（控制理论与控制工程专业论文）多功能车载导航仪系统.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 本文所研究的课题“多功能车载导航仪系统”是浙江省科技型中小企业技 术创新基金项目( 项目计划编号2 0 0 4 d 4 0 0 0 1 ) ，且己申报2 0 0 7 年广东省教育部 产学研结合项目。 中国经济的高速增长及人民生活水平的提高，使汽车市场特别火爆。而随 着人们的消费意识的提高，人们对汽车的要求越来越高，仅作为一个简单的代 步工具已经不能满足消费者的需求。消费者还需要一个安全、，实用、娱乐等各 种功能齐全的车载系统。 本文给出了一种将导航仪的实用性、车载d v d 的娱乐性、轮胎气压监测的 安全预警功能融于一起，以满足了消费者的各种需求的多功能车载导航仪的设 计方案。该系统以基于a r m 9 2 0 t 结构的e p 9 3 1 5 为主控制器，以w i n d o w sc e 为 平台，具有车辆定位导航、智能语音提示、触摸屏控制、遥控控制、d v d 播放、 轮胎气压预警等功能。 本文共分七章，第一章为绪论，讲述课题背景、整体方案设计及各模块划 分；第二章为电源模块部分设计；第三章为定位导航部分；第四章为输出部分； 第五章为输入操控部分；第六章为通信部分；第七章给出了总结及展望。 关键字：g p s 导航；嵌入式系统；触摸屏；遥控；文本转语音；w i n d o w sc e a b s t r a c t w h a tt h i st h e s i sd i s c u s s e di sa t t a c h e dt oo n eo ft h ep r o j e c t ss p o n s o r e db y z h e j i a n gp r o v i n c em e d i u ma n ds m a l ls c a l ee n t e r p r i s e st e c h n o l o g y i n n o v a t i o n f u n dn a m e dm u l t i f u n c t i o n a lv e h i c l en a v i g a t o r a n di th a sa p p l i e da sap r o g r a m w h i c hc o m b i n e sm a n u f a c t u r e ，s t u d ya n dr e s e a r c hs p o n s o r e db ym i n i s t r yo f e d u c a t i o n o fg u a n g d o n gp r o v i n c ei n2 0 0 7 t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h em u l f i f u n c t i o n a lv e h i c l en a v i g a t o r w h i c hc a l lb eu s e da sn a v i g a t o ld v da n dt p m sd e v i c ei no r d e rt of u l f i l lt h ev a r i o u s d e m a n d so f u s e r s e m p l o y i n ge p 9 3 1 5a st h em a i nc o n t r o l l e ra n dw i n d o w sc ea st h e p l a t f o r m ，t h i sv e h i c l en a v i g a t o ri se q u i p p e dw i t hv e h i c l en a v i g a t i o n ，v o i c ep r o m p t , t o u c h a b l es c r e e nc o n t r o l ，r e n l o t ec o n t r o l ，d v dp l a y e r , t p m sa n ds oo n ，t h e r ea r es e v e nc h a p t e r si nt h i sp a p e r i nt h ef i r s tc h a p t e r , t h er e l e v a n t b a c k g r o u n da n dt h eg e n e r a ld e s i g ni n c l u d i n gt h em o d u l e so ft h em u l t i f u n c t i o n a l v e h i c l en a v i g a t o rf i r ep r e s e n t e d c h a p t e r2i n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ep a r to f p o w e r c h a p t e r3m a i n l yf o c u s e so nt h en a v i g a t i o ns y s t e m t h eo u t p u tp a r ta n d