（计算机应用技术专业论文）基于arm9的远程网络图像监控研究与设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第- i 页 摘要 近年来，随着嵌入式系统、网络以及图像等技术的迅速发展，嵌入式网 络与视频相结合的数据通信手段成为一个重要的发展方向，它可以充分利用 现有网络资源，方便地接入到i o m i o o m 以太网中，从而部分取代早期采用的 c a n 总线、r s 一2 3 2 或r s 一4 8 5 总线组网方式。 基于删处理器的嵌入式远程网络图像监控技术，给远程监控应用提 供了一个更加简单、方便、小巧的实现手段，广泛应用于多种场合。 本论文研究和设计了一种基于$ 3 c 2 4 1 0 芯片和嵌入式l i n u x 的远程网络 图像监控系统，包括系统硬件板的设计、v i v i 的编译与移植、l i n u x 操作系 统的移植等软件开发。该系统能够实现网络视频功能，并能采集多种格式图 片。该系统可以满足用户对简单远程监控信息获取的需要。 论文首先进行了系统的硬件系统设计。硬件系统主要由两部分组成，首 要部分是$ 3 c 2 4 1 0 及其存储器部分，包括必要的辅助电路。存储器部分包括 6 4 m b s d r a m 、6 4 m b 的n a n df l a s h 和2 m b 的n o rf l a s h 。s d r a m 作为操作系统 内核及应用程序运行的空间，f l a s h 用作存储引导程序( b o o t r o m ) 、l i n u x 操 作系统映像和应用程序等。其他部分是外围接口电路，包括串口电路、u s b 接口电路、以太网数据交换电路、j t a g 接口电路等。- 论文还研究了l i n u x 内核，移植了v i v i 和l i n u x 操作系统，编写了b m p 格式的图片采集程序，并移植了网络视频程序、图片采集程序s p c a c a t 到嵌 入式系统。 关键字删；l i n u x ；$ 3 c 2 4 1 0 ；v i v i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ， a l o n gw i t he m b e d d e ds y s t e m ， n e t w o r ka sw e l la sp i c t u r e t e c h n o l e g ed e v e l o p e dq u i c k l y ，e m b e d d e dn e t w o r kc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n dt h e v i d e ou n i f i e dh a sb e c o m ea ni m p o r t a n td e v e l o p m e n td i r e c t i o n i tm a y f u l l yu s et h e e x i s t i n gn e t w o r kr e s o u r c e s ， c o n v e n i e n t l yt u r n so ni nt h e1 0 m 1 0 0 me t h e m e t ， t h u sp a r t i a l l ys u b s t i t u t e sf o rt h ec a nb u s ， r s 2 3 2b u so rt h er s 4 8 5b u s n e t w o r kw a yw h i c ht h ee a r l yt i m eu s e s t h et e c h n o l o g yo fa r mb a s e dr e m o t en e t w o r ks u p e r v i s i n g a p p l i e sam o r e s i m p l ec o n v i e n ts m a r tw a yt ot h ea p p l i c a t i o no fr e m o t em o n i t o r i n g ， w i d e l y a p p l i e st ot h em a n yk i n d so fs i t u a t i o n s r n l i st h e s i ss t u d i e da n dh a sd e s i g n e do n ek i n do fr e m o t en e t w o r ks u p e r v i s i n g b a s e do nt h es 3 c 2 4 10c h i pa n de m b e d d e dl i l l u x i ti n c l u d eh a r d w a r es y s t e m b o a r dd e s i g n ，v i v ic o m p i l ea n dt r a n s p l a n t ，l i n u xo p e r a t i n gs o f t w a r es y s t e m d e v e l o p m e n ta n ds oo nt r a n s p l a n t t 1 1 i ss y s t e mc a nd i s p l a yv i d e o w h i c hc a p t u r e d b yc a m e r