是j e a nj l a b r o s s e 开发的一个开源的、可移植、 可固化和可裁剪的抢先式多任务实时内核。它可以运行在大多数8 位、1 6 位、3 2 位甚至6 4 位微处理器上，目前已经在超过4 0 种不同架构的微处理器上运行。 最初的u c o s i i 是免费的，只包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存 管理和任务间的通信与同步等基本功能，而没有提供输入输出管理、文件系统和 网络之类的额外服务，但随着商业化的推进，目前u c o s i i 已经出现文件系统、 t c p i p 协议栈和用户显示接口等，随之u c o s i i 也转变为一个商业化的操作系统 i n o 4 l i n u x l i n u x 是一套免费使用和自由传播的类u n i x 操作系统，是由芬兰赫尔辛基大 第1 章绪论 学的学生l i n u s 研发的操作系统内核。l i n u x 的最终成型是与g n u ( g n u sn o t u n i x ，开源软件合作协议) 合作的结果，其中的程序开发完全遵循g p l ( g e n e r a l p u b l i cl i c e n s e ) 协议，这是最开放也是最严格的许可协议方式，该协议规定源码必 须可以无偿的获取并且修改1 2 1 。 l i n u x 最初主要用于服务器，但由于其优异的性能，使其具备了作为一个嵌入 式操作系统应有的特性而在嵌入式领域获得了飞速的发展。嵌入式l i n u x 的主要特 点如下：1 1 3 - - 1 4 】 ( 1 ) 可靠性与稳定性。嵌入式系统主要是面向应用的，要求有很高的可靠性与稳定 性，而l i n u x 在服务器上的稳定的表现也证明了其稳定性与可靠性。 ( 2 ) 多任务与实时性。嵌入式系统要求多任务和实时性，而l i n u x 本身就是一个优 秀的多任务实时操作系统。 ( 3 ) 可裁剪性和可定制。限于体积、资源和功耗等限制，嵌入式系统要求尽量的精 简，l i n u x 虽然是单内核的结构，但它独特的模块机制使其模块本身可以被裁剪， 并可以在需要时动态地加载和卸载，因此l i n u x 在应用于嵌入式系统时可以经过适 当的裁剪与配置来满足嵌入式系统的需求。 ( 4 ) 完善的网络功能。几乎所有的网络协议和网络接口都已经定制在l i n u x 中，而 且有很高的执行效率和吞吐量。 ( 5 ) 良好的硬件平台兼容性。l i n u x 可兼容x 8 6 、p o w e r p c 、a r m 、x s c a l e 、m i p s 等多种体系结构，它采用统一的机制对硬件进行管理，当从一个硬件平台移植到 另一个平台时只需改动底层结构。 1 3 国内外液晶显示系统的研究现状及发展趋势 1 3 1 液晶显示系统的研究现状 目前，液晶显示系统大致可分为三类： 1 以单片机为核心的显示系统 该系统将图像解码程序存储在p c 机上，通过p c 机完成解码后送到l c d 上 显示。这种显示系统对p c 机较为依赖，不易以它为基础构造便携式仪器，并且电 黑龙江大学硕士学位论文 | i i 路复杂，功耗高。2 0 0 5 年王泽兵利用单片机与u s b 接口设计了l c d 图文显示系 统，由于单片机内部接口不足，使电路结构较为复杂，并且只能显示图文1 1 5 】。2 0 0 7 年王胜设计的基于单片机的液晶显示模块可实现基本显示功能，但不能方便更换 图像信息，其信息存储能力也有限【1 6 1 。2 0 0 7 年刘树中，孙书鹰等设计的单片机和 液晶显示驱动器串行行接口旨在改良图像信息的传送速度，限于单片机的处理能 力而不能对图像效果进行有效调节u 7 1 。国外方面，正是由于单片机处理能力有限， 目前已经少有以单片机为核心来构造复杂的液晶显示系统，仅用来实现简单的界 面显示【1 8 1 。 2 以d s p 和f p g a 为核心的显示系统 利用d s p 强大的算法处理能力来实现图像解码和显示。其缺点是d s p 自带的 接e l 不多，需要很多外接的接口芯片，使电路复杂，功耗也难以降低【1 9 - 2 0 。2 0 0 6 年 陶涛，刘瑞友等设计的基于f p g a 的液晶显示控制器，使用点阵式液晶显示模块 l m 2 0 2 8 与f p g a 构造液晶显示系统，但限于f p g a 的片内资源不能很好的实现系 统集成【2 。2 0 0 6 年张红娜，胡荣强等设计的基于f p g a 的液晶显示系统则没有外 扩数据传输接口，不能方便的更换图像信息吲。美国的n a t i o n a li n s t u m e n t a 公司研 制了型号为n ic v s 1 4 5 6 紧凑型图像显示系统，它利用t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 型d s p 处 理器实现图像采集与处理。但是由于其不能嵌入操作系统，不能实现进程管理， 使其应用受限 2 3 】。基于d s p 或f p g a 的液晶显示系统虽能有效改善图像效果，但 是其自身所带接口较少，若要进行功能扩展，则需用外扩专业的接口芯片来是现， 这样使电路复杂，功耗也难以降低【砒6 1 。 