基于ARM与大容量NANDFLASH的GNSS数据采集系统设计与实现

1、编号： 毕业设计说明书题 目：基于arm与大容量nandflash的gnss数据采集系统设计与实现 院 （系）： 专 业： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2010年 5月 14日 xxx大学毕业设计（论文）报告用纸 第 4 页 共 4 页摘 要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以及各个行业的具体应用相结合后的产物。它可以根据应用需求对软硬件进行适当裁剪,以满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积等的需求。作为一种新兴的嵌入式risc微处理器,arm微处理器目前已经成为嵌入式系统中应用最为广泛的微处理器

2、。它支持thumb(16位)/arm(32位)双指令集,能很好的兼容8位/16位器件,具有小体积、高性能、低成本、低功耗等特点。gps定位导航技术与计算机技术的融合在近几年来现代信息通信领域内发展迅速。本文设计开发了一款基于arm处理器与gps接收模块的gnss数据采集系统。本系统是gps定位技术与嵌入式技术合起来电子定位系统。 本文首先论述了系统的工作原理,分析了如何实现基于arm处理器定位数据采集系统的设计方案。在此基础上,构建了满足数据采集系统功能需求的软、硬件平台,以及软件平台中数据采集、数据处理、数据存储、文件系统的制作以及上位机功能模块的组织结构等。其次，设计实现了gps模块与ar

3、m处理器的通信功能、人机交互的控制功能。各模块的设计包括接口驱动程序和应用程序两部分。通信功能模块中,gps模块实时接收gps定位卫星数据,并通过rs-232接口向处理器传输数据；处理器处理数据并进行存储；人机交互的功能模块中,实现了在lcd上显示基本定位信息。 最后，测试了系统各模块的功能,给出了系统的实现结果,根据测试结果分析了系统设计中的不足,并提出了对系统未来改进目标的设想。本系统采用的是现成的硬件平台，所以要做的工作主要是软件编程方面。关键字：arm；gps；str710；nand flashabstractembedded system is an special outcome

4、combined by advanced calculator technique, semi-conductor technique and electronics technique. it can prune software and hardware flexiblely according to the application required. so far, it has been extensively applied in social life.as a kind of 16/32 bits risc microprocessor, the microprocessor o

5、f arm has high performance, low cost and low power. so it has become one of the most extensively used embedded microprocessors.gps positioning technology and the computer technology develope rapidly in the field of modern information and communication in recent years. this paper designes a gnss data

6、 acquisition system based on an arm processor and a gps receiver. systems environment of development is an hardware platform which based on an arm microprocessor. it is an electronic positioning systems.which combines with the gps positioning technology and the embedded technology.the main contents

7、of the thesis are follows:1.the basic principle of the system are analyzed and studies how to implement an arm processor-based positioning data acquisition system. on this basis, establish a data collection system to meet the functional requirements of software and hardware platforms, including the

8、hardware platform composed of modules and connections, and software platform data acquisition, data processing, data storage, file system and pc production modules organization structure. 2. designing and implementing the gps module and the arm processor communication function, interactive control f

9、unctions. the design of each functional module interfaces and peripherals including two parts of the driver, the application. in communication module, gps receives real-time gps positioning satellite data, and transfer data to the processor through rs-232 interfaces ; processor processing data and s

10、torage; human-computer interaction function module, the lcd displays basic positioning and navigation datas 3. testing the functions of each module, and gives the results, then propose future improvements to the system goal of vision according to test results of the system. the system uses the exist

11、ing hardware platform, so the main work to be done in software programming.key words: arm;gps;str710;nand flash目 录引言11 系统概述12 硬件模块介绍22.1 gps oem 板22.2 微控制器32.3 外部存储器42.4 lcm42.5 电源稳压器53 软件方案论证53.1 开发平台选择53.2 文件系统选择63.3 通信方式选择64 软件设计64.1 下位机软件设计64.1.1串口驱动模块74.1.2 nand flash模块94.1.3文件管理模块144.1.4显示模块22