ao nn e ta n dc a nc a p t u r ep i c t u r ei nm a n yf o r m a t t l l i ss y s t e mm a ys a t i s f y t h eu s e r ss i m p l en e e do ft h es i m p l er e m o t em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n s t h ep a p e rf i r s ti n t r o d u c e dt h es y s t e mh a r d w a r es y s t e md e s i g n t h eh a r d w a r e s y s t e mm a i n l yi sc o m p o s e db yt w op a r t s ，m o s ti m p o r t a n tp a r t i a li ss 3 c 2 4 10a n d i t sm e m o r yp a r t ， i n c l u d i n gt h ee s s e n t i a la u x i l i a r yc i r c u i t m e m o r yp a r tc o n t a i n 6 4 m bs d r j m 、6 4 m bn a n d f l a s ha n d2 m bn o d a s h s d ramt o o kt h e o p e r a t i n gs y s t e me s s e n c ea n dt h ea p p l i c a t i o np r o c e d u r em o v e m e n ts p a c e ，f l a s h s e r v e sa st h em e m o r y v e c t o r i n gp r o c e d u r e ( b o o t r o m ) ，l i n u xd o c u m e n t sa n ds o o no p e r a t i n gs y s t e mi m a g ea n da p p l i c a t i o np r o c e d u r e t h eo t h e rp a r t sa r et h e p e r i p h e r yi n t e r f a c ee l e c t r i cc i r c u i t s ，i n c l u d i n gs e r i a lp o r t se l e c t r i cc i r c u i t ，u s b i n t e r f a c ec i r c u i t ， e t h e m e td a t ae x c h a n g ec i r c u i t ，j t a gc i r c u i t ，a n ds oo n t h ep a p e rh a sa l s os t u d i e dt h el i n u xk e r n e l ，t r a n s p l a n t e dv i v ia n dt h el i n u x o p e r a t i n gs y s t e m ，b u i l tt h eb m p - f o r m a tp i c t u r ec a p t u r ep r o g r a m ，t r a n s p l a n t e d t h en e t w o r kv i d e op r o g r a ma n d p i c t u r ec a p t u r ep r o g r a ms p c a c a tt oe m b e d d e d s y s t e m k e y w o r d s ：a r m ，l i n u x ，$ 3 c 2 4 1 0 ，v i v i 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校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。本人授权西南交通大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密团，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：吁融 日期：沙谬年0 7 月叫日 指导教师签名：耀岛亩椎 日期：撕g 年臼7 月乙f 日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 嵌入式远程网络图像监控系统的研究背景 1 1 1 嵌入式系统的定义 国内一般定义是 以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。 根据i e e e ( 国际电气和电子工业协会) 的定义： 嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器的设备和装置 。这主 要是从应用方面定义的，从中还可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体， 还可以覆盖机电等附属装置。 北京航天航空大学的何立名教授的定义： 嵌入式系统是嵌入到系统中的专用计算机系统。