t h e i n p u tp a r ta r er e s p e c t i v e l yi n t r o d u c e di nc h a p t e r4a n dc h a p t e r5 t h e nc h a p t e r6 i n t r o d u c e st h ec o m m u n i c a t i o np a r ta n dc h a p t e r7m a k e sas u m m a r i z a t i o no ft h e w h o l ep a p e r k e yw o r d s ：g p sn a v i g a t i o n ；e m b e d d e ds y s t e m ；t o u c h s c r e e n ；r e m o t ec o n t r o l ，t t s ：w i n d o w sc e i i 浙江大学硕f ：学位论文 1 1 绪论 第一章绪论 相关调查显示，汽车消费的火爆，尤其是中国汽车市场的高速增长，带来了 汽车后市场繁荣，促成了中国车载娱乐系统市场规模的成倍增长。且随着人们消 费意识的提高，以及中国私人汽车的普及，人们对汽车的要求越来越高，并不止 于一个的简单代步功能。消费者需要的是：安全、功能完善的能满足多种需求的 汽车系统。目前主要采用以车载计算机作为平台，将车载通信、导航、视听娱乐、 网络控制等集成为一体化多媒体信息系统则是这一领域的市场发展趋势。调查分 析表明，车载娱乐、导航信息系统和车身电子是中国汽车电子产品市场的主要发 展方向。目前，车载娱乐、通信和网络等产品成为车主关注的亮点，车载d v d 、 汽车g p s 导航系统、汽车轮胎气压监测系统等汽车电子产品销售势头良好，在为 消费者带去价值的同时，也为商家带来了丰厚的利益。 而目前市场上配有车载g p s 系统、汽车轮胎气压监测或娱乐系统的中高档豪 华车动辄数十万，令广大百姓可望而不可及。如能研制一款性优价廉的多功能车 载导航仪，对中低档轿车进行后端改装，必能满足广大汽车爱好者的需要而获得 成功。 本项目采用嵌入式系统、卫星定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 等先 进的技术，开发集g p s 导航功能、d v d 播放功能、导航数据记录、汽车轮胎气压 监测预警和游戏娱乐等多功能于一体的“多功能车载导航仪”产品设计成功后， 用户在陌生地方打开导航功能，可以方便迅捷地到达目的地；在无需导航或路途 遥远乏味时，可以利用系统的娱乐功能来放松一下；而无论在何时何地，当汽车 轮胎出现压力过低、温度过高系统都会提醒用户，预防了事故的发生，保证了司 机与乘客的安全。 浙江人学硕上学位论文 1 2 目前的发展情况及选题背景 1 2 1 目前的发展情况 目前国内外所出版的资料显示，尚未有将导航功能、车载d v d 功能和汽车轮 胎气压监测预警三者融于一起的产品问世。而本课题的重点在于导航部分研发， 其他两部分采用市场现有的集成模块，所以本节主要介绍车载g p s 导航仪的发展 情况。 据有关部门统计，尽管目前车载g p s 系统在中国的使用还有限，但其巨大的 市场潜力已经引起各方的关注。在发达国家，运用g p s 系统进行汽车自主导航已 经是非常成熟。目前国际上已经形成了日本、欧洲和北美三大市场，日本的车载 g p s 系统使用率高达5 9 。然而，在我国，截止到2 0 0 6 年底，拥有车载g p s 导航 设备的车辆不足2 0 万辆，车载导航安装率不到3 。中国车载g p s 产业仍然存在 着一些制约其发展的因素，目前最主要的是价格问题以及电子地图覆盖率问题。 如果能够排除这些桎梏，中国车载g p s 市场必将进入一个急速发展的辉煌时代。 我国g p s 车载市场尚处于启动阶段且以后装市场为主。所谓后装即在车辆使 用过程中安装到车辆上的。目前制约车载g p s 消费市场有四大因素： 1 消费需求不强烈。在产品使用上，我国与g p s 导航产品市场发达的国家 也有很大的不同。在美国、日本，人们同常开车出行半径都在数百公里，而中国 大多数车主的日常出行半径里程仅为其l 1 0 ，而且大多数是往返在至居住地固 定的道路上。因此中国的车主对g p s 车载设备还没有很强烈的需求。 2 缺乏行业标准。标准化问题是g p s 车辆跟踪系统产业化的核心问题。目 前，不同公司的g p s 产品及运营系统不能通用、兼容、联网。客户无法在市场中 选择最新最优的产品，以及将技术进行更新换代。此外，涉足该领域企业的实力 和信誉参差不齐，服务质量有待完善。这些问题妨碍了该产品的推广应用。 浙江大学硕t 学位论文 3 产品价格过高。价格昂贵使g p s 类产品不可能在中国市场迅速普及的原 因之一，开发出中国大多数消费可以接受的价位的导航产品是当前各大g p s 厂商 的主要任务。目前，市场中主流的g p s 系统高端市场单体接收机价格大约为8 0 0 0 元，中端市场价格为5 0 0 0 元左右，低端单体接收机价格为2 0 0 0 元左右。即使是 简单车载系统平均价格也为2 5 0 0 4 0 0 0 元，这样的价格让很大一部分潜在消费 者望而却步。 4 地图有待开放。在g p s 导航系统中，最重要的就是该产品所提供的电子 地图了。