毕业设计（论文）-基于ARM的GPS定位与导航系统设计

山东科技大学学士学位论文摘 要GPS（全球定位系统）是一种全方位的实时定位技术。随着 GPS 技术的发展，基于 PC 机的导航定位系统由于其价格及功耗较高己不能满足社会发展的需要，脱离 PC 端的嵌入式导航定位技术迅速发展起来。如今以 ARM 处理器作为主 CPU的嵌入式硬件平台，几乎已经成为信息产业的硬件标准。一方面，它具有体积小、性能强、功耗低、可靠性高等特点，另一方面，它为高速、稳定地运行嵌入式操作系统提供了硬件基础。本文就对基于 ARM 的 GPS 定位导航系统的开发进行了设计与实现。本设计采用ARM微处理器S3C44BOX为核心处理器。在构建最小系统的基础上，扩充了LCD显示、触摸屏输入和GPS模块的接口电路。详细介绍了各模块的工作原理，完成了各电路模块的设计，包括CPU外围电路(复位电路、晶振电路)、Flash电路模块、SDRAM电路模块、人机接口电路(LCD显示电路和触摸屏输入电路)、GPS模块与核心板的通信。本文从实际应用出发，为高效低成本GPS导航系统的大规模应用提供了一种新思路。该系统具有性能稳定、操作简单、成本低廉等特点。关键字：嵌入式 ； ARM ； GPSAbstractGPS (Global Positioning System) is a omnidirectional real-time navigation system. With the development of GPS skills, the high price and power consumption of PC positioning system can not meet the needs of the social development, hence the embedded positioning technology separated from PC port is developing rapidly. Nowadays, the embedded hardware platform with ARM processor as main CPU has almost become the hardware criterion for the information industry. This thesis is to study and realize the development of GPS positioning based on ARM.About hardware designing，the CPU is S3C44B0X of ARM microProeessor. Based on least system，it extents the LCD display circuit, touching screen input circuit as well as GPS module. The paper discusses the principle and realization of each module in detail, including the peripheral circuit of CPU, module of Flash circuit, module of SDRAM circuit , man-machine interface circuit(LCD display circuit and touching screen) and communication protocol of GPS module.From the viewPoint of application，the paper offers a new design idea for application of GPS navigation system on a large scale. By the design method, this system has many virtues which include high reliability, convenient application, , inexpensive and so on.Key Words: Embedded ； ARM ； GPS 目录1 绪论11.1国内外导航系统发展概况11.2导航系统的发展趋势21.3 嵌入式系统的概述31.4 课题的研究背景及意义62 GPS技术的基本原理82.1 GPS 系统的产生与发展82.2 GPS 系统的组成92.3 GPS 基本原理113 系统硬件电路的总体设计174 系统硬件各部分的详细设计194.1基于ARM的系统核心构成194.2 核心系统电路设计275 系统的软件设计流程405.1 系统软件的总体设计流程405.2 GPS信息的接受与处理425.3 电子地图下的定位与导航425.4 语音导航44总结45参考文献46致谢49附录一50附录二711 绪论近年来，随着国民经济的飞速发展，我国的汽车工业和城市化进程步入了一个高速前进的阶段，移动手机的大规模普及使得生活正在发生着日新月异的变化。汽车开始进入百姓人家，而城市的道路面貌也是一天一个样。