“嵌入性 、“专用性”、 与“计算机系统 是嵌入式系统的三个基本要素【l 】。 1 1 2 嵌入式技术的发展及嵌入式系统的广泛应用 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段，第一阶段是以单芯片为核心的 可编程控制器系统；第二阶段是以嵌入式c p u 为基础、以简单操作系统为核 心的嵌入式系统；第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统；第四 阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统。嵌入式系统的核心部件是各种类型 的嵌入式处理器【2 1 嵌入式系统的商品化操作系统在7 0 年代后期才出现，许多是用汇编语言 写成的，并且只能用于特定的处理器，更换新处理器，它的操作系统就必须 更新以适应新的系统。当c 语言出现时，操作系统编写的效率、稳定性、可 移植性都有了很大的提高。这一点在管理上立刻表现出来，它为微处理器被 淘汰时保护软件投资带来了希望。对于市场来说这是一个好消息。用c 语言 写成的操作系统今天越来越普遍。一般来说，可重复使用的软件已经占了主 导地位并越做越好。 目前，嵌入式设备几乎涉及到了生活的角角落落，包括电子玩具、m p 3 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 m p 4 、s o h o 路由器、p d a 、手机、机项盒、汽车电子、电磁炉、数码相机等。 1 1 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统最本质的特点有三个：嵌入性、专用性和计算机体系。嵌入 式系统的特点可总结为以下几点：【3 】 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的，嵌入式c p u 与通用型的最大不同 就是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功 耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集 成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强， 跟网络的耦合也越来越紧密。 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行 业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资 金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余， 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器 的选择更具有竞争力 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体 产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5 为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在 存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6 嵌入式系统本身不具备自我开发能力，即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行 开发。 嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相 结合才会有生命力，它具有很强的专业性，必须结合实际需求进行合理的裁 减利用，他必须根据应用需求对软硬件进行裁减，满足应用系统的功能、可 靠性、成本、体积等要求 1 1 4 嵌入式设备的联网技术 随着现场总线技术的发展，尤其是工业以太网的日渐兴起，嵌入式设备 能够直接上网并接受控制，己成为技术发展的一种必然趋势，加上以太网的 广泛覆盖和接入点的不断增长，利用以太网网络资源实施远程监控也成为可 能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 目前实现嵌入式控制设备联网的方案有【4 j ： ( 1 ) 将一个小的w e b 服务器作为r t o s ( 嵌入式实时多任务操作系统) 的一 部分，使现场设备具有w e b 功能。 ( 2 ) 采用高速微处理器，如d s p 等，在单片机系统上实现w e b 功能。 ( 3 ) 片上系统s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 是当前电子技术发展热点，也是嵌入 式系统发展的一种最新形式。 1 1 5 嵌入式远程监控国内外现状 远程监控是国内外研究的前沿课题，国内外都展开了积极的研究。斯坦 福大学和麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代远程监控诊断示范 系统，这个系统得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、b o e i n g 、 i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合，最后这些公司共同推出 了一个实验性的系统t e s t b e d 。