可是在中国出于国家安全的考虑，政府对地图数据进行严格控制。另外， 由于中国正在对基础设施和道路进行大规模的升级改造，所以需要经常对地图进 行更新。这就造成了电子地图的制作和更新成本居高不下，无法进行市场化运作。 从现状看，目前国内所开放的电子地图还不能满足消费者的全部需求。 而正是由于这些瓶颈的存在，我们更可以预想当种种障碍逐渐消除，车载 6 p s 产品将具有怎样巨大的发展潜力。随着我国私人汽车保有量的增长及用途的 转变，g p s 车载系统市场容量不断增长。中国加入w t o 后，由于汽车进口关税下 降，轿车售价随之降低，市场需求更加旺盛。同时，随着私人汽车用途的转移及 交通设施的改进，有车族进行中短途的商业旅行和假日旅游已经司空见惯，车载 导航系统可以为私人汽车车主提供丰富的增值服务。据统计，目前我国私人汽车 市场保有量已超过1 0 0 0 万量，如果按照1 0 的配置比例，则有约1 0 0 万台的市 场容量。未来当g p s 性价比进一步提高时，g p s 车载系统将有着更为广阔的应用 前景。 1 2 2 选题背景 信息产业科技发展“十一五”规划和2 0 2 0 年中长期规划纲要中指出十一五 期间，科研要围绕自主创新，增强核心竞争力，在面向发展瓶颈和重大应用两大 方向实现技术突破。2 浙江人学硕t 学位论文 但是目前g p s 行业的核心技术仍被国外厂商垄断，而中国的g p s 市场潜力又 非常强大，这就需要政府、高校、企业及科研机构投入资金和人力进行开发研究， 打破国外垄断，满足广大人民群众的需要。 本文所研究的课题属于浙江省科技型中小企业技术创新基金项目( 项目计划 编号2 0 0 4 d 4 0 0 0 1 ) ，且已申报2 0 0 7 年广东省教育部产学研结合项目。 1 3 系统整体方案设计 系统主要包括三个子系统，即g p s 导航部分、车载d v d 部分、汽车轮胎气压 监测系统( 简称t p m s ) ，以g p s 导航部分为主要部分，同时g p s 导航部分也是本 课题需要解决的重点。车载d v d 部分以天籁一8 5 0 1 型号为基础，t p m s 部分目前也 已有成熟的模块，只需选用有串口输出的即可与本系统进行兼容。系统各部分之 间的连接关系如图1 1 所示。系统中t p m s 与导航主机的串口相连，预警信息则 通过串口直接输出至主控制器。而导航主机与车载d v d 间，通过一个中继m c u 来 进行协调及通信，该中继m c u 的功能主要在于将一方的信息转换成另一方可以识 别的信息后，发送到另一方，本系统中利用一单片机作为中继m c u 。如将车载d v d 发送过来的触摸屏位置信息转换为鼠标协议，将遥控键码转换为键盘协议等。按 照功能来分，系统可以分为电源部分、g p s 导航部分、t p m s 、车载d v d 部分、输 入部分、输出部分、通信部分。由于t p m s ，车载d v d 均可以采用成熟模块，故 不再一一赘述。本文主要按照系统电源、导航、输入，输出，通信等部分依次介 绍。 浙江人学预 j 学位论文 图1 1 系统整体框图 5 浙江大学硕l 学位论文 第二章电源部分 2 1 电源部分设计概述 系统电源设计是整个系统设计中的一项极其重要的工作，直接影响这个系统 的成败与性能。针对具体某一系统时，电源设计需要考虑的问题包括：系统消耗 的最大功率、系统各器件工作电压及电平要求，降低功耗及抗干扰等问题。 电源功率的设计首先必须能满足全系统的需要并且在设计时要留有充分 的余量，大系统一般按实际功率消耗的1 5 倍2 倍设计，小系统按实际功率 消耗的2 倍3 倍设计。如整个系统在全负荷运转时功率大约为2 5 w ，此时需 要将电源模块的最大功率输出设计为5 0 w 及以上。 系统各器件工作电压及电平要求设计时最需要注意两个问题：直流电压幅 度、电源在最不利( 满载) 情况下的纹波电压峰峰值。前者目前容易解决，各大 公司相关电源模块可以提供各种规格的电源输出。而如果电源是有交流变为直流 的话，纹波则往往难以避免。如何最大可能性限制纹波是很重要的问题，且电源 模块最终输出的纹波应能满足系统中对电平要求最高的器件的要求。 低功耗设计不但包括常规意义的系统芯片等i c 的低功耗设计，同时也应该 包括电源模块的低功耗设计。电源模块本身的功率在系统中往往能达到1 0 以上。 因此降低电源模块的功耗、提高效率对系统的功耗设计有很好的帮助作用。 电磁兼容性( e m c e l e c t r o m a g n e t i cc o m c a t i b i l i t y ) 越来越引起人们的重 视。其定义根据我国军用g j b 7 2 8 5 电磁干扰和电磁兼容性名次术语为：“设 备( 分系统、系统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该 设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许 6 浙江人学硕士学位论文 的降级；它也不会使同一电磁环境中其他设备( 分系统、系统) 因受其电磁发射 而导致或遭受不允许的降级。”现在产品很多需要通过权威的e m c 认证，如： c i s p r 、i e c 、e n 等。 电源模块是一个极易产生干扰的源头，如电力电子器件的噪声，电感切断时 产生的瞬变噪声等，如不仔细加以抑制，产生的干扰将是以脉冲的形式进入系统 m c u 或者其他外围芯片中来影响系统性能，使产品性能降低甚至失败。