12、4.1.5上-下机命令处理模块234.1.6 gps数据解析模块234.2 上位机软件设计254.2.1开发环境264.2.1串口编程方案264.2.2工作流程274.2.3命令发送模块284.2.4数据接收模块284.2.5文件接收与处理模块285 软件调试285.1 串口模块调试285.2 液晶显示模块295.3 nand flash 驱动程序调试305.4 下-上位机通信接口调试305.5 上位机调试315.6 综合调试316 测试结果分析317 结论33谢 辞34参考文献35附 录36 xxx大学毕业设计（论文）报告用纸 第44页 共43页 引言嵌入式系统的开发已经进入32位时代，当前

13、数字信息技术和网络技术高速发展，嵌入式系统己经广泛地渗透到科学研究、交通运输、工程设计、军事技术、消费类电子产品以及人们的日常生活等方面中。全球定位系统(gps)的出现对人类活动产生极大影响，具有极高的应用价值。它从根本上解决了人类在地球上的导航和定位问题，可以满足各种不同用户的需要。将嵌入式系统与gps的结合，必将得到广泛的应用，而且具有较高的实用价值。全球定位系统(global positioning system, gps)是美国国防部为了满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的要求而建立的新一代卫星导航系统。是美国继阿波罗登月和航天飞机之后的第三大空间工程. 该系统从1

14、973年开始设计研制，在经过了方案论证、系统试验后，于1989年开始发射工作卫星，1993年全部建成并投入使用。gps系统的组成可分为：（）空间卫星星座部分（）地面监控部分（）用户设备部分。前两部分是用进行定位的基础，用户只有借助于用户设备才可达到定位的目的。 本文深入探讨如何实现基于arm 和大容量nand flash 的gnss数据采集系统。首先介绍了系统概况，包括硬件开发平台选型和软件方案论证；接着详细分析了各硬件模块的驱动程序开发；下位机中数据采集、处理、存储和上位机中数据的处理；最后进行了总结并提出改进意见。1 系统概述gnss(global navigation satellite

15、 system)数据采集系统主要包括gps模块、微处理器模块、nand flash存储模块、显示模块等。系统结构图1.1所示：图1.1 系统结构框图其中gps模块主要负责数据的接收，微处理器模块负责数据的处理，存储模块负责gps数据的存储，显示模块负责显示gps定位信息，键盘模块负责设定gps参数。系统的工作原理大致为：gps模块通过串口向主机模块发送接收到的gps数据，系统解析收到的gps数据，并将解析后的数据以一定的格式显示在液晶模块12864上；同时系统以特定的文件格式存储接收到的gps数据。上位机软件可以下载存储在下位机里面的gps数据文件以便做进一步的分析和研究。系统设计中采用的硬件

16、平台包括gps主板和系统板，这两块板都是采用现成的开发板，因此所要做工作就是软件编程。2 硬件模块介绍2.1 gps oem 板由于gps oem 板是gnss数据采集系统的必需模块，是后续所有工作的前提和基础，因此gps oem 板的正确选型十分重要。对于gps oem板的选型考虑的主要是通道数，精度和价格。目前市场上的gps的品牌和种类很多，但大多数为代工生产，核心技术掌握在国外少数厂家手中。本系统采用的是csi-hc12a,即新月-hc12a。新月hc12a是合众思壮公司在2006年正式推出的一款gps oem 模块。该模块是一款12通道接收机，采用了最新的asic芯片和coast等专利

17、软件算法，同时具有20he的原始数据、定位数据更新率，信标接收功能，差分基准站/移动站，l-dif,e-dif,1pps/event marker 等多种功能，代表了当前gps行业的最新技术趋势。该板的性能指标如下：单频12通道；l1载波输出；waas功能；原始数据更新率：20hz；定位数据更新率：20hz；数据接口：3个全双工3.3v cmos； 1个usb接口；支持数据格式：nmea 0183； slx binary； rtcm sc-104； 自有差分格式(l-dif)；定位精度：单机:2.5米 (2drms)dgps:0.5米(2drms)l-dif:0.2米(2drms)e-dif:

18、1.0米(2drms,30分钟)冷启动时间：60秒热启动时间：20秒最大速度：515米/秒最大高度：18,288米2.2 微控制器微控制器是控制的核心，微控制器选型的好坏直接影响了硬件设计、制作和软件编程的难度。本系统采用的微控制器是意法半导体arm7系列中的16/32位risc处理器str710fz2t6芯片，该芯片强大的实时处理能力和丰富的外围接口非常适合嵌入式系统的开发，本系统正是基于该芯片的这些特点面设计的。str710fz2t6是片上集成flash和ram的微控制器系列。它基于高性能的arm7tdmi内核，拥有丰富的外设和的i/o功能；拥有非复用的16位数据和24位地址总线，可以支持

19、4个16mb的外部存储器段。str710fz2t6是完全针对当今嵌入式系统的新需求而设计，并且成本极低。它拥有丰富的flash,ram等片上存储资源，集成了当今最大的外设集合，被设计成多种不同的封装，并提供完整，高效的开发工具和库函数，帮助嵌入式工程师缩短系统开发时间。该处理器的特点如下：可选的外部存储器str710f（144脚）拥有非复用的16位数据和24位地址总线，可以支持4个16m的外部存储器段（bank）。为了支持多种存储器类型（flash, eprom, rom, sram等）来存储代码和数据，用户可以对每个外部存储器段（bank）分别设置它们的等待状态。灵活的电源管理为了减小功耗，

20、用户可以根据系统当前情况，通过编程配置str71x系列微控制器进入slow、wait for interrupt、stop或者standby等模式。can接口str710f和str712f 片上集成can控制器模块。can模块提供can 2.0 接口，其位传输率可达到1m波特率。usb接口str710f和str711f集成片上usb device控制器，支持全速（12mb/s）usb2.0接口，能提供16个双向端点（endpoint）和32个单向端点，支持批量传输及usb挂起/唤醒（suspend/resume）功能。标准定时器4个定时器，每个定时器有一个带有7位预分频比例因子的16位计数器，

21、至多两个输入捕获、输出比较功能，一个脉冲计数功能及一个带可选频率的pwm通道。实时时钟（rtc）实时时钟提供一组连续运行的计数器，这些计数器由低功耗的32khz的振荡器驱动。rtc可作为通用的基准时间（timebase）使用，也可用于时钟、日历或报警。当str71x在standby模式下，rtc可以继续工作，此时，rtc由低功耗电源稳压器供电，32khz振荡器驱动。异步串行接口（uart）4个uart允许实现与外部设备的全双工异步通信，其接收rx和发送tx的数据传输率可单独编程设置，最高可达625kb/s。hdlc接口高级数据链路控制器（hdlc）支持全双工操作和nrz、nrzi、fm0或ma

22、nchester协议。内部含一个8位的波特率生成器。a/d转换器该模拟/数字转换器，能在单次（single-shot）模式或持续转换模式下实现单通道或4通道的转换。采样率为0.5khz（在单通道模式下1khz）的情况下，分辨率可达12位。采样电压范围为02.5v。看门狗定时器16位的看门狗定时器，用于保护应用程序，防止硬件或软件错误，通过产生复位信号确保成功复位。i/o端口48个输入/输出端口可编程设置为输入或输出。外部中断最多有14个外部中断可被用户使用，或利用这些外部中断将系统从stop模式唤醒下载接口为jtag接口，不仅方便程序的下载而且也有助于系统的调试。2.3 外部存储器外部存储器主