t e s t b e d 用嵌入式w e b 组网、用实时j a v a 和 b a y e s i a nn e t 初步形成在i n t e r n e t 范围内的信息监控和诊断推理。 许多大公司也在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如b e n t l e y 公司 的计算机在线设备运行监测系统d a t a m a n a g e r 2 0 0 ，可以通过网络动态数据交 换( n e t d d e ) 的方式向远程终端发送设备运行状态信息； n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司也在它的产品l a b w i n d o w s c v i 以及l a b v i e w 中 加入了网络通讯处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络范围 内进行监控数据的传送【5 1 。 目前国内嵌入式和网络视频相关的研究正处于快速成长期。虽然目前市 场上也有不少产品，如网络摄像机，网络视频服务器，d v r 等，适合于较大 的企业和学校等单位使用，但能够以较低的成本和较低的功耗走入千家万户 还需要很长的时间，用户对嵌入式产品的网络化的要求还处于初级阶段，用 户需求不够迫切。 1 2 嵌入式远程图像监控研究的意义 本系统研制的嵌入式远程网络图像监控系统功能主要有二点：第一、通 过w e b 服务器和网络视频采集应用程序实现网络视频功能；第二、通过专门 的抓图程序，控制摄像头采集3 p e g 、y u v y 、y u u l 、g r e y 、g b r g 、s n 9 c 、g b r g 、 b m p 格式的图片，其中b m p 格式图片能通过网络控制采集。 本系统的结构主要包括以下几个部分：摄像头( 图像采集) 、处理器、 f l a s h ( 存储程序代码) 、以太网部分( 完成网络传输) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 随着互联网的大面积覆盖，网络图像监控已经渗透到教育、政府、娱乐 场所、医院、酒店、运动场馆、城市治安、家庭等多种领域。网络图像监控 已经显示出它独有的优势： 凡是有网络的地方就能构建，从而节省了布线、线路维护费用。 可直接通过i n t e r n e t i n t r a n e t ( 企业内部网) 进行网络通信、数据交 换，实现远程组态、参数修改等。 对于使用者来说，网络监控还不受时空的限制。 现场设备通信速率和通信信道的利用率大大提高。 一个基于l i n u x 操作系统的嵌入式系统组成如下图1 1 ： 图1 - 1 基于l m u x 系统的嵌入式系统构成 m c u 和外围电路构成整个系统的底层物理部分，b u s y b o x 系统或者 e m b e d e dq t 是用户最终面对的接口。 1 3 系统设计的目标及主要工作 本论文的研究目标： 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 研究设计并制作$ 3 c 2 4 1 0 硬件系统，这是研究的基础，在系统的研究中 有着很重要的地位；在成功调试硬件系统的基础上，移植v i v i 和嵌入式 l i n u x ，移植网卡c s 8 9 0 0 a 驱动，编写并移植应用程序。 远程控制系统设计中的主要工作： 1 3 1 硬件方面 独立完成$ 3 c 2 4 1 0 系统的硬件原理设计( 包括以太网接口，串口，u s b 接口等) 。 实现硬件的p c b 板设计，独立完成电路布线设计，元件焊接，硬件 板的各接口的调试。 1 3 2 软件方面 移植v i v i 。 在对l i n u x 系统内核实时调度进行分析的基础上，完成了嵌入式 l i n u x 操作系统的内核裁剪和移植，并完成了初始盘与l i n u x 内核的 整合。 完成了c s 8 9 0 0 a 驱动移植。 完成了应用程序的编写和移植。 1 3 3 论文内容简介 整个论文分为5 章，分别介绍如下： 第1 章绪论，论述本文的研究背景、意义、及毕业论文的工作和目标。 第2 章系统硬件设计和调试，介绍系统的各硬件电路模块，进行分析与 测试，并提供了测试信息。 第3 章v i v i 移植，在分析了v i v i 的功能机制基础上移植了v i v i 。 第4 章l i n u x 的移植，在比较了几种嵌入式操作系统后，对所选用的 l i n u x 作了较详细的介绍和分析，完成了l i n u x 的内核配置和i n i t r d 盘的制 作、内核和i n i t r d 盘的整合。 第5 章应用程序的编写和移植，主要介绍了b m p 格式图片采集程序的 功能、流程和主要数据结构以及主要函数；网络视频程序的移植和其他格式 图片采集程序的移植。 最后，全文总结，并展望未来工作的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章系统硬件设计和调试 2 1 主控芯片的选择 应用系统的设计，一是尽最大可能满足系统的需求，二要考虑到应用系 统的性能和成本。系统关键不在于如何确定这个系统的结构组成，而在于如 何高效快速地实现各个功能模块，对用户来说不仅能满足需求还要有较高的 性价比，对开发商来说要有竞争力就必须开发周期短、上市快、成本低。