抑制干扰 的方法包括控制产生干扰的源头、切断传播途径及提高系统抗干扰能力3 。本文 后面将具体介绍各种方式来减少干扰对系统的影响。 2 2 本系统具体电源情况分析 本系统为基于车载电源设计，所以应针对汽车内部电源情况来设计。这里首 先介绍下汽车中装配的电源情况。大部分汽车装备直流1 2 v 蓄电池来提供电源。 一般汽车内部电源输出有两路且均为1 2 v 直流输出，这里将其中一路称为v c c 输 出，另一路称为a c c 输出。v c c 输出作为蓄电池输出时刻存在，功率较大：而a c e 输出只有在汽车启动时有电流输出，电流输出功率较v c c 输出偏小，当车子停止 时无电流输出。 本系统正常工作需要功率为2 0 w 左右，按照上一节所讲的要求，系统功率至 少要达到3 0 w 以上的输出，这样的功率利用a c c 输出是难以满足的。可以利用 v c c 来作为电源输出。 但如果利用v c c 来提供电源输出，这样就面临一个问题：我们不可能要求驾 驶员每次开启导航设备后，在汽车停止时仍能每次都想起关闭系统电源。因为大 部分驾驶员朋友只是习惯于将汽车关闭，而此时g e e 仍有输出，假如未能关闭系 统，那么将会出现这样一个事情：系统会将车内蓄电池能量耗尽，这将导致下次 汽车无法正常启动。这样的产品是一个失败的产品。所以系统应能自动识别汽车 运行情况，当驾驶员关闭汽车时，应能自动关闭或进入待机状态而节约能源。但 如果直接将系统关闭，系统冷启动时间较长，也会影响消费者对系统的评价。因 7 浙江大学硕1 一学位论文 此我们可以将系统大部分器件电源关闭，而只保留核心器件工作且使其进入待机 状态，经实验证明此方案完全可行。 本系统所选用各种i c 器件工作电压为：5 v 或3 3 v ，这需要利用电源转换模 块将1 2 v 蓄电池电压转换为符合器件要求的电压值。这就需要用到电压调节器。 电源调节器的选择很大程度上决定了系统电源的性能。 2 3 常用d c d c 电源模块简介及选型 根据电源模块功率管的工作状态，常将稳压电源分为两类：功率管工作与线 性状态的线性稳压电源和功率管工作与开关状态的开关稳压电源。 线性稳压电源的特点为：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较 小；工作产生的噪声低；效率较低；发热量大( 尤其是大功率电源) ，白j 接地给 系统增加热噪声。在弱电领域出现的l d o 在一定程度上解决了线性稳压电源工作 效率低的问题，获得了广泛的应用。 l d o 为英文l o wd r o p o u tr e g u l a t o r 的缩写，可译为低压降线性稳压器。 l d o 的设计最易实现，且输出纹波小，但缺点是效率有可能不高，发热量大，可提供 的电流范围较开关电源小等等。 常用的线性串联型稳压电源芯片有：7 8 x x 系列( 正电压型) ，7 9 x x 系列( 负 电压型) ( 实际产品中，x x 用数字表示，x x 是多少，输出电压就是多少。例如 7 8 0 5 ，输出电压为5 v ) ；l m 3 1 7 ( 可调正电压型) ，l m 3 3 7 ( 可调负电压型) ；1 1 1 7 ( 低压差型，有多种型号，用尾数表示电压值。如1 1 1 7 - 3 3 为3 3 v ，1 1 1 7 - a d j 为可调型) 4 。 开关稳压电源是近来普遍推广并获得极大应用的一种电源模块。其工作原理 为：功率管导通时给负载供电，断开时不输出电流。为给系统提供持续电流，其 自身需要储能装置在管子导通时将一部份能量储存起来，在管子断开时，向 负载释放。一般利用电感在功率管导通时来蓄能，当功率管断开时，电感通过一 个二极管释放能量给负载，这样负载将获得连续而稳定的能量。因这个二极管能 浙江大学硕j 二学位论文 使负载电流持续不断，所以称其为续流二极管。开关稳压电源的输出电压与功率 管的导通时间占整个通断周期的比例成正比。因此输出电压的大小可以通过三种 方法来调节： 1 、脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，缩写为p w m ) 开关周期恒定， 通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。 2 、脉冲频率调制( p u l s ef r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，缩写为p f m ) 导通脉冲 宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。 3 、混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式， 它是以上二种方式的混合。 常见的开关稳压电源模块有u n i t r o d e 公司的u c 3 8 4 2 ，a n a c h i d 公司的 a p l 5 1 0 ，n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的l m 2 5 9 6 5 等。 较线性稳压电源相比，开关稳压电源具有电路设计灵活、效率高、但纹波大、 易产生干扰、实现比较复杂、调试比较烦琐等特点。 