23、要用于存储gps数据信息，对容量有一定的要求，不能太小。外扩的存储器为nand型flash k9f2808uoc。k9f2808uoc是一个含有4m位备用容量的128m位flash存储器，它的vcc为3.3v，其 nand单元为固态海量存储器市场提供了最低成本的方案。528 字节的页编程操作时间为 200us ，16k字节的块擦除操作时间为 2ms。页面的数据以每个字 50ns 的速度被读出。i/o 管脚可用作地址线，数据输入/输出口以及命令输入口。片内写控制自动实现所有编程和擦除功能，包括脉冲的周期，内部校验和数据冗余。主要需要写操作的系统也可利用 k9f28xxu0c的100k可靠的编程/

24、擦除周期 通过提供实时描述算法得出的特性来实现。 2.4 lcm本系统采用的lcm是ym12864,ym12864i是一种图形点阵液晶显示器。 它主要采用动态驱动原理由行驱动控制器和列驱动器两部分组成了128(列)64(行)的全点阵液晶显示。此显示器采用了cob的软封装方式，通过导电橡胶和压框连接lcd,使其寿命长，连接可靠。由于本课题中只需要在lcd上显示一些定位信息，比如时间，日期，经纬度等，因此对液晶的要求不高，ym12864完全满足要求。2.5 电源稳压器系统需要+5v、+3.3v两组电源。其中5v电源需要的电流最大。整个电源包括整流滤波、+5v稳压、+3.3开关稳压、3部分组成。降压

25、开关稳压器采用的是降压型dc/dc转换器lt1976。这是一款高效的，适合本系统特点的电源稳压器。特点如下：140oc 的最高结温宽输入范围：3.3v 至 60v1.5a 峰值开关电流突发模式工作：静态电流为 100ua低停机电流：iq rxbufr; /从接受缓冲区读一个字节if(brbyte != %) pcdatapcdataindex+ = brbyte; /如果接收到的字符不是结束字符，放入缓冲区 else pcdatapcdataindex = 0; uart0-ier &= 0x0100;/禁止接受中断 flag_pcdata = 1;当接收到一个完整的命令后，先暂时禁止串口0接

26、收中断，等处理完这条命令后再打开串口0接收中断。这样能防止命令丢失或得到的命令不完整。串口1的中断处理函数为void uart1_irqhandler(void)，串口1是用于接收gps主板发来的数据，数据格式为：$gprmc,074529.82,a,2429.6717,n,11804.6973,e,12.623,32.122,010806,w,a*08具体代码如下：void uart1_irqhandler(void) u8 brbyte; uart_bytereceive(uart1, &brbyte, 0xff); if(flag_showcommand = 1) uart_bytese

27、nd(uart0,&brbyte);/在上位机显示命令反馈信息 if(brbyte != 0x0d)/数据是否为结束符，如果不是放入数据缓冲区 gpsdatagpsdataindex+ = brbyte; else /数据是结束符，在数据末尾添加回车、换行 uart1-ier &= 0x0100;/禁止接受中断flag_end = 1; gpsdatagpsdataindex+ = 0x0d;/回车 gpsdatagpsdataindex = 0x0a;/换行 4.1.2 nand flash模块系统中外扩的nand flash 用于存储接收到gps数据。这部分主要做的工作就是nand fla

28、sh驱动程序的编写。nand flash 的物理结构比较特殊，不同于nor flash位读写，nor flash具有sram的接口，有足够的引脚来寻址，可以很容易的存取其内部的每一个字节。而nand flash是使用复杂的i/o口来串行存取数据。8个引脚用来传送控制、地址和数据信息。nand的读和写单位为512byte的页，擦写单位为32页的块。k9f2808u0c存储容量为132 mb，其中主数据区为128 mb，辅助数据区为4 mb，工作电压为2.73.6 v,i/o端口宽度为8 b。片内写控制自动实现编程和擦除所有功能，包括内部校验、脉冲的周期和数据冗余。芯片的存储空间是按照块和页的概念