具 体到某个设计，需要根据用户需求选择各个功能模块的最佳核心芯片、系统 的最佳存储方式和最佳控制方式，尤其是主控芯片和重要外设芯片的选择。 这是设计阶段要走的第一步，也是最重要的一步。如果这一步没走好，那么 很可能导致后面的工作特别麻烦。为了提高主控芯片与外围芯片的接口性能， 最好选用与主控芯片同一生产厂家的外围芯片【6 j 。 本系统中的主控芯片通常需要具备以下几个基本条件： 高速处理能力 高速数据通道 网络接口 专用的或可直接外接的音视频接口 为满足以上条件，系统采用了s a m s u n g 公司生产的a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器是s a m s u n g 公司基于a r m 公司的a r m 9 2 0 t 处理器核， 采用0 1 8 p r o 制造工艺的3 2 位微控制器。该处理器拥有：独立的1 6 k b 指令 c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 、m m u 、支持t f t 的l c d 控制器、n a n d 闪存 控制器、3 路u a r t 、4 路d m a 、4 路带p w m 的t i m e l 7 、i o 口、r t c 、8 路1 0 位a d c 、t o u c hs c r e e n 接口、i i c b u s 接口、i i s b u s 接口、2 个u s b 主口、1 个u s b 从口、s d 主机和m m c 接口、2 路s p i 。$ 3 c 2 4 1 0 处理器最 高可运行在2 0 3 m h z 【丁l 。 2 2 系统的结构与原理 本设计的系统总体来说硬件主要核心板、底板组成，下面分别来介绍： 核心板主要由$ 3 c 2 4 1 0 处理器、6 4 m bn a n df l a s h ( k 9 f 1 2 0 8 ) 、2 m bn o r f l a s h ( s s t 3 9 v f l 6 0 1 ) ，6 4 m b 内存( 2 片m 5 7 v 5 6 1 6 2 0 ) 组成。底板的接口 采用2 0 0 引脚的内存插槽，引出了数据总线、地址总线、i i c 接口、s p i 接口、 西南交通犬喀硕士研究生学位论文第7 页 i i s 接口、j t a g 接口、u s b 接口等c p u 的输入输出口线。 底板主要由u s b 接口电路、网络接口电路、j t a g 口、电源电路，复位电 路等组成，下面将分别介绍，其系统结构框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 系统结构框图 2 3 硬件设计 2 3 1 电源电路设计 在本系统的绝大多数芯片使用3 3 v 电源，如s 3 c 2 4 1 0 核心板， h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 等，但有部分电路用到5 0 v ( u s b 部分) 和1 8 v ( $ 3 c 2 4 1 0 核电 压) 。本设计中采用5 v 的直流电源输入，由一个5 v 2 5 a 专用直流电源产生 5 0 v 的稳定电压输出，再由l m l l l 7 3 3 低压差电压调节器得到3 3 v 的稳定 电压输出，由l m l l l 7 1 8 低压差电压调节器得到1 8 v 的稳定电压输出。2 个发光二极管分别表示电压输入正常3 3 v 电压、1 8 v 电压正常。一个大电 容1 0 pf 和一个小电容1 0 0 n f 并联起来使用，大电容抑制低频干扰，小电容 抑制高频干扰，以得到较稳定的线性电压输出。具体如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ；。，。；。：。；。，。，。，二，。；。，。，一。二。，二。；，。二。，。：一。一i i 一 一 e l i ： ，嘞r ? 即中脚州r 峄删咖栅时中”坤冲吖宁一一 般， 啦v ：； 3 证髓掰 3 ：2： 1 辅面 沲e ：巷搬 ，、e l l = = c 1 0 i o 订l o 吁 1 = = s m 。个黝j ： r 皿1 1 7 e l o i 陋：，n 一 ； 班j i | ； ：j ： j 3 匝释， 强寸 +： i 1 强e ，酋嚣 l ， 1 。；。，i 一j- a - - - c 1 1 ”，、l ；一： ， ，、1 7 = _ - c 1 9 l o o 峦：1 匹 趣1 1 7 1 0 订 1 | 0 2 1 r ；： r 豢l i d 薹o j ：f 惑 , i ) d r t c _ | 。一? 曩 。： ，i 、? ； ；。+ ； ，；。 一 4+ll， d 2l d l 7 - j 一”】 ，厂i 。厂l ， ；d i o d e ； d i o d e ； 。 y 7 ；b y l 5 ，t -l l j a r r m z i ；i 。_ _ ；l 图2 - 2 系统电源模块电路原理图 2 3 2 复位电路设计 $ 3 c 2 4 1 0 的复位信号n r e s e t 为低电平有效信号，要求复位信号脉宽必 须大于4 f c l k 。系统采用由r c 电路构成的典型复位电路产生复位信号，为 了保证复位电路的可靠地工作，常在r c 电路后接施密特电路，本系统接的 是7 4 h c l 4 施密特反向器，此时的复位信号是高电平，而s b c 2 4 1 0 复位信号 是低电平有效，所以再接个7 4 h c l 4 施密特反向器产生低电平复位信 号，r e s e t 信号为高电平有效，用于c s 8 9 0 0 a 复位。