商务工作和异地旅游使得人们为在陌生城市寻路而烦恼。为此，汽车驾驶者能拥有一台为他在陌生城市中领航指路的设备的需求也变得日益迫切，人们想利用移动手机来进行导航的愿望也愈来愈强。正是在这种要求下，GPS导航系统的市场正是迅速发展壮大。1.1国内外导航系统发展概况GPS是现代高新技术实现军民两用的一个成功范例。汽车导航系统是在全球卫星定位系统GPS基础上发展起来的新型技术。驾车者只要将目的地输入汽车导航系统，系统就会根据电子地图自动计算出最合适的路线，并在车辆行驶过程中(例如转弯前)提醒驾驶员按照计算的路线行驶。车载导航系统一经问世，即显示出强大的生命力和广阔的应用前景，并产生了巨大的社会和经济效益，成为90年代后整个世界新的经济增长点之一。 由于巨大的市场潜力和不可估量的发展前景，日本几乎所有的汽车生产厂家都参加了这一高科技角逐，仅近几年投入市场的新系统就有30多个。如日本的宏达、尼桑、本田、马自达、三菱以及松下、先锋、阿尔派、健伍等公司都已开发出自己的车载导航产品。世界其它发达国家如美国、德国、荷兰不甘落后，力图在该市场占有一席之地。在欧洲，由飞利浦、西门子开发的车载导航系统1995年已在雷诺、菲亚特等大众化民用车辆上使用；奔驰-S系列、宝马-7系列从1994年起，厂装车辆已将GPS车载导航系统在选装清单上。此外，根据GPSWord杂志刊登的美国工业发展研究机构的预测，到2006年，日本、北美和欧洲每年至少有1500-2500万套产品售出，在2010-2015年间，约有50的汽车在出厂时，就已装备了车载导航系统，在以后时间里该系统的普及率将会逐渐提高到100。就国内市场来说，改革开放后，随着我国交通运输事业的迅速发展，如何研究一套适合我国国情的车载导航系统，使之能满足国内运输和车辆管理的需要，这对我国的国民经济建设有重要的现实意义和经济价值。 随着国内私人汽车的普及，车载导航系统将逐渐被人们所认识。尽管目前车载导航系统在国内的使用还很有限，但其巨大的市场潜力已经引起各方的关注。前两年让消费者翘首等待的威驰车最大的亮点和卖点就是车载导航系统，这被视作在中国产的汽车上安装车载导航系统的开端，也是丰田公司对中国车载导航系统市场的一次探路行动。1.2导航系统的发展趋势随着人们时尚观念的不断增强，对车载导航设备的要求也不断提高。人们在对导航功能的准确可靠、设备性能稳定等常规性能追求的同时，也引导出车载导航系统发展的新趋势。相信在不久的将来，会因此产生一个更大的GPS导航系统的市场。(l)丰富的辅助功能。系统在稳定可靠的完成GPS导航功能的同时，也要为使用者在不影响安全的情况下提供休闲娱乐的功能，如MP4的播放、电子书的阅读等;而且在网络技术成熟的今天，在系统中添加网页浏览，收发邮件等功能也是大势所趋。(2)轻巧时尚的外观。在丰富功能的同时，人们并不想在空间有限的车内安装一个类似PC机一样的大设备。因此保证导航系统的轻便美观也是非常重要。如今，随着嵌入式微处理器性能的不断提升，芯片体积不断缩小，有了这样一个核心的支持，导航系统的外观要求不难实现。(3)低廉的价格。车载GPS导航系统在我国的发展一直不快的一个重要原因就是售价太高。要想使GPS导航设备真正的走进平常百姓的车内，就必须保证价格低廉。1.3 嵌入式系统的概述虽然嵌入式系统是近几年才风靡起来的，但其历史可追溯到20世纪70年代。经过30多年的发展，在硬件和软件双螺旋式交替发展的支撑下，嵌入式技术趋于稳定和成熟，己被广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、家庭智能管理系统、POS网络及电子商务、环境检测、机器人等各个领域。毫不夸张地说，嵌入式系统己经无所不在。所以，研究和开发嵌入式系统有着十分重要的意义。1.3.1嵌入式系统定义根据IEEE(国际电气和电子工程师协会)的定义，嵌入式系统是“控制、监视或辅助设备、机器和车间运行的装置”(原文为 :deviees used to control，monitor， or assist the operation of equipment，machinery or plants)，这主要是从应用上加以定义的。不过，上述定义并不能充分体现出嵌入式系统的精髓。目前，国内一个普遍被认同的定义:以应用为中心、以计算机为基础，软、硬件可裁减，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。由于嵌入式系统本身是一个外延极广的名词，凡是与产品结合在一起的具有嵌入式特点的控制系统都可以叫嵌入式系统，很难给它一个明确的定义。因此，目前通常把嵌入式系统概念的重点放在“系统”(即操作系统)上，指能够运行操作系统的软硬件综合体。1.3.2嵌入式系统的组成通常来说，嵌入式系统可以划分成硬件和软件两部分。嵌入式硬件由嵌入式微处理器、片内周边电路和外设各三部分组成。嵌入式微处理器是嵌入式硬件系统的核心，直接影响嵌入式产品的应用范围和开发复杂度。典型的嵌入式微处理器有Motorola公司的PowerPc系列、Intel公司的 strongAnn系列、AMD公司的x86系列以及EPs0N公司的SIC3系列等。嵌入式软件一般由连接硬件和应用程序的嵌入式实时操作系统(Real一 Time Operating System，简称RTos)和在其上运行的应用软件构成。