【正文】 第 11講 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 2022年 2月 4日星期五 2 第一章 嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作 ? 2022年開始從事嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究工作 ? 項(xiàng)目支持： ? 嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用研究， 2022，廣東省教育廳， 5萬元 ? 嵌入式智能水文信息采集網(wǎng)絡(luò)控制器的研究， 20224，廣東省水利廳， 10萬元 ? 基于移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的網(wǎng)絡(luò)通用控制器的研究， 2022，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目， 20萬元 ? 基于嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的水利信息化智能測(cè)控器的研究， 2022，東莞市科技計(jì)劃項(xiàng)目 ， 15萬元 ? 基于嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)智能控制器的研究， 2022，廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目， 50萬元 ? 基于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)的嵌入式 RFID控制器的研究， 2022，廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目， 55萬元 ? 項(xiàng)目參加研究生： 3屆 ? 基于嵌入式 uClinux的測(cè)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的研究， 2022，仲兆峰 ? 基于 ARM與 uC/OSII嵌入式系統(tǒng)的研究與應(yīng)用， 2022，唐其偉 ? 基于 QTE的嵌入式工業(yè)網(wǎng)絡(luò)控制器的系統(tǒng)開發(fā)與研究， 2022，許星 ? 嵌入式水文信息采集智能終端的研究與設(shè)計(jì)， 2022，劉 澤 建 ? 基于嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn) ,2022，周珊珊 2022年 2月 4日星期五 3 ? CPU ? Motorola公司生產(chǎn)的 32位 RISC結(jié)構(gòu)的 MCF5272微處理器 ? ARM9核的主頻最高達(dá)到 203MHZ的 S3C2410微處理器 ? 操作系統(tǒng) ? uClinux ? uC/OSII ? Embedded Linux 2022年 2月 4日星期五 4 項(xiàng)目完成情況 s p i 接 口I / O 擴(kuò) 展 模 塊/6 4 M S D R A MI O 模 塊5 V 電 源G P R S 模 塊S 3 C 2 4 1 0 XA R M 9 2 0 T1 2 M 晶 振J T A G 接 口以 太 網(wǎng) P H YR J 4 5 以 太 網(wǎng)接 口R S 2 3 2 接 口L C D觸 摸 屏U S B 接 口 1 6 M N A N D F L A S H現(xiàn) 場(chǎng) 總 線 協(xié)議 轉(zhuǎn) 換 接 口完成的功能 2022年 2月 4日星期五 5 項(xiàng)目領(lǐng)域 ? 1。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)控制器 ? 2。水文信息采集系統(tǒng) ? 3。 RFID網(wǎng)絡(luò)控制器 ? 4。嵌入式移動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù) 2022年 2月 4日星期五 6 系統(tǒng)實(shí)物圖 2022年 2月 4日星期五 7 系統(tǒng)需求及硬件總體方案設(shè)計(jì) ? 系統(tǒng)需求 一般水文信息采集系統(tǒng)包括多個(gè)水文數(shù)據(jù)采集站，它承擔(dān)的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、傳輸各采集站的水位、流量、日降水量、水庫(kù)水位、入庫(kù)流量、蓄水量等信息，實(shí)現(xiàn)水文信息采集和長(zhǎng)期存儲(chǔ)的數(shù)字化處理，并將實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)通過嵌入式控制器經(jīng) GPRS空中接口接入無線網(wǎng)絡(luò)，并由移動(dòng)服務(wù)商轉(zhuǎn)接到 Inter，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理中心工作站，其功能框圖如圖 21所示。 2022年 2月 4日星期五 8 ? G P R S 通 信 模 塊主控制器I O 模 塊水文傳感器1執(zhí)行器1水文傳感器nI n t e r n e tW A N數(shù)據(jù)中心監(jiān) 控 中 心其 他 用 戶?T C P / I P G P R SC o n n e c t i o n?執(zhí)行器n圖 21 嵌入式水文信息采集系統(tǒng)框圖 2022年 2月 4日星期五 9 要研究和設(shè)計(jì)的嵌入式控制器需滿足以下幾個(gè)方面的技術(shù)要求： 1．控制器應(yīng)具有數(shù)字量、模擬量 I/O讀寫功能，能很好地讀取底端的水文信息采集傳感器 (如流量計(jì)、水位計(jì)等 )的數(shù)據(jù)并能控制各執(zhí)行器動(dòng)作； 2．