3 以嵌入式微处理器为核心的显示系统 嵌入式处理器与其它处理器相比集成了丰富的硬件控制器，既不需要像d s p 那样扩展众多的硬件控制芯片，也不需要像f p g a 自主设计门电路，嵌入式处理 器通过内部集成的硬件控制器可以轻易扩展多种类型的存储设备、图像声音采集 设备、显示设备等，简化了硬件之间的连接，这样就降低了开发成本，有助于提 高系统的整体稳定性【2 7 2 9 。目前，嵌入式系统的主要特点是操作系统内核小，效 第1 章绪论 率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理，多任务，网络支 持，图形窗口以及用户界而等功能；具有大量的应用程序接口a p i ，开发应用程序 较简单，嵌入式应用软件丰引3 肛3 3 1 。在国内，2 0 0 6 年武秀文设计一款基于a r m 的图像处理系统，可以很好的完成图像处理及显示，但其选择的是w m d o w sc e 操 作系统，这是一种源代码不开放的操作系统，增加了开发成本p 4 ) 。2 0 0 7 年万水宝 等利用s 3 c 4 4 b o x 构建了l c d 控制器，但仅给出其控制器的驱动方法，没有实现 图像的显示1 3 5 1 。美国l e u t r e kv i s i o n 开发了一种基于p c 技术的液晶显示系统，可 外接各种摄像头，并能运行l i n u x 操作系统【3 6 】。c e al i s t 公司开发了一种应用在 汽车上的嵌入式传感图像显示系统，它是一种安全驾驶助手，可以实时检测到路 旁行人【3 7 1 。 1 3 2 液晶显示系统的发展趋势 液晶显示系统已进入全数字化时代，并朝着功能更强大，集成度更高的方向 发展。系统的高度集成化主要采取缩小面积，减少器件数量等措施【3 8 1 。液晶显示 系统功能体现为具有多种数据传输接口、高运行速度、大容量数据存储，及多进 程管理几个方面【捌。 嵌入式微处理器以其处理速度快，可靠性高，功耗低，并且软硬件可裁剪成 的优点，成为液晶显示系统的理楚h - - 一4 4 0 ) 。 嵌入式系统的另一个发展趋势是网络化，目前在这方面工作虽然才刚刚起步， 但随着i n t e r n e t 的发展以及i n t e r n e t 技术与信息家电，工业控制技术结合日益密切， 这一技术将会迅速发展。嵌入式设备与i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来 4 1 , - 4 2 o 1 4 论文主要研究内容 本文以液晶显示系统领域现阶段的技术为参考，设计并实现一种基于删内 核的嵌入式微处理器和嵌入式实时操作系统l i n u x 的传感图像液晶显示系统。该系 统通过u s b 摄像头采集图像信息并传送给嵌入式微处理器，然后将图像显示在液 晶屏上。 黑龙江大学硕士学位论文 本文就系统整体硬件平台设计和系统整体软件设计两个问题进行研究，主要 内容包括以下两个方面： 1 系统硬件平台设计 ( 1 ) 详细分析液晶显示系统的工作原理，建立液晶显示系统的结构模型。 ( 2 ) 根据系统需求，完成各电路模块的功能划分，确定系统的接口电路，并完 成电路设计，具体包括：电源电路，时钟电路，复位电路，串口电路，n o rf l a s h 电路，s d r a m 电路，l c d 接口电路，u s b 接口电路等。 2 系统软件设计 ( 1 ) 针对硬件平台，选用合适的b o o tl o a d e r 进行分析并完成移植。 ( 2 ) 根据硬件平台的功能，设计底层模块的驱动程序，其中针对本系统的驱动 主要包括l c d 的驱动和u s b 摄像头的驱动。 ( 3 ) 在l i n u x 系统下设计针对u s b 摄像头的图像数据采集程序，完成图像数据 的采集，并将数据送往f r a m e b u f f e r 完成显示。 ( 4 ) 针对系统功能，对l i n u x 内核进行裁剪与编译，然后完成操作系统的移植。 1 5 小结 本章首先论述了系统设计的目的及意义，然后详细的论述了嵌入式的发展现状 及发展趋势。在详细分析比较国内外液晶显示系统发展现状的基础上比较了各种设 计的优缺点并提出了自己的看法。最后简要概括了液晶显示系统的发展趋势及论文 的主要研究内容。 第2 章系统硬件部分设计 iii ii i 第2 章系统硬件部分设计 系统的硬件平台主要包括嵌入式微处理器、存储器jl c d 显示模块、u s b 模 块及相关外围控制电路。其功能是将u s b 摄像头采集到的图像数据传输到嵌入式 微处理器进行处理然后控制液晶显示屏显示实时采集到的图像。 2 1 系统总体结构 基于a r m 的传感图像液晶显示系统包括嵌入式处理器、l c d 模块、u s b 接 口模块、程序存储器、数据存储器以及电源等部分。系统的总体结构如图2 1 所示。 图2 1 系统总体结构框图 f i 醇一1t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h es y s t e m 2 2 嵌入式微处理器选择 微处理器是整个系统的核心，它既要完成对图像数据的采集与处理，又要完 成对相关外部设备的控制。