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1、嵌入式系统课程设计报告2杭州电子科技大学嵌入式系统课程设计报告 学号 142060105 姓名 汪大卫 班级 14级研究生(4)班 指导教师： 余善恩、蒋鹏 2015年6月基于 ARM和C/OS-II 实时操作系统的嵌入式数字温度计的设计一、 嵌入式数字温度计硬件实现温度计是测量物体冷热程度的工业自动化仪表。它将温度传感器产生的电阻信号转化为温度显示在仪表上。所以一般温度测量仪都有检测和显示两个部分：温度传感器热电阻是检测部分，而与之相配的指示和记录仪表是显示部分。温度传感器可根据所需精度和温度范围选用标准铂电阻温度计，精密铂电阻温度计，工业铂热电阻和工业铜热电阻等。 数字温度计可以广泛应用于

2、标准计量实验室，科研院所，大专院校及工业现场，既可作为温度标准，也可用于温度的精密测量。 采用 AT91M55800A 微处理器开发温度测量仪，其系统框图如图3.1所示。主要包括以下几个方面的内容： 1存储器系统 2系统接口 3用户接口显示 LCD与键盘，A/D图 1.1 基于ARM微处理器的嵌入式硬件平台体系结构1.1 存储器接口 外部总线接口EBI用于产生访问片外存储器和外部器件的信号。EBI可寻址 64KB的空间，具有8个片选线和24条地址线。地址线的高 4 位与片选线是复用的。16 位的数据总线经过配置可以与 8 位或16 位外部器件接口。独立的读写控制线允许 AT91 微控制器与存储

3、器以及外部器件直接接口。EBI支持不同的访问协议，可以对存储器实行单周期访问。EBI的主要特点有： 外部存储器映射 多达 8个片选线（NCS0NCS3，CS4CS7） 816位数据总线 字节写或字节选择控制线 引到存储器的重映射 两种不同的读协议 可编程的等待周期产生器 外部等待请求 可编程的数据线浮空时间外围地址由相应的片选寄存器状态决定。在使用它们之前，应先对他们进行重映射。表 1.1 显示了一些外围进行重映射之后的地址分配。表1.1 地址重映射之后地址分配外围片选信号片选寄存器寄存器状态举例地址空间FlashNCS0EBI_CSR00x010025290x010000000x011fff

4、ffSRAMNCS1EBI_CSR10x020031210x020000000x0207ffffLCDNCS2EBI_CSR20x0300232e0x030000000x03000001片选寄存器为 8 个 32 位寄存器（EBI_CSR0EBI_CSR7）。这些寄存器的基地址是 0xFFE00000。 Flash 的片选信号为 NCS0,所以它对应的片选寄存器为EBI_CSR0。高 8 位设为 0x01,即基地址为 0x01000000。由于开发板上有 2MB的 Flash，所以地址空间为0x010000000x011FFFFF。 SRAM 的 基 地 址 设 置 为 0x02000000

5、， 所 以 地 址 空 间 为0x020000000x0207ffff（512KB）。 LCD的基地址由 NCS2 控制。基地址为0x03000000，地址空间为0x030000000x03000001。 下面介绍Flash存储器接口。 Flash存储器作为一种安全、快速的存储体，具有体积小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等一系列优点。目前已经逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数据和程序载体。T49BV1614是 ATMEL 公司生产的16兆位 Flash存储器，主要作用是固化程序和保存历史数据，也就是开机后执行闪存的程序，并在程序执行的过程中实时地保存或修改其内部的数据单元。下

6、面首先介绍AT49BV1614 的特点和操作。 AT49BV1614是采用2.7V3.3V 电源供电的可编程只读存储器，是一种电可擦除与重新编程的器件。该器件由8个独立的8K字节块，2 个 32K 字节块，30 个 64K 字节块，具有 40 个扇区的 16Mbit 的存储器。访问速度为 90ns。片内的状态机编程和擦除器件、嵌入式字节编程与区段/芯片擦除功能是全自动的，引脚描述如下。 A0A19：地址线。 I/O0I/O14：数据输入/输出。在读周期输出数据； I/O15(A-1)：I/O15 时是数据输入输出端，字模式；A-1时是低8 位输入端，字节模式； CE：输入，芯片使能，低电平时选

7、中该器件。 OE：输入，输出使能，低电平时打开数据输出缓冲区，允许读操作。 WE：输入，写使能，低电平时允许写操作。 BYTE：输入，选择字节或字模式。 VCCQ为 3.3V电源。Vss为地。 下面以命令表的编程命令为例。简要介绍字节编程。表 1.2 所列命令是一个6总线周期指令。表 1.2 软件命令简表命令第一周期第二周期第三周期第四周期第五周期第六周期读地址数据芯片擦除5555AA2AAA555555805555AA2AAA55555510扇区擦除5555AA2AAA555555805555AA2AAA55地址30字节/字5555AA2AAA55555580地址数据单脉冲地址数据扇区 锁定