系统电路图如图2 3 ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 3 系统复位电路原理图 该电路产生复位信号的t 计算公式为 t = io k 10 u = 10 0 m s 4 f c l k 2 3 3j t a g 接口电路设计 j t a g 是j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 的简称，i e e e l1 4 9 1 这个标准一般也称 为j t a g 调试标准【】o 】，主要用于芯片内部测试及系统进行仿真、调试。j t a g 是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了t a p ( t e s ta c c e s sp o r t ，测试访 问接口) ，通过专用的j t a g 测试工具对内部节点进行测试。$ 3 c 2 4 1 0 内部集 成有j t a g 单元，标准的j t a g 接口是四线：t m s 、t c k 、t d i 、t d o ，分别 为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入、测试数据输出，系统通过j p l 3 插座将$ 3 c 2 4 1 0 的该四信号引出。 通过t a p 接口，对数据寄存器( d r ) 进行访问的一般过程如下： 1 通过指令寄存器( r ) 选定一个需要访问的数据寄存器； 2 把选定的数据寄存器连接到t d i 和t d o 之间； 3 由t c k 驱动，通过t d i 把需要的数据输入到选定的数据寄存器中去； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 同时把选定的数据寄存器中的数据通过t d o 读出来。 j t a g i c e 接口电路如图2 4 所示。 图2 - 4 j t a g i c e 接1 2 1 电路原理图 2 3 4 系统时钟 。 s 3 c 2 4 1 0 可以使用外部晶振或外部时钟输入作为系统时钟，外部晶振频 率范围是1 0 m h z 2 0 m h z 。系统采用了1 2m h z ：夕b 部晶振，将s 3 c 2 4 1 0 的o m 2 、 o m 3 引脚接为低电平( 即设置o m 3 ：2 = 0 0 b ) 将s 3 c 2 4 1 0 外部时钟输入 引脚e x t c l k 接为高电平( 3 3 v ) ，禁止外部时钟输入。这样通过s 3 c 2 4 1 0 内部的锁相环，将时钟倍频至2 0 0m h z ，作为处理器的主时钟( f c l k ) 。 $ 3 c 2 4 1 0 还具有一个独立时钟源、独立电源供电的r t c ( 实时时钟) ，所 以要在s 3 c 2 4 1 0x t o r t c 、x t i r t c 引脚上接上3 2 7 6 8 h z 的石英晶振。系统时钟 电路如图2 5 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 5 二 2 3 5 串行接口电路 图2 - 5 系统时钟原理图 几乎所有的微控制器，p c 都提供串行接口，使用美国电子工业协会( e i a ) 推荐的r s 2 3 2 c 接口标准，这是一个很常用的串行数据传输总线接口标准。 早期被用于计算机和终端通过电话线和m o d e m 进行远距离的数据传输，随 着微型计算机和微控制器的发展，不仅在远距离，近距离也采用了该通信方 式。在近距离的通信中不采用电话线和。m o d e m ，而是直接进行端到端的连 接。 r s 2 3 2 c 标准采用的是9 芯或是2 5 芯的d 型插头，9 针串口各个引脚 定义如表2 2 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 表2 - 2r s 2 3 2 - c 引脚定义和描述 引脚 名称功能描述 1d c d 数据载波检测 2r x d数据接收 3t x d 数据发送 4d t r 数据终端准备好 5g n d 接地 6d s r 数据设备 7 l u s 请求发送 8 c t s 清除发送 9 r i 振铃指示 要完成基本的串行通信功能，只需要r x d 、t x d 和g n d 即可，由于 r s 2 3 2 一c 标准所定义的高、低电平和$ 3 c 2 4 1 0 系统的l v t t l 电路所定义的 高、低电平信号完全不同，t t l 的标准逻辑“1 ”对应2 3 3 v 电平，标准 逻辑“o ”对应0 - - 0 4 v 电平，而r s 2 3 2 c 标准采用负电平逻辑方式，标准 逻辑“1 ”对应3 v 一- 1 5 v 电平，标准逻辑“o 对应+ 3 1 5 v 电平。两者通信 就必须通过电平转换，我们这里采用m a x 3 2 3 2 c s e 芯片，其中t x d 0 、r x d 0 、 n r t s 0 、n c t s 0 信号接$ 3 c 2 4 1 0 芯片，由芯片内部控制单元对r s 2 3 2 接口进 行控制，r s t x d 0 、r s r x d 0 、r s r t s 0 、r s c t s 0 接j 1 插口，供与外界r s 2 3 2 总线连接。 