。 系统的电源输入取自车载蓄电池。蓄电池的输出性能良好，纹波系数极低， 极大降低了干扰产生的可能性。为提高效率，耗电较大的部分可采用开关稳压电 源模块l m 2 5 9 6 系列来提供电源，对一些功率较低的部分可以采用线性稳压电源 模块。本系统采用了l m l l l 7 系列。 l m 2 5 9 6 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出3 a 的驱 动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性，固定输出版本有3 3 v 、5 v 、1 2 v ， 可调版本可以输出小于3 7 v 的各种电压，具有以下优点： 3 3 v 、5 v 、1 2 v 的固定电压输出和可调电压输出； 可调输出电压范围1 2 v 3 7 v 4 ； ， 输出线性好且负载可调节； 输出电流可高达3 a ； 输入电压可高达4 0 v ： 采用1 5 0 k h z 的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、 效率高； 9 浙江大学硕上学位论文 低功耗待机模式，i q 的典型值为8 0 “a ； t t l 断电能力： 具有过热保护和限流保护功能； 封装形式：t o _ 2 2 0 ( t ) 和t o 一2 6 3 ( s ) ： 外围电路简单，仅需4 个外接元件，且使用容易购买的标准电感。 l m 2 5 9 6 的典型应用电路如图2 1 所示。 嶝意p + v i m i 烈一戮。 图2 1l m 2 5 9 6 典刑应用电路 为避免开关电源产生的纹波，在绘制p c b 板时，应将f e e d b a c k 线远离电感 l 1 ，而3 脚、5 脚等接地线应尽可能短而粗。如系统为多层板，应将模块下面地 层与电源层掏空，避免因l m 2 5 9 6 的p w m 工作方式而产生干扰。且应该在负载之 前在电源与地之间并联一些电容来滤波6 。 系统原理图设计如图2 2 所示。 首先是用l m 2 5 9 6 将1 2 v 变为2 路5 v 一路3 3 v 来供给各芯片用，将3 3 v 再 变为1 8 v 供给系统使用。两路5 v 中其中的一路州c u - 5 v 为一直存在，无论 车子是否在运行，都有输出。将m c u 一5 v 作为一款单片机的工作电源，该单片机 在汽车停止时处于待机状态，并检测汽车何时启动而唤醒整个系统。单片机的外 部中断0 与原理图中的p w r _ a c c # 相连，一个普通i 0 口( 系统中采用p 2 7 ) 与 电源模块开关控制线p w r s w 相连7 。 原理图中的利用一个三极管作为开关，来检测汽车的启动与否。汽车启动时， a c c 为高，三极管导通，p w r _ a c c # 变为低电平( p w r _ a c c # 接至单片机外部中断) ， 此时单片机被唤醒而响应中断( 下降沿触发模式) ，将输出p w r _ s w 信号的管脚置 1 0 浙江大学硕l - 学位论文 为低，使其他几个电源转换电路工作，系统工作。而当系统工作时，该单片机每 隔3 s 查询一次p w ra c c g ，当连续3 次p w r a c c # 为高时，说明汽车已经停止， p w rs w 引脚输出为高，整个系统电源关闭。然后单片机进入待机模式。 图2 2 系统电源部分原理图 o f 蠕嘲1 萄 j 浙江人学硕 ：学位论文 第三章导航部分 导航功能模块是本系统的主要核心模块，整个系统的操作系统及上层应用程 序也是为完成该功能而设计的，本部分由主控制器、数据存储器、g p s 接收模块 等组成。主控制器部分负责整体系统的运行，包括嵌入式系统的加载与启动，导 航程序的运行，与车载d v d 、t p m s 系统之间的通信；数据存储器的介质为2 5 英 寸硬盘与c f 卡( c o m p a c tf l a s hc a r d ) ，通过2 个i d e 接口来存储上层应用导航 程序软件，电子地图等；g p s 接收模块主要为g p s 接收机，负载接收g p s 信号并 传递给主控制器。 3 1 主控制器部分的设计 主控制器部分是由c p u 、s d r a m 、f l a s h 所组成的最小系统。c p u 为采用a r m 9 2 0 t 内核的c i r r u sl o g i c 公司的e p 9 3 1 5s o c 处理器；s d r a m 作为系统内存，采用两 片共6 4 m b 的m i c r o n 公司的m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 ；f l a s h 作为系统程序及操作系统映 像文件的存储器，采用两片共3 2 m 的i n t e l 公司的n o r f l a s he 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 。 3 1 1e p 9 3 1 5 主控制器 e p 9 3 1 5 是一款高度集成s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 处理器，具有独立的1 6 k b 的数据缓存区和1 6 k b 的指令缓存区，可支持多种嵌入式操作系统如l i n u x 、 w i n d o w sc e 等。