8、5555AA2AAA555555805555AA2AAA55地址40对于芯片擦除功能，自动地提供编程和电擦除之前，校验所有存储单元所需的电压和时序，然后自动擦除并校验单元界限。利用数据轮询（datapolling）特性，可以监视自动芯片擦除操作期间器件的状态，以检验操作是否完成。程序如下：const FlashDef *flash_identify ( flash_word *load_addr ) flash_word manuf_code ; flash_word device_code ; const FlashDef *flash_pt ; flash_word *base_addr

9、; int exit = FALSE ; flash_pt = FlashTable ; while ( exit = FALSE ) base_addr = (flash_word *) (int)load_addr & (flash_pt-flash_mask) ; /LCD_printf16 (int)base_addr,3,1) ; LCD_printf16 ( flash_pt-flash_name ,5,1) ; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = FLASH_CODE1; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD2) = FLASH_CO

10、DE2; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = ID_IN_CODE; /* Read Manufacturer and device code from the device manuf_code = *base_addr ; device_code = *(base_addr + 1) ; /* Exit Software Product Identification Mode *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = FLASH_CODE1; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD2) = FLASH_CODE2; *(ba

11、se_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = ID_OUT_CODE; /* If both manufacturer and device codes corresponds if ( flash_pt-flash_id = device_code ) & ( flash_pt-flash_manuf_id = manuf_code ) exit = TRUE ; else /* Next Flash, If end of table if ( +flash_pt = FlashTable + NB_FLASH_SUPPORTED ) /* Return 0, Display Er

12、ror and Exit loop flash_pt = (const FlashDef *)0 ; LCD_printf16 ( &manuf_code,7,1 );/device_code exit = TRUE ; return ( flash_pt ) ; 当上述程序所得结果是 00C0H（AT49BV1614 代码）时，才可以对FLASH进行擦除或编程。 在对 Flash 编程之前,应对 Flash 进行擦除,使其每个数据位都恢复为 1 状态,即全 FF 状态。对 Flash 的擦除操作需要 6 个总线周期。下面是简要的程序代码： int erase_sector ( flash_w

13、ord *base_addr,flash_word *sector_addr, int size,int sector_id ) int trial = 0 ; /* While flash is not erased or too much erasing performed while ( check_sector_erased ( sector_addr, size, sector_id ) = FALSE ) & ( trial+ NB_TRIAL_ERASE ) / printf ( Erasing Sector %dn, sector_id ) ; *(base_addr + FL

14、ASH_SEQ_ADD1) = FLASH_CODE1; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD2) = FLASH_CODE2; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = ERASE_SECTOR_CODE1; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = FLASH_CODE1; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD2) = FLASH_CODE2; *sector_addr = ERASE_SECTOR_CODE2 ; if ( wait_flash_ready ( sector_addr,(flash_word)

15、0xFFFF ) = FALSE ) LCD_printf16 ( Timeout while erasingn,4,1 ) ; return ( TRUE ) ; 程序擦除完毕后，就可以对 FLASH 进行编程了。时序遵循表2，以下是其源代码。 int write_flash ( flash_word *base_addr, flash_word *load_addr, flash_word data ) flash_word read_data ; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = FLASH_CODE1 ; *(base_addr + FLASH_SEQ_A

16、DD2) = FLASH_CODE2 ; *(base_addr + FLASH_SEQ_ADD1) = WRITE_CODE ; *load_addr = data ; if ( wait_flash_ready ( load_addr, data ) != TRUE ) LCD_printf16 ( Timeout while programmingn,7,1 ) ; return ( FALSE ) ; if ( read_data = *load_addr ) != data ) LCD_printf16 ( Program Errorn ,7,10) ; / printf ( Add

17、ress 0x%08x / Data 0x%04x / 0x%04x n, / (int)load_addr, data, read_data ) ; return ( FALSE ); return ( TRUE ) ; 1.2 系统接口 1.2.1 JTAG 接口 JTAG（Joint Test Action Group）是 1985 年制定的检测 PCB和 IC 芯片的一个标准，1990 年被修改后成为 IEEE 的一个标准，即IEEE1149.1-1999。通过这个标准，可对具有 JTAG 口芯片的硬件电路进行边界扫描和故障检测，JTAG 连接图如图 3.2。 具有JTAG 口的芯片都