设计中的串行电路图如图2 - 6 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 图2 - 6 串行口的电路原理图 2 3 6u s b 接口电路 u s b 的英文全称为u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，中文含义是通用串行总线， 它是一种快速的，双向的，同步传输的廉价的并可以进行热拔插的串行接口。 u s b 接口使用方便，它可以连接多个不同的设备，而过去的串口和并口只能 接一个设备。速度快是u s b 技术的突出特点之一。全速u s b 接口的最高传输 率可达1 2 m b s ，比串口快了整整1 0 0 倍，而执行u s b 2 0 标准的高速u s b 接 口速率更是达到了4 8 0 m b s ，这使得高分辨率、真彩色的大容量图象的实时 传送成为可能。p 1 1 ) 、u s b 主机端口( u h p ) u s b 主机端口在主机应用中与u s b 连接。它处理开h c i 协议( 开主机控制 器接口) 及u s bv 2 0 全速与低速协议。它还给a s b 提供简单的读写协议。 u s b 主机端口集成一个根集线器，并在下游端口集成收发器。它提供几 个半双工高速串行通信端口，速率为1 2m b i t s 。最多可连接1 2 7 个u s b 器 件( 打印机、照相机、鼠标、键盘、硬盘等) ，而u s b 集线器可使用“分 层星型”布局与u s b 主机连接。 u s b 主机端口控制器与开h c i 规范完全兼容。标准o h c iu s b 堆栈驱动器 可以相同的方式轻松进入a t m e l 已有的无硬件规范的驱动结构中。 这意味着标准分类驱动是自动检测并可在用户应用中使用。例如，集成 h i d ( 人机接口设备) 类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 驱动器对所有u s b 键盘与鼠标提供即插即用功能。 u s b 主机端口主要特性如下： 与开h c ir e v1 0 规范兼容 与u s bv 2 0 全速及低速规范兼容 支持低速1 5m b p s 与全速1 2m b p s 的u s b 设备 有两个下游u s b 端口的根集线器 内置u s b 收发器( 收发器数目由产品决定) 支持电源管理 在a s b 总线上作为主机工作 u s bu h p 器件控制器连接电路原理图如图2 - 7 所示。 、i i7 d 】3 5 v ； 札7 1 姘；n g ：； ；：i v y 一； ：i “ y ，r i 旷 i 1 ；一 u s n 0 ，： v p o 。r 5 ；，4 ，i t ，v d b j i l la 115 _i i ； 2 5 。v d d 5 v ； 。 ：1 ； u s d l 泓o v ，3i 。 p i 酗协j 一d e n t l 7 r 6 a ：l b v k 7 u s b 电路原理图 u s b 主机端口逻辑自动检测器件连接，因此d p 与d m 上必须有下 阻。否则u s b 主机将一直检测该端口器件连接。 、u s b 器件端口( u d p ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 u s b 器件端口( u d p ) 适用于通用串行总线( u s b ) v 2 0 全速器件规范。它为 a t m e l 的与a r m 7 t d m i 与a r m 9 t d m i 内核连接的内置u s b 收发器设计。 每个端点可配置为几种u s b 传输类型中的一种。它可与双端r a m 的一 段或两段联合用来存储当前数据有效负载。若使用两段，一个d p r 段由处理 器读、写，另外一个d p r 段则由u s b 器件外设读、写。对于同步端点强制 使用该特性。因此器件工作于有两d p r 段端点时，保持最大带宽 ( 1 m 字节s ) 。 u s b 器件自动检测挂起与恢复，通过出现中断来停止处理器。某些产品 中可利用外部信号唤醒u s b 主机控制器发送。 u d p 主要特性如下： 与u s bv 2 0 完全兼容， 1 2m b s 内置u s bv 2 0 全速收发器 r t l 中端点数目与大小全参数化 端点内置双端r a m 挂起恢复逻辑 用于同步与批端点的p i n g p o n g 模式( 2 存储器组) 。 2 3 7i o m 1 0 0 m 以太网接口电路 系统选择了c i r r u sl o g i c 公司的c s 8 9 0 0 a 为网络的物理层芯片，该芯片 包括片上r a m 、l o b a s e - t 传输和接收过滤器，并提供8 位和1 6 位两种接口， 其独特的p a c k e tp a g e 结构可以自动适应网络通信量模式的改变和现有系统 资源，从而提高系统效率。 该芯片内部集成了8 0 2 3 介质访问控制器( m a c ) 和物理层接口( p h y s i c a l l a y e r ，p h y ) 两大部分，8 0 2 3 介质访问控制块支持全双工模式，完全依照 i e e e8 0 2 3 以太网标准( i s o i e c 8 8 0 2 3 ，1 9 9 3 ) 【9 j ，它负责处理有关以太网 数据帧的发送和接收，包括：冲突检测、帧头的产生和检测，c r c 校验码的 生成和验证。