e p 9 3 1 5 的主频为2 0 0 m h z ，总线速度可达1 0 0 m h z 。内部独有的 m a v e r i c k c r u n c h 系统控制协处理器增加了浮点、整数和信号处理指令和优化的 数字音视频压缩算法。芯片采用b g a 封装，体积较小。可用于无线数码音频接收 机、互联网收音机、便携式音频视频自动点唱机、c d m p 3 播放器、全球定位系 浙江大学硕士学位论文 统( g p s ) 、智能电话、p d a 、同步信息设备、指纹识别系统等。e p 9 3 1 5 的片上资 源丰富8 ，主要有： 可挂接2 个a t a p i 协议兼容设备的i d e 接口； i l o l o o m b p s 以太网m a c ： 3 个u s b 2 0 ( f u l ls p e e d ) 主口： 3 个u a r t 接口( 含s l o w 、f a s t 模式的i r d a 接口) ； 带图像加速器的l c d 和着色( r a s t e r ) 接口； 可支持8 位或1 6 位p c m c i a 设备的p c m c i a 接口； 触摸屏接口，8 8 键盘： 可达6 个通道的音频1 2 s 接口，音频a c 9 7 接口； s p i 接口： 带软件微调的实时时钟( r t c ) ： 1 2 个数据传输d m a 通道，能最大发挥系统的性能； 看门狗( w a t c hd o g ) ； 2 个1 6 位的通用定时器，1 个3 2 位通用定时器； 两个p l l 为系统各部分提供时钟信号； 1 6 个具有中断功能的增强型g p i o 口，3 1 个多功能g p i o 口； 独有的启动r o m ( b o o tr o o m ) 。 其内部结构图如图3 1 所示 浙江大学硕l 学位论文 图3 1e p 9 3 1 5 内部结构图 e p 9 3 1 5 有1 6 k b 的内部b o o t r o m ，里面存放启动代码及安全代码。b o o tr o m 中的代码允许系统通过以下三种方式获得程序来初始化系统9 ： u a r t l ：代码通过u a r t l 下载到片上的缓冲中并且执行； s p is e r i a lr o m ：代码从s p is e r i a lr o m 中复制到片上缓冲中并且执 行： f l a s h ：存储在f l a s h 上的代码直接执行。 三种方式的选择可以通过外部引脚的跳线来选择。 通过u a r t l 和s p i 方式下载的代码并不是操作系统的整个映像文件，实际上 仅仅是一个不到2 k b 的加载程序，系统利用这个加载程序可以通过u a r t l 或者 s p i ，甚至通过u s b 、e t h e r n e t 等接口来下载整个映像文件。通常这个小的加载 程序不需要速度更快的接口来下载，但是当加载系统映像文件( 通常要2 0 m b 到 3 0 m b ，有的可能更大) 时，因串口速度较慢，需要很长时间，因此需要通过像 u s b 、e t h e r n e t 等高速接口来下载。 本系统启动采用两种启动模式：调试阶段采用内部b o o tr o m 启动方式( 包 括下载系统映像文件) ，在调试成功后采用外部异步f l a s h 启动方式。两种启动 方式具的体配置如下： 内部b o o tr o m 启动模式：e e c l k 、e e d a t 、b o o t o 、c s 6 和c s 7 置 1 4 浙江大学硕1 二学位论文 高，b o o t l 和a s d o 置低，即采用内部b o o tr o m 启动，通过串口下载模 式： 外部异步f l a s h 启动模式：e e c l k 、e e d a t 、c s 6 和c s 7 置高，b o o t o 、 b o o t l 和a s d o 置低，即直接从外部启动。 当然系统也可以同过其他模式启动，具体可参考e p 9 3 1 5u s e r ，sg u i d e ) 。 3 1 2 最小系统的存储器部分设计 e p 9 3 1 5 内部没有存储器，所以需要通过外围器件进行扩展。外部存储器接 口支持3 2 1 6 8 位的s r a m f l a s h r o m 、串行e e p r o m 和最多可达4 个3 2 位的s d r a m 等存储器，通过s d c s 0 ：3 信号对s d r a m 存储器进行片选。e p 9 3 1 5 提供公用的 地址总线和数据总线及专门的控制总线共8 0 根。其中地址总线2 6 根，因此可寻 址的最大范围为6 4 m 。 本系统程序存储器选用单片容量为1 6 m b 的i n t e l 公司的s t r a t a f l a s h 系列 的e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 型n o rf l a s h 。因操作系统映像文件为2 0 m 左右，所以选用两 片n o rf l a s h 作为内存。 该系列n o rf l a s h 工作电压为3 3 v ，访问速度为1 5 0 n s ，页读取速度为2 5 n s 。 