18、有如下 JTAG 引脚定义： TCK测试时钟输入； TDI测试数据输入，数据通过TDI 输入JTAG； TDO测试数据输出，数据通过TDO 从JTAG口输出； TMS测试模式选择，TMS用来设置 JTAG 口处于某种特定的测试模式； 可选引脚TSRT 测试复位，输入引脚，低电平有效。图1.2 JTAG 连接图JTAG仿真器比较便宜，连接比较方便。它可以通过现有的 JTAG边界扫描与 ARM CPU 核进行通信，属于完全非插入式（不占用片上资源）调试。它无需目标存储器，不占用目标系统的任何端口，而这些是普通的驻留监控软件所必需的。另外，JTAG 调试的目标程序是目标板上执行，仿真更接近于目标硬件

19、，因此，仿真结果与真实的运行环境更为接近，所以逐渐成为目前采用最多的一种调试方式。1.2.2 USART 接口 目前 RS232 是 PC 机与通信工业中应用最广泛的一种串行接口。RS232被定义为一种在低速率串行通信中增加通信距离的单端标准。RS-232 遵循S-232-C标准，美国电子工业协会（Electronic Industries Association，EIA）把RS-232-C定义为：“在数据终端设备和数据通信设备之间使用串行二进制数据交换的接口”。RS-232-C 通信端口一般包括 UART、EIA 驱动程序接口程序。在实际应用中，利用RS232C的通信通常只使用其中的3根线，

20、即RXD、TXD和 GND。 AT91M55800A 微控制器集成了三个完全相同的全双工通用同步/异步收发器(USART)。每个USART都具有自己的波特率发生器和两个专用的数据控制器 PDC 通道。USART 接到 APB 并与外围数据控制器PDC连接。数据格式包括 1个起始位、高达8 个数据位，1个可选的可编程奇偶位，以及最多 2 个停止位。此外，每个 USART 还具有接收超时寄存器，在带 PDC 工作时方便了可变长度数据帧的接收；还有1 个时间确保寄存器以方便与慢速远端设备的连接。USART的主要特点为： 可编程的波特率发生器。 奇偶、帧和过速检测。 线上 Break信号的产生和检测。

21、 自动回送，本地环路和远程环路模式。 多机模式：地址检测和产生。 中断产生。 两个 PDC通道。 5，6，7，8和9位字符长度。 串行口USART的结构如图 1.3所示：图1.3 USART方框图每个口具有如表1.3所列的外部信号：表1.3 USART 通道的外部信号名称描述SCKUSART串行时钟可配置为输入或输出；如果选择了外部时钟SCK为输入；如果没有选择外部时钟，且时钟输出使能，则SCK为输出。TXD串行数据发送端，输出。RXD串行数据接收端，输入。开发板上的串行口使用的是 AT91M55800A 上的UART 接口，通过电平转换芯片（如 Max232），把3.3V 的逻辑电平转换为R

22、S232C的逻辑电平，进行传输。词串行接口使用了 RS232C的 3根线进行通信。接口为 D型的 9针阳性的插头，其各个管脚的定义如表 1.4。 表 1.4 RS232管脚定义管脚号定义英文缩写方向2数据接收RXD输入3数据发送TXD输出5地线GND按照上述管脚定义，嵌入式开发板和PC 机的通信电缆可以按照如图 1.4所示的方式连接。图 1.4 嵌入式开发板和PC机的通信1.3 人机交互接口 为了使嵌入式系统具有友好的人机接口,需要给嵌入式系统配置显示装置,LCD 显示器.另外,要进行人机交互,还得有输入装置,使用户可以对嵌入式控制器发出命令，或输入必要的控制参数等。1.3.1 LCD 显示模

23、块 LCD通常有两种方式，一种是带有驱动芯片的 LCD模块，基本上属于半成品，因此，一般选用这样的显示模块。从系统结构来讲，由于显示器模块中已经有显示存储器。现存中的每一个单元对应LCD上的一个点，只要显存中的内容改变，显示结果中的内容改变，显示结果进行刷新。于是便存在两种刷新方式：（1）直接根据系统要求对现存进行修改。这里存在两种情况，一种是只须作局部修改，不需要判断覆盖等问题；另一种是有覆盖问题，计算起来比较复杂，而且每做一点小的屏幕改变就进行刷新，将增加系统负担。（2）专门开辟显示内存，在需要刷新的时候由程序进行显示更新。这样，不但可以减轻总线负荷，而且也比较合理，在有需要的时候进行统一