该芯片是一个单芯片全双工的i e e e 8 0 2 3 以太网解决方案，片 内集成了用于完成以太网电路所必需的所有模拟和数字电路。 通过$ 3 c 2 4 1 0 的低1 6 位数据总线和低2 0 位地址总线进行扩展，片选引 脚为n g c s 3 ，占用b a n k 31 2 8 m 的存储空间，a n e 地址使能引脚和n c h i p s e l 片选引脚都接n g c s 3 引脚。n s b h e 高字节使能引脚接l n w b e l 引脚。i n t r q o 中断引脚接e i n t 9 外部中断引脚。n m e m r 和n m e m w 为m e m o r y 访问模式的读 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 写使能引脚；n i o r 和n i o w 为1 6 b i ti o 访问模式时的读写使能引脚，分 别接n o e ，n w e 引脚。在系统以太网接口电路中的信号发送和接收端通过r j 4 5 接口接入传输媒体。另外，系统能够正常工作还必须外接一个2 0 m h z 的晶振。 2 3 8s d r 蝴电路 $ 3 c 2 4 10 采用2 块3 2 m bs d r a m ( h y 5 7 v 5 6 16 2 0 ( 3 2 m b ) ) 构成6 4 m b 的r a m 存储电路，l d a t a 0 ：1 5 接第一块s d r a m ，l d a t a 1 6 ：3 1 连接第二 块s d r a m ，片选信号为n g c s 6 ，n w e 为写使能信号，s c l k 为时钟，s c k e 为时 钟使能，n s p , a s 和n s c a s 为行地址和列地址信号。如图2 8 所示： 图2 8s d r a m 电路原理图 2 3 9n a n df l a s h 电路 系统采用6 4 m b ( k 9 f 1 2 0 8 ) n a n df l a s h 芯片存储器，1 0 0 ：7 与$ 3 c 2 4 1 0 数据线l d a t a 0 ：7 连接，片选信号为n f c e 接s 3 c 2 4 1 0 的n f c e 信号， r e 和w e 分别为读使能和写使能为分别接$ 3 c 2 4 1 0 的n f r e 和n f w e 信号；a l e 为地址锁存使能信号接$ 3 c 2 4 10 的a l e 信号，c l e 为命令锁存使能信号接 $ 3 c 2 4 1 0 的c l e 信号；w p 为写保护信号，低电平有效，这里接高电平将电 平拉高，禁止写保护。如图2 - 9 所示： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 9n a n df l a s h 电路原理图 2 4 硬件系统的调试与测试 硬件调试是嵌入式系统开发过程中的重要环节，据统计数字，电路工程 师开发一个项目，电路调试会占去总开发时间的2 3 ，这足以说明硬件调试 的工作量之大，实际应用中，硬件调试与软件调试是密不可分的，但是如果 硬件调试通不过，软件调试无从做起，我们采取的方法是先排除明显的硬件 故障，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。调试时，数字万用表是最 好的帮手，可以缩短排错时间，此处先可以借助仿真开发装置、示波器等工 具。下面分别对嵌入式核心板和底板的各个单元模块的调试作出说明。 2 4 1 电源、晶振及复位电路的测试 我们使用的是1 2 m h z 的有源晶振，焊接和调试都比较简单，确保电压为 3 3 v ，有源晶振第4 脚输出端经过阻尼电阻后，即有波形产生，可以用示波 器观察到频率为1 2 m h z 的方波，此信号是$ 3 c 2 4 1 0 的外部时钟输入，复位电 路的调试也需要借助示波器，注意上电瞬间，先出现一个下拉信号，然后恢 复正常输出。 2 4 2 $ 3 c 2 4 1 0 核心板测试 本系统c p u 是核心板的形式，而核心板采用的是2 0 0 引脚的内存插槽，这 给我们的调试带来了很大的不便，核心板首先要检测的是晶振输入脚，是否 有1 2 1 i f f l z 送进，检测电压引脚是否有3 3 伏的电压，全部检查完毕以后，可 以开始上电，此时用示波器测量数据线，应该不断有数据波形，具体功能， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 还须与其他模块配合。 2 4 3 串口调试 串口芯片我们是用m a x 3 2 3 2 e ，完成信号电平的转换。该芯片的焊接比较容 易，不会遇到大的困难。我们只需要借助示波器测量l v r l 的输出标准逻辑“1 时r s - 2 3 2 - c 应该输出一5 一1 5 v 电平，l v t t l 的输出标准逻辑“0 ”时 r s 一2 3 2 - c 应该输出+ 5 + 1 5 电平。 2 4 4j t a g 接口电路的测试 在不使用仪器的情况下，可以使用a r m 的调试代理软件进行测试，测试 时目标板需要连接好j t a g 电缆，并需要上电。最后打开a r m 调试代理软件并 选择w i g g l e r 方式，会提示检测到$ 3 c 2 4 1 0 信息。 2 4 5l o l o o m b p s 以太网接口电路的测试 在目标板上和网络接口相关的有二个l e d 指示灯，分别表示l i n