29、来组织的，一个芯片分为1 024个块，每个块有32页，每一页有528 b。528 b中分为512 b的数据区和16个字节的空闲区，空闲区用于存放ecc代码、坏块信息和文件系统相关代码。一个528 b的数据寄存器作为数据缓冲单元，用来实现i/0缓冲和存储器之间的数据传输。使用nand型flash的关键技术之一是存储空间的管理。samsung公司的nand flash存储器有一些初始无效块(包含一个或多个坏位的存储块)，制造商不保证这些块的可靠性。nand flash容许成品中有坏块存在，这是采用nand技术所特有的现象。坏块的存在并不影响有效块的性能。但是，系统级的设计必须能够用地址映射把这些坏

30、块屏蔽掉。芯片在出厂时，除保存坏块信息的区域外，其他部分一律被擦除(值为0xff)，对坏块的读操作是允许的，但不推荐进行写和擦除操作，以免由于结构方面的原因使邻近的块也失效。系统设计时必须根据初始的坏块信息识别出坏块，并建立坏块列表。进行写或擦除操作时将欲操作块的地址与坏块地址表的地址相比较，若是坏块则应跳过。为了提高存储空间的效率，单个位数据错误引起的读写失败都可以用ecc(校错和纠错)方法处理。芯片在使用过程中，可能有新坏块的产生，为了系统的可靠性，必须对此情况加以考虑。在数据写入或块擦除操作后，如果读状态寄存器出现错误，则表示块内有坏页存在，也即表明此块已坏，因为块内坏页的存在并不影响其

31、他页的读写，这时可采用块替换操作来把页内有用数据转移到其他空闲块内，并把坏块信息存入坏块表中。主要实现的函数有 nand flash 的初始化、读、写和擦除4个函数，下面分别介绍。nand flash 的初始化函数主要是设置相关引脚的属性和配置emi控制器，代码如下：void nandflash_init(void) int id;gpio_config(gpio2, 0x0008, gpio_out_pp);/p2.3/cs3-cegpio_config(gpio2, 0x0020, gpio_out_pp);/p2.5/a21-clegpio_config(gpio2, 0x0010, g

32、pio_out_pp);/p2.4/a20-wpgpio_config(gpio2, 0x0040, gpio_out_pp);/p2.6/a22-aleemi_config(3, emi_enable |emi_waitstate(4)|emi_size_8);/使能bank3 插入5个等待周期,8位宽度nand flash 的读函数void readpage(unsigned int block,unsigned int page,unsigned char *ppage)是读取 nand flash 内的数据。三个参数分别为块号、页号和存放读取数据的缓冲区，本函数是以页为单位读取的，读取

33、流程图如图4.2所示：图4.2 nand flash 读操作流程图函数代码如下：void readpage(unsigned int block,unsigned int page,unsigned char *ppage)int k; page &= 0x1f;/取page的第五位，因为每块有32页，即用五位二进制表示 unsigned int blockpage = (block8) & 0xff;/块地址for(k=0;k3;k+);/延时fc_data;/读数据waitrb;/检测当前状态是否为忙for(k=0;k512;k+)*ppage+=nand_io; /读512个字节wp(1

34、);/取消写保护nand flash 的写函数int writepage(unsigned int block, unsigned int page,unsigned char *ppage)以页为单位写数据。三个参数分别为块号、页号和要写入数据的缓冲区，程序流程图为图4.3：图4.3 nand flash 写操作程序流程图函数代码如下：int writepage(unsigned int block,unsigned int page,unsigned char *ppage) u16 blockpage;u8 *source = ppage;unsigned int len = 512;p

35、age &= 0x1f;/取page的第五位，因为每块有32页，即用五位二进制表示block &= 0x3ff;/限制块地址在1024之内blockpage = (block8)&0x7f;/块地址waitrb;/检测当前状态是否为忙fc_data;/写数据while(len-)nand_io=*source+;fc_cmd;/使能命令锁存nand_io = 0x10; /自动编程命令fc_cmd;/使能命令锁存nand_io=0x70;waitrb;/检测是否编程结束if(0x01&nand_io) /flash 编程失败return 1;elsereturn 0; /flash 编程成功w