24、的显示更新，界面可以比较美观，不至于因为无法预料的刷新动作导致显示界面闪烁。采用前后台双重显示缓存的显示模块结构图如图1.5所示：图 1.5 前后台双重显示缓存的显示模块结构1.3.2 键盘模块 键盘是标准的输入设备，嵌入式设备具有强大的功能，所以有能力处理用户所输入的信息，并结合各具特色的嵌入式应用软件，可以将嵌入式控制器的功能发挥至更大。实现键盘有两种方案：一是采用现有的一些芯片实现键盘扫描；在就是用软件实现键盘扫描。作为嵌入式系统设计人员，总是会关心产品成本。目前有很多芯片可以用来实现键盘扫描。键盘扫描的软件实现方法有助于缩减一个系统的重复开发成本，只需要很少的 CPU 开销。嵌入式控制

25、器的功能很强，可以充分利用这一资源。所以，就用矩阵键盘扫描的方法来实现软键盘。矩阵键盘扫描算法如图 1.6。图 1.6 矩阵键盘在初始化阶段，所有的行（输出端口）被强行设置为低电平，在没有任何键按下时，所有的列（输入端口）将读到高电平。任何键的闭合将造成其中的一列变为低电平。为了查看是否有一个键已经被按下，微处理器仅需要查看任一列的值是否变成低电平。一旦微处理器检测到有键被按下，就需要找出是哪一个键。过程很简单，微处理器只需在其中一列上输出一个低电平。如果它在输入端口上发现一个 0 值，该微处理器就知道在所选择行上产生了键的闭合。相反，如果输入端口全是高电平，则被按下的键就不在那一行，微处理器

26、将选择下一行，并重复该过程直到它发现了该行为止。一旦该行被识别出来，则被按下键的具体列可以通过锁定输入端口上唯一的低电位来确定。微处理器执行这些步骤所需要的时间与最小的状态闭合时间相比是非常短的，因此它假设该键在这个时间间隔中将维持按下的状态。例如，当发现某列变为低电平时，此时，微处理器仅在某一行上输出低电平再查看列的状态，如果此时在输入端口上发现了一个0，则就可以断定此行上的键被按下了；反之，如果输入端口上全为1，则就不是这一行上按下了建。根据第一步和第二步中得到的值，便可以得到相应的扫描码。下面是 44键矩阵扫描程序的源代码。按照以上思路，编写键盘扫描函数，如下：U16 GetScanKe

27、y() U16 key; U16 i,temp,mask; for(i=0x1;i0x10;i=1) mask=0x0f&(i); at91_pio_write (&PIOB_DESC,mask, PIO_SET_OUT ) ;/*set high */ at91_pio_write (&PIOB_DESC,i, PIO_CLEAR_OUT ) ;/* set low */ key12; return key; 此 函 数 分 四 次 向 I/O 口 送 出 二 进 制 数 据1110,1101,1011,0111,然后依次从 I/O 口中读取数据。每次扫描读到的数据都存放在变量 key中。这

28、样就得到了键盘扫描码 key。可见，key中可以包含44键矩阵的所有的键盘组合。1.3.3 A/D 数据采集 1. CS553X概述图1.7 CS553X 系列 ADC内部结构图CS553X可提供2通道(CS5531/32)或4通道(CS5533/34),它们均包 含 一 个 低 噪声载波稳定可变增益测量放大器(PGIA)(6nV/Hz0.1Hz),可选增益为1X,2X,4X,8X,16X,32X,64X。ADC内部还有一个 4 阶的 调制器，一个数字滤波器，它能提供 10种可供选择的字输出速率：7.5Hz、15Hz、30Hz、60Hz、120Hz、240Hz、480Hz、960Hz、1.92

29、KHz、3.84KHz（XIN4.9152MHz）。图 1.7 中描述了 CS553X 系列 ADC 的结构。在芯片的前端有一个多路复用器、一个但增益的 coarse/fine 电荷输入缓冲器和一个载波稳定可变增益放大器。单增益放大器设计为轨轨信号输入，其共模信号范围为VAVA+,用于模数转换的增益为1X的情况，可变增益放大器用于模数转换的增益被设定为大于 1X的情况。 为减轻ADC 与微处理器（MCU）之间的通讯负担，它还有一个与SPITM和MicrowireTM兼容的三线串行接口，在串行时钟口（SCLK）处有一个施密特触发器。电源配置方案： VA+=+5V; VA-=0V; VD+=+3V to +5V VA+=+2.5V; VA-=-2.5V; VD+=+3V to +5V VA+=+3V; VA-=3V; VD+=+3V 高动态范围、可编程输出速率和灵活的电源模式等特点，使得CS553X系列 ACD成为用于称重仪和过程控制的理想部件。 1寄存器介绍 CS553XADC有一个片内控制器，含有大量用户可访问的寄存器，用以保存偏移量、增益校验结果、指令