为提高芯片的写速度，芯片内部有一个3 2 b y t e 的写缓冲( w r i t eb u f f e r ) ，有效 写时间为每个字节6 8 u s 。内部结构采用高密度对称块( b l o c k ) 结构，块的大 小为1 2 8 k b y t e ，该f l a s h 共有1 2 8 个块“。通过块锁存解锁命令可以对每一个 块进行锁存和解锁操作。每个芯片共有1 6 位数据总线，支持8 位和1 6 位数据模 式( 通过b y t e 引脚进行选择， b y t e 为低时，工作于8 位模式；b y t e 置高， 工作于1 6 位模式) 。芯片有2 4 根地址线，其中地址线a o 在1 6 位模式下不使用。 芯片共有3 个片选引脚c e o 、c e i 、c e 2 ，为使用者提供了更加灵活的片选逻辑。 本系统使用2 片容量共3 2 m b 作为系统程序存储器，通过e p 9 3 1 5 的c s 6 引脚与 c e o 、c e 0 1 、c e 2 相连进行片选。主控制器e p 9 3 1 5 与内存连接电路图如图3 2 、 3 3 所示。 浙江大学硕t 学位论文 系统内存可以作为同步启动存储器与e p 9 3 1 5 内部b o o tr o m 一起用来下载操 作系统映像文件，也可以在f l a s h 启动时用来加载操作系统并在其中执行，可提 高系统速度等”。本系统内存采用2 片m i c r o 公司的s d r a m ，型号为 m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 t g ，单片容量为3 2 m b ，总容量为6 4 m b ，该芯片工作电压在3 3 v ， 所有动作都是在系统时钟上升沿有效。m 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 t g 与e p 9 3 1 5 连接时需要 地址线1 3 根( 行地址线和列地址线复用) ，两片1 6 位s d r a m 需要e p 9 3 5 提供3 2 位数据线”，内存与主c p u 的连接电路图如图3 2 ，图3 4 所示。 图3 2e p 9 3 1 5 数据存储器扩展原理图 6 塑垩查兰堡! 兰些笙塞 a d d r o d a t a o a d d r i &丽 a d d r l 9琵 g n d l s 1 s a d d r od a t a 0 a d d r 20 t a 2 addrdataa a d d r 5 d a t 船 a o d r 6 d a t a a d d r l 4d a t a 】4 a d d r l 5d a t a l 5 a d d r l 8丽 a d d r l 9碇 v g c i而 g n d i s i s g n 0 3n c 图3 3e 2 8 f 1 2 8 j 3 a 1 5 0 与主控制器e p 9 3 1 5 连接电路图 图3 4m t 4 8 l c l 6 m 1 6 a 2 t g 与主控制器e p 9 3 1 5 连接电路图 7 浙江大学硕 学位论文 3 2 数据存储器部分设计 数据部分因e p 9 3 1 5 芯片已集成i d e 接口，且支持p l o 模式4 ，m u l t i w o r dd i i a 模式2 和u l t r ad m a 模式4 ( 简称u d m a ) ，且可以允许同时外接两路i d e 器件。所 以系统存储器部分设计有两个接口一个为c f 卡接口，另一个为2 5 英寸笔记本 硬盘接口。令c f 卡工作于主模式下，而硬盘工作于从模式下。 3 2 3c f 卡接口设计 c f ( c o m p a c tf l a s h ) 卡，最早由s a n d i s k 公司于1 9 9 4 年开发推出。1 9 9 5 年1 0 月为推广c f 卡的应用，c f 卡协会( c o m p a c t f l a s ha s s o c i a t i o n ，简称c f a ) 成立。 十几年来，c f 卡的存储容量不断增大，c f 卡的标准也在更新，目前常用标准为 c f 3 0 c f 卡不仅仅是一个存储器件，且因其内部有一控制器，兼容性良好，无论采 用多大容量的内存芯片组，其外部接口都是标准的a t a ( i d e ) 接口，而且既可以 工作在3 3 v 电压下，也可以工作在5 v 电压下，因此在嵌入式系统中应用非常广泛。 c f 卡采用并行读写方式进行数据操作，因此其数据传输速度非常快，写的速度在 u d m a 模式下可达1 6 m s 。而其容量目前已有8 g 之巨。 c f 卡中的数据为1 6 位。有5 0 管脚。当工作于t r u ei d e 及u d m a 模式下，管脚说 明如表3 1 所示。信号前面有一条“_ ”表示低电平有效，数据流的方向是相对c f 卡而言的：“i ”表示进入c f 卡，0 表示从c f 卡中读取出来，“i 0 ”表示数据的 传输是双向的、“n c ”表示无管脚引出。 如果令c f 卡工作于u d m a 模式下，因其读写频率很高，而在高频数字电路中， 由于信号在传输线上传输会产生一些干扰及反射等，所以需要在传输线的源端串 联一电阻而使阻值匹配，用来消除反射，提高数据传输的准确性”。