本系统的外设包括液晶显示、u s b 接口、存储设备、 r s 2 3 2 接口及其驱动电路等。 根据以上分析，设计中选择$ 3 c 2 4 1 0 x 处理器，它是s a m s u n g 公司生产的一 款基于a r m 9 2 0 t 内核的嵌入式微处理器，它基于r i s c 机制，可工作于1 6 3 2 位 模式，主频达2 0 3 m h z 。a r m 9 2 0 t 内核主要由a r m 9 t d m i 、内存管理单：元；( m c r n o r y m a n a g e m e n tu n i t ，m m u ) 、高速缓存及协处理器组成。a r m 9 t d m i 的意义是：t ， t h u m b l 6 位压缩指令集；d ，支持片上d e b u g ( 调试) ，使处理器可停止以响应调 黑龙江大学硕士学位论文 试请求；m ，增强型m u l t i p l i e r ，与前代相比具有更强得性能且可产生3 2 位得结果； i ，e m b e d d e d l c e 硬件，可支持片上断点及观察点。m m u 主要用来管理虚拟内存。 高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 高速c a c h e 组成。a r m 9 t 内核包含两个内 部协处理器c p l 4 和c p l 5 ，其中c p l 4 用于调试控制，c p l 5 用于存储系统控制及 测试控制【7 j 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器得内部结构如图2 2 所示。 a r m 9 2 0 t i p a l 3 to l c 1 3 a r m 9 t d m i p r o c e s s o rc o r e ( i n t e r n a le m b e d d e di c e ) i n s t r u e t t o n c a c h e e x t e r n a i c o p r o c i n t e r f a c e d a t a c a c h e m i ：( b j a m b a b u s l f f m p 嚣at a g 产 i 。j 。1 一 r a ml 图2 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器内部结构框图 f i 9 2 - 2t h ei n s i d es l l a l e t u r eo fs 3 c 2 4 10 $ 3 c 2 4 1 0 x 的片上资源十分丰富，其集成功能主要包括：【7 】 主芯片采用1 8 v 供电，存储单元、外部i o 采用独立3 3 v 供电，带存储管理 单元m 7 ； 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) ； l c d 控制器，支持s t n ( s u p e rt w i s t e dn e m a t i c ) 、耵叮( t 型带触摸屏( t o u c h s c r e e np a n e l ，t s p ) 的液晶显示屏； 4 通道的d m a ( 带外部请求管脚) ； 3 通道的u a r t ，2 通道的s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ，串行外围借口) ； l 通道的多主机1 2 c ( i n t e r - l c ) 总线，l 通道的1 2 s ( i n t e r - i cs o u n d ) 总线控制器； 一 一 墨旷 伽| 加 茔一 删 i - 一 0 一a u 川 一m 啉 一d m 3 一 郇 一 俨广l d 第2 章系统硬件部分设计 i i s d ( s e c u r ed i g i t a lc a r d ) 主机、多媒体卡( m u l t i m e d i ac a r d ，m m c ) 接1 2 1 ； 2 通道的u s b 主机接口和1 通道的u s b 设备接口； 4 通道的p w m ( 砌s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 定时器和一个内部定时器； 看门狗( w a t c h d o g ) 定时器； 1 1 7 个通用i o 端口( g p l 0 ) 、2 4 个外部中断源； 电源管理：支持正常、慢速、空闲和掉电4 种模式； 8 通道的l o 位a d c 和触摸屏接口：$ 3 c 2 4 1 0 内部集成8 通道的1 0 位c m o s 模数转换器，最大转换速率为5 0 0 k s p s ，支持片上采样保持功能； 触摸屏接口提供4 个位置开关信号( n x p o n ，n y p o n ，x m o n ，订o n ) 和两 个模拟输入端( a i n 5 ，心 7 ) ，包括外部晶体管控制逻辑单元和a d c 接口 逻辑单元，并产生相应的中断信号； 带日历功能的r t c ( r e a lt i m ec l o c k ，实时时钟) ； 带p l l ( p h a s el o c k e dl o o p ，锁相环) 的片上时钟发生器。 $ 3 c 2 4 1 0 x 芯片的引脚分布如图2 3 所示。 图2 3 $ 3 c 2 4 1 0 的引脚分布图 f i 9 2 - 3p i nd i s t r i b u t i o no f $ 3 c 2 4 10 黑龙江大学硕士学位论文 2 3 系统各模块接口电路设计 2 3 1 系统时钟电路 本系统中有两路时钟输入，一路为处理器工作时钟，另一路为r t c 时钟。处 理器工作时钟为1 2m h z 的晶振，由s 3 c 4 4 1 0 的内部p l l 倍频至2 0 3 m h z 。r t c 时钟为3 2 7 6 8h z 的晶振。时钟电路如图2 - 4 所示。 ；一 i 一一 ，i ，生m ! + 队! ；t 。l r e 龇 啦一手： 了： 。+ 生垴一一一_ = ： 一一 - 。：， i - 掌- 泽= ，一0 一l ，! 一 ； ；，口i ，；m k 一 。 t v ： c ：l lt o ni l- - ， ；一； t 一。r ，一 一一- ；一一+ 一 一十， 1 + ：一 图2 - 4 系统时钟电路 f i 9 2 - 4c l o c kc i r c u i to fs y s t e m 2 3 2 串口电路 串口电路采用r s 一2 3 2 标准，它是电子工业协会( e t a ) 推荐的一种常用的串行 数据传输总线标准，采用9 芯或2 5 芯接口。在系统中，采用9 芯接口，通过r s 2 3 2 接口与上位p c 机通信来传送调试指令和显示调试信息。串口电路如图2 5 所示。 图2 - 5 串口通信电路 f i 9 2 - 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o nc i r c u i t 2 3 3n o rfla s h 电路 f l a s h 存储器是一种可电擦写、掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、 第2 苹系统硬件部分设计 大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程( 烧写) 和擦除等特点。作为 一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在 系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 有n a n df l a s h 和n o r f l a s h ，为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为3 3 v 【4 3 1 。 本系统的n o rf l a s h 采用a m d 公司的a m 2 9 l v l 6 0 d b ，容量2 4 m b 兼容。它 的工作电压是2 7 v 3 6 v 。采用4 8 脚t s o p 封装，1 6 位数据宽度，可以8 位字节 数据宽度工作。通过对其内部的命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 完成 编程、整片擦除、按扇区擦除以及其他操作。系统连接图如图2 6 所示。 一tj二- 一 一 一一- 。_ - 1 d q 0 一_ d q l - 。1一_ _ _ d c 2 i l 一_1 - - _ d q 3 i ： q 4 一 i ：) q 3 d 宅5 4 4d 。 - d q 7 一 _ _ - d c 8 d ( 9 d _ c 1 0 3 6d 1 1 一 _ - _ _ 一 _ 一一 d q l l 。 d q l 2 一 d q l 3 c 。q 1 4 - - - d 。q 1 5 2 苦1 h c ；c s e t z l l o 齑 l ，：f c 上卜 卜一 - 【二弩i y 1 d j _ j ；一士一 一亍- 一 - 一- 一 i 一一 j j 一 ； 一：，j 一； ； 。一 一 一一 一了r。- 二 - l 一 一j 广l 一 1 1 + _ _ 1 一中 l lii i 一j 一 一 | _ ； 图2 - 6 n o r f l a s h 电路 f i 薛一6t h e c i r c u i to fn o rf l a s h 2 3 4 系统复位电路 本设计中选取了专门的系统监视复位芯片i m p s l l s ，该芯片性能优良，可以 通过手动控制系统的复位，同时还可以实时监控系统的电源，使系统具有高效的 电源监视性能。若系统电源低于系统复位的阈值( 2 9 v ) ，i m p 8 1 1 s 芯片将会对系 统进行复位。系统复位电路如图2 7 所示。 黑龙江大学硕士学位论文 ，u i 2 ；： 二r ii 一1 l 一 n 旺锄 一芸黑_ 一_ 3 k ：= i 。