36、p(0);/使能写保护fc_inactive;/禁止flashnand flash 的块擦除函数int erase_cluster(unsigned int cluster)，其中参数cluster为要擦除块号，擦除是以块为单位进行擦除的。程序流程图如图4.4所示：图4.4 nand flash 擦除操作流程图代码如下：int erase_cluster(unsigned int cluster) unsigned int blockpage = (cluster8)&0xff;块地址fc_cmd; /使能命令锁存nand_io = 0xd0;/写擦除命令d0hwaitrb;/ 检测当前状态是

37、否为忙fc_cmd;/使能命令锁存nand_io = 0x70; fc_data;if (nand_io & 0x1) /擦除失败fc_inactive; uart_stringsend(uart0,(u8*)$);return 1; else /擦除成功fc_inactive; uart_stringsend(uart0,(u8*)#);return 0;wp(0);/使能写保护对于nand flash 的读写其实可以寻址到页内的每一个字节，是通过三个地址即列地址、页地址、和块地址以及上下半页地址实现的。只是实际读写时采用以页为单位读写比较方便。4.1.3文件管理模块在软件方案论证中已经论述

38、，本系统的文件管理系统是根据本课题需求和硬件特点编写的，没有采用现有的文件系统，如fatfs，fat16，fat32，yaff2等。该文件系统的主要功能包括文件的flash格式化，文件系统的初始化，文件的创建，读，写，删除等基本操作，但没有实现目录的创建功能。它主要分为3个模块：驱动接口模块，数据组织结构模块，应用层模块。 驱动接口模块驱动接口模块主要是由若干个nand flash 读、写、擦除等基本驱动函数组成，这些驱动函数已经在nand flash 模块中分析过，这里不再累述。 数据组织结构模块文件管理指的主要是以文件的形式管理nand flash 内部的数据信息。对于整个flash有个与

39、之对应的文件信息结构体，它包含文件的总数，文件的总容量，存储介质的剩余空间和一个文件结构体数组。如下所示：typedef _packed struct u8 filenum;/文件总数 file fileindexfilecount;u32 allfilesize; /所有文件大小 单位byteu32 freesize;/剩余空间 单位bytefsinfo;其中的结构体数组file fileindexfilecount 中的每一个元素是一个具体的文件，file也是一种结构体类型，包括每个文件的大小，创建时间，起始页地址，块地址等如下：typedef _packed struct u32 fil

40、esize; /文件大小 单位bytetime filetime;/文件创建时间u16 block_begin; /起始块地址 u16 block_end; /结束块地址 u8 page_begin; /起始页地址 u8 page_end;/结束页地址file;其中的time是一个时间结构体，用来指定该文件的创建时间：typedef _packed struct u16 year;/年 u8 month;/月 u8 day; /日u8 hour;/小时 u8 minute;/分钟 u8 second;/秒time;那么每次运行程序是怎么加载这些文件信息的呢？首先看一个文件系统的初始化函数u8

41、fs_init(void)，该函数用来初始化文件系统，得到flash内部的文件信息，代码如下：u8 fs_init(void) readpage(0,0,fsinfocache); nandfileinfo = (fsinfo*)fsinfocache; return 0;函数很简单，但却很有技巧性。readpage(0,0,fsinfocache)函数是从flash的第0块，第0页读取上次程序运行时存储的文件信息，不过读取出来的信息是字符串格式的，怎样将这些信息加载到fsinfo结构体中呢？先看fsinfocache，该变量是一个全局型字符串变量，它的大小和fsinfo结构体的大小相同，定义如下：u8 fsinfocachefsinfo_size;当上一次保存的文件信息读入fsinfocache后