控制器應(yīng)具有現(xiàn)場(chǎng)水文信息實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)查詢的功能； 3．控制器應(yīng)具有良好的有線和無線通信的功能，能將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器； 4．控制器應(yīng)具有很好的實(shí)時(shí)處理能力，將得到的水文數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后分組打包，按照設(shè)定的協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)中心。 2022年 2月 4日星期五 10 系統(tǒng)硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)方案 ? 通常的嵌入式設(shè)備的硬件架構(gòu)是以嵌入式微處理器為核心，通過 CPU擴(kuò)展接口以及平臺(tái)硬件的支持，把眾多的外設(shè)單元集到整個(gè)系統(tǒng)中，并通過CPLD等邏輯轉(zhuǎn)換器件和其它硬件電路完成對(duì)外設(shè)模塊進(jìn)行讀寫和控制操作。 本智能終端采用了 S3C2410X處理器，利用S3C2410X出色的內(nèi)核性能和豐富的外部接口構(gòu)造一個(gè)嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)，其硬件框圖如圖 22所示。 2022年 2月 4日星期五 11 ? 圖 22嵌入式水文信息采集智能終端硬件構(gòu)架 s p i 接 口D C / D C 轉(zhuǎn) 換6 4 M S D R A MI O 模 塊5 V 電 源G P R S 模 塊1 6 MN A N D F L A S HS 3 C 2 4 1 0 XA R M 9 2 0 T1 2 M 晶 振J T A G 接 口以 太 網(wǎng) P H YR J 4 5 以 太 網(wǎng)接 口R S 2 3 2 接 口L C D觸 摸 屏U S B 接 口2022年 2月 4日星期五 12 ? 各部份基本功能如下： 1．處理器采用 S3C2410X，該芯片基于 ARM920T 內(nèi)核，采用五級(jí)流水線和哈佛結(jié)構(gòu)，提供 IPS/MHz 的性能，是高性能和低功耗的硬宏單元。 2．電源電路為 5V到 、 DCDC轉(zhuǎn)換器，給 S3C2410X及其他需要 。 3．采用 12MHz晶振為 S3C2410X芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，通過 S3C2410X芯片內(nèi)部集成的時(shí)鐘控制邏輯可以產(chǎn)生系統(tǒng)所需的不同頻率的時(shí)鐘信號(hào)。 4． NAND FLASH存儲(chǔ)器存放 Bootloader、嵌入式操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和其它在系統(tǒng)掉電后需要保存的用戶數(shù)據(jù)等。 5． SDRAM存儲(chǔ)器作為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的主要區(qū)域，系統(tǒng)及用戶數(shù)據(jù)、堆棧均位于 SDRAM存儲(chǔ)器中。 6． 1OM/1OOM以太網(wǎng)接口為系統(tǒng)提供以太網(wǎng)接入的物理通道，通過該接口 ,系統(tǒng)可以 10M或 1OOMbps的速率接入以太網(wǎng)。 7． JTAG接口可對(duì)芯片內(nèi)部的所有部件進(jìn)行訪問，通過該接口可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試、編程等。 8．系統(tǒng)通過一個(gè) RS232串口接一 GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸功能。 9．系統(tǒng)通過 SPI接口擴(kuò)展 IO模塊，負(fù)責(zé)數(shù)字量和模擬量的輸入輸出。 2022年 2月 4日星期五 13 系統(tǒng)硬件電路詳細(xì)設(shè)計(jì) ? 基于 GPRS的嵌入式水文信息采集智能終端主要分為兩部分來設(shè)計(jì)，一部份為核心板，另一部分為擴(kuò)展板，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是兩塊板可分別調(diào)試，高頻和低頻分離，核心板做成 6層板而擴(kuò)展板可做成 2層板，這樣可大大節(jié)省成本 ,其原理框圖如圖 23所示。 2022年 2月 4日星期五 14 圖 23 嵌入式水文信息采集智能終端核心板原理圖 圖 23 嵌入式水文信息采集智能終端核心板原理圖 C P U S 3 C 2 4 1 0 X6 4 M S D R A M1 6 M F L A S H外 部 晶 振接擴(kuò)展板接口2022年 2月 4日星期五 15 核心板硬件設(shè)計(jì) ? CPU S3C2410X功能概述 S3C2410X是基于 ARM920T內(nèi)核的，最大工作頻率能達(dá)到 203MHz；可支持基本的外設(shè)接口，如彩色 TFT LCD、 USB、 IIC、 IIS、 SPI、 UART等，并支持 MMC和 SD等標(biāo)準(zhǔn)的外部插卡。 S3C2410X能支持 NAND FLASH啟動(dòng)，具有很高的性價(jià)比，另外 S3C2410X在市場(chǎng)上已有很多成熟的應(yīng)用，因此作者選用了 S3C2410X作為基于 GPRS的嵌入式水文信息采集智能終端的應(yīng)用處理器，下面是對(duì) S3C2410X功能的簡(jiǎn)要說明： S3C2410X芯片是韓國(guó)三星電子公司推出的一款基于 ARM920T內(nèi)核的 16/32位 RISC嵌入式微處理器，作為 S3C2410X芯片的 CPU內(nèi)核， 16/32位ARM920T RISC微處理器采用 CMOS標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)。 