；l 一 。j 厂 匕爿i ：i “”i r 1 0 0 ： f 一一i m 9 81 1 8 1 0 0 k 寺 ：。 ： 图2 - 7 系统复位电路 f i 萨- 7t h ec i r c u i tf o rr e s e t 2 3 5s d r a m 电路 s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器， 且具有读7 写的属性。当系统启动时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取启动代码 在完成系统的初始化后，程序代码一般调入s d r a m 中运行以提高系统的运行速 度，同时系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 本系统采用的是h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ，它为1 6 位数据宽度，单片容量 为8 m b ，工作电压3 3 v ：采用5 4 脚t s o p 封装，兼容l v l 几接口，适用于要求内 存密度大和高带宽的场合。s d r a m 电路如图2 8 所示。 图2 8s d r a m 电路 f i 9 2 8t h ec i r c u i to fs d r a m 第2 章系统硬件部分设计 2 3 6l c d 接口电路 l c d 主要用于显示文本及图形信息。它具有体积小、功耗低、无辐射及影像 稳定不闪烁等优点，常作为人机交互界面应用于许多电子应用系统中。 $ 3 c 2 4 1 0 x 处理器集成了l c d 控制器，它由传送图像映像数据的逻辑电路组 成，其主要功能是用于传输数据和产生控制信号。它支持屏幕水平和垂直滚动显 示，并其数据的传送可采用d m a ( 直接内存访问) 方式以加快数据传输速率，减 小延迟】。s 3 c 2 4 1 0 x 处理器的l c d 控制器主要部分框图如图2 - 9 所示。 s y g t e r a8 u l v c l k ，l c dh c u k v l i n e ，h s 甲n c ，c p v v f 卧m e ，v s y n c t s t v v m ，v d e n ，t p f l c d v f o l c c ) v f l l c a v f 2 v d z a ：g l 图2 - 9l c d 控铋器框罄 f i 9 2 9l c dc o n t r o l l o r v f r a m e 是l c d 控制器和l c d 驱动器之间的帧同步信号，它通知l c d 屏新 的一帧开始。l c d 控制器在一个完整帧显示后发出v f r a m e 信号。v l i n e 是l c d 控制器和l c d 驱动器之间的帧同步信号，l c d 驱动器通过它将水平移位寄存器中 的内容显示到l c d 屏上。v c l k 是l c d 控制器和l c d 驱动器之间的像素时钟信 号，l c d 控制器在v c l k 信号的上势沿发送信号，在其下降沿对数据进行采样。 v m 用于改变操作像素的行和列电压的极性。v d 2 3 ：0 提供数据传输端口【3 3 1 。l c d 控制器包含r e g b a n k ，l c d c d m a v i d p r c s ，t i m e g e n 和l p c 3 6 0 0 等控制 模块。r e g b a n k 中膏1 8 个可编程魏寄存器组，用于设置l c d 控截器。 l c d c d m a 是一个专用的d m a ，它自动的将帧缓冲区中的数据发往l c d 驱动 器，使显示数据可以不需要c p u 的干预，而通过专用的d m a 自动的发送到屏幕 黑龙江大学硕士学位论文 上。v i d p r c s 接收l c d c d m a 发送过来的数据井转换为合适的数据格式，然后 通过v d 2 3 ：0 发送到l c d 驱动器。t m i e g e n 包含可编程逻辑用于支持不同 l c d 驱动器对时序以及速率的需求。v f r a m e ，v l i n e ，v c l k ，v m 等控制信 号由t i m e g e n 产生。在l c d 控制起的3 3 个输出接口中有2 4 个用于数据输出， 9 个用于控制，如表2 - 1 所示。 裹2 - l $ 3 c 2 4 1 0l c d 控制器输出接口说明 t a b l e 2 - 1t h eo u t p u ti n t e r f a c ed e s c r i p t i o no f l c dc o n t r o l l e ri a $ 3 c 2 4 1 0 输出接口信号描述 v f r a m e n s y n c 培t v 帧同步信号( s t n ) ，垂直同步信号( t f t ) ，s e c t 阿信号 v l i n e ，h s y n c 虻p v 行同步信号( $ y n ) ，水平同步信号( t f t ) $ e c t f t 信号 v c l k l c dh c u