具体信号线 与串联的电阻阻值见表3 2 。 另外，当时钟线与数据线的长度有很大误差时，造成时钟与数据不同步，将 浙江大学硕士学位论文 会使数据传输出现错误，所以数据线与时钟线误差不能超过o 5 英寸。 表3 1c f 卡管脚安排 说明来源信号管脚管脚信号来源 说明 地g n dl2d 0 3i 0数据总线位第3 位 数据总线何第4 位i o d 0 434d 0 5 i o数据总线位第5 位 数据总线何第6 位i od 0 656 d 0 7 i 0数据总线位第7 位 芯片选择0 位 ic s o78a 1 0 ( 1 )i 地址线第1 0 i f a t a 模式选择( 2 ) i a t a s e l91 0a 0 9 ( 1 )i地址线第9 位 地址线第8 位 ih 0 8 ( 1 )儿1 2h 0 7 ( 1 )i 地址线第7 位 电源v c c1 31 4a 0 6 ( j )i地址线第6 位 地址线第5 位 ia 0 5 ( ”1 51 6a 0 4 ( ”i 地址线第4 位 地址线第3 位ia 0 3 ( i ) 1 71 8a 0 2i 地址线第2 伉 地址线第l 位 ia 0 l1 92 0a 0 0i 地址线第0 位 数据线第0 位i od 0 02 12 2d o l i o 数据线第1 i f 数据线第2 位i o d 0 22 32 4一i o c s l 6o 字传输定义( 3 ) 检测线2 ( 4 ) ic d 22 52 6一c d ii 检测线l ( 4 ) 数据线第1 l 位 i od 1 l ( 5 )2 72 8d 1 2 ( 5 )i o 数据线第1 2 位 数据线第1 3 位i o d 1 3 ( 5 )2 93 0d 1 4 ( 5 ) i o数据线第1 4 位 数据线第1 5 位i od 1 5 ( j )3 l3 2一c s li芯片选择0 位 电平感应线 o- i s l3 33 4 一i o r d ( 7 ) i 详见注释( 6 ) h s t r o b e h d m a r d y 不是u d m a 模式为 i- i o 脓3 53 6 一霄e it r u ei d e 模式未用 写时钟u d m a 模式 s t o p 该引脚，接电源 时终i h u d m a 中断信号线 0 i n t r q 3 73 8v c c电源 主从模式定义线ic s e l3 94 0一v s 2o电平感应线 ( 7 ) 重启信号线 ir e s e t4 14 2i o r d yo详见注释( 6 ) - d d | i a r d y d s t r o b e d m a 模式请求线o d m a r q 4 34 4d 札a c kid m a 模式麻答线 握手状态信号线i o d a s p4 54 6一p d i a g i o握手诊断线 数据线第8 位i o d 0 8 ( 5 )4 74 8d 0 9 ( 5 )i o数据线第9 位 数据线第l o 位i o d i o ( 5 )4 95 0g n d地 在t r u ei d e 模式f 应该由主机接地； 使能t r u ei d e 模式。麻接地： 信号为低电平时，按字传输： 当为低电平时，表明卡与卡座接触良好； 当数据为8 位时可以不用 未用u d m a 时i o r d 为读时钟线，i o r d y 为读准备线： 启_ j u d m a 时，h d i , i a r d y ，读主机数据时，暂停，h s t r o b e 为u d m a 数据弓锁存线 d d t , l a r d y ：读 数据时，暂停；d s t r o b e ，写锁存线。 1 9 “心门h 佰 释注 浙江人学硕j ：学位论文 表3 2u d m a 模式。f c f 卡信号线端接电阻阻值( h o s t ：源端，d i e 、】 i c e ：终端) ” sj q n a ih o s tt e r m l n a t i o nd e v i c et e r m i n a t i o n l o r d ( 。h d m a r d y h s t r o b e ) 2 2o h m8 2o h m i o w r ( s t o p ) 2 2o h m8 2o h m c s o - c s l3 3o h m8 2o h m a 0 0 a 0 1a 0 23 3o h m8 2o h m d m a c k2 2o h m8 2o h m d 1 5t h r o u g hd 0 03 3o h m3 3o h m d m a r q8 2o h m2 2o h m i n t r o8 2o h m2 2o h m i o r d y ( d d m a r d y d s t r o b e ) 8 2 0 h m2 2o h m r e s e t3 3o h m8 2o h m ，在本系统中令c f 卡工作与主模式，且按照u d m a 模式来存储数据，则具体硬 件原理图如图3 5 所示： c fd o2 11 333 v d o v c c l c fl ) 2 2 3 d 1v c c 2 c fd 3 2 3 7c fi n t o cu4 3 d 3 i n t r o 4 2c i o r d y c fd 5 4 cu554 37 、c