ARM920T內(nèi)核由 ARM9TDM1存儲(chǔ)管理單元 (MMU)和高速緩存三部分組成。其中 MMU可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的 16KB地址和 16KB數(shù)據(jù)高速 Cache組成。 S3C2410X芯片集成了一個(gè) LCD控制器 (支持 STN和 TFT液晶顯示屏 )、 NAND FLASH控制器、 SDRAM控制器、 3個(gè)通道的 UART、 4個(gè)通道的 DMA， 4個(gè)具有 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )功能的計(jì)時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、 8通道的 10位 ADC。S3C2410X還有很多豐富的外部接口，如觸摸屏接口、 I2C總線接口、 I2S總線接口、兩個(gè) USB主機(jī)接口、一個(gè) USB設(shè)備接口、兩個(gè) SPI接口、 SD接口和MMC卡接口。在時(shí)鐘方面 S3C2410X也有突出的特點(diǎn)，該芯片集成了一個(gè)具有日歷功能的 RTC(實(shí)時(shí)控制 )和具有 PLL(MPLL和 UPLL)的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。 MPLL產(chǎn)生主時(shí)鐘，能夠使處理器工作頻率最高達(dá)到 203MHz。這個(gè)工作頻率能夠使處理器輕松運(yùn)行 WinCE, Linux等操作系統(tǒng)以及進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。 2022年 2月 4日星期五 16 FLASH接口電路設(shè)計(jì) ? 本設(shè)計(jì)中設(shè)定數(shù)據(jù)寬度為 32位 ,而在 ARM中希望字單元的地址是字對(duì)齊的 ,這就要求地址的低兩位為 0，即地址為 0B00，因此在連接SDRAM和 FLASH時(shí)要使其地址低兩位 A[0:1]為0。 FLASH采用三星的 KM29U128T， FLASH在實(shí)際中主要用 nFWE、 nFOE、 ALE、 CLE、nFCE等的控制信號(hào)，電路圖如圖 24所示。 2022年 2月 4日星期五 17 圖 24 NAND FLASH接口電路圖 ? ? 圖 24 NAND FLASH接口電路圖 2022年 2月 4日星期五 18 SDRAM接口電路設(shè)計(jì) ? 在本系統(tǒng)中采用兩片 32M現(xiàn)代海力思的 SDRAM芯片 HY57V561620擴(kuò)展成 64M， S3C2410X對(duì)于 SDRAM的控制信號(hào)有 nSRAS、 nSCAS、nSCS[1:0]、 DQM[3:0]、 SCLK[1:0]、 SCKE、nBE[3:0]、 nWBE[3:0]等 , 可以直接與HY57V561620相連來控制其存取，其電路接線圖見附錄 2。 2022年 2月 4日星期五 19 擴(kuò)展板硬件電路設(shè)計(jì) ? 擴(kuò)展板的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)終端的需要而設(shè)計(jì)的一些外圍電路，在本系統(tǒng)中主要包含以下幾個(gè)部份：電源管理模塊、 TFT LCD接口、觸摸屏接口、通過 SPI接口擴(kuò)展 IO模塊、通過 UART擴(kuò)展 GPRS模塊、 USB接口、 10M以太網(wǎng)接口、JTAG接口，下面就各部份作具體的設(shè)計(jì)。 2022年 2月 4日星期五 20 電源電路設(shè)計(jì) ? 在該系統(tǒng)中，需要使用 5V和 源，其中， S3C2410X及部分外圍器件需 電源，另外部分器件需 5V電源， 5V直流電源通過 DCDC轉(zhuǎn)換成 ，由于 ARM內(nèi)核需要，因此需要將 ，系統(tǒng)電源電路如圖 26所示 : 2022年 2月 4日星期五 21 圖 26 電源電路圖 ? 圖 26 電源電路圖 2022年 2月 4日星期五 22 JTAG電路設(shè)計(jì) ? JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測(cè)試行動(dòng)小組 )是一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試協(xié)議，主要用于芯片內(nèi)部測(cè)試及對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。它在芯片內(nèi)部封裝了專門的測(cè)試電路 TAP( Test Access Port，測(cè)試訪問口 )，通過專用的 JTAG測(cè)試工具對(duì)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。 2022年 2月 4日星期五 23 圖 27 JTAG電路圖 圖 27 JTAG電路圖 標(biāo)準(zhǔn)的 JTAG接口是 4線 :TMS、 TCK、 TDI、TDO，分別為測(cè)試模式選擇、測(cè)試時(shí)鐘、測(cè)試數(shù)據(jù)輸入和測(cè)試數(shù)據(jù)輸出，其電路接線圖如圖 27所示。 2022年 2月 4日星期五 24 串口電路設(shè)計(jì)及 GPRS模塊 ? 幾乎所有的微控制器和 PC都提供串行接口，使用電子工業(yè)協(xié)會(huì) (EIA)推薦的 RS232C標(biāo)準(zhǔn)，這是一種很常用的串行數(shù)據(jù)傳輸總線標(biāo)準(zhǔn)。要完成最基本的串行通信功能 ,實(shí)際上只需要 RXD，TXD和 GND即可，在本系統(tǒng)中用到 RS232轉(zhuǎn)換芯