在软件和硬件之间，由所谓的中间层(BSP层，板级支持包)连接。由于嵌入式系统是应用于特定环境下执行面对专业领域的应用系统，所以不同于通用计算机系统。相比之下，嵌入式系统具有以下特点:体积小、功耗低、集成度高，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成到芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大加强。嵌入式系统的软硬件都必须高效率地设计，量体裁衣，去除冗余，最大限度的发挥硬件的性能。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芯片上或者处理器内部，而不是存储在磁盘等载体中。嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须要有一套开发工具和环境才能进行开发。嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。1.3.3嵌入式系统发展历程综观嵌入式系统从出现至今三十多年的发展，大致经历了以下四个阶段:第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统，同时具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。这一阶段系统的主要特点是:系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。第二阶段是以嵌入式CPU为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统。这一阶段的操作系统具有一定的兼容性和扩展性，但用户界面不够友好。第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统的主要特点是:嵌入式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好;操作系统内核精小、效率高，并且具有高度的模块化和扩展性;具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户界面等功能;具有大量的应用程序接口，开发应用程序简单;嵌入式应用软件丰富。第四阶段是以基于Iniernet为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。目前大多数嵌入式系统还孤立于Intemet之外，但随着Intemet的发展以及Intemet技术与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与hitemet的结合将代表着嵌入式技术的真正未来。1.4 课题的研究背景及意义现代车辆导航方面的研究己经具有30多年的历史。它融合了汽车、交通、计算机、通信、系统科学等领域的技术，一直是众多高科技公司和各个大学乃至各国政府研究的热点。我国的智能交通系统的建设仍处于初级阶段。导航终端作为智能交通系统的神经末梢，很多公司在进行研制生产，推出的GPS导航终端有高端和低端两大类。高端产品除导航功能外，其它如无线通讯、上网等功能都一应俱全。它们的市场销售价格大多在万元左右。相比之下，低端产品只提供作为导航终端的必要的功能，系统复杂度低，成本低，面向的是普通客户以及行业客户，市场前景更为明朗。作为发展方向的高端导航系统在运用上却存在着诸多的不足，其一，在整个系统的售价上偏高，普通消费者难以接受;其二，整个系统偏大，在车载空间上存在限制;其三，电子地图的更新频率不够，存在着导航的准确性不足。本文的研究正是从高端和低端产品的不足点出发，利用价格低而功能强大的ARM7微处理器来实现GPS导航系统，使得整个系统成本低、功能完善、扩展性能优异，能够在普通消费者中快速普及。2 GPS技术的基本原理2.1 GPS 系统的产生与发展1957年10月4日，世界上第一颗人造地球卫星（SPUTNIK-1）的发射成功，标志着空间科学技术的发展进入一个崭新的时代。第一代卫星导航系统是美国海军实验室与霍布金斯大学应用物理实验室研制的海军导航卫星系统（NavyNavigation Satellite System, NNSS）。该系统的卫星轨道都通过地极，故也称为“子午（Transit）卫星导航系统”，1964年建成后，随即由美国军方启用，并于1967年解密星历，提供民用服务。实践证明，子午卫星导航系统具有精读均匀、不受天气和时间限制等优点，只要能观测到子午卫星，就可以对地球表面的任何地方进行定位，从而获得测量点的三维空间坐标。该系统自投入民用以来，除了为远洋船舶提供导航定位外，还相继用于海上石油勘探、钻井定位、海底电缆铺设、海洋调查与测绘、海岛联测以及大地控制网的建立等方面，充分显示了卫星导航定位的巨大潜力。子午卫星系统被称为第一代卫星导航系统，但是该系统仍有许多明显的缺点。主要表现为：卫星颗数少，不能实现连续实时导航定位；卫星轨道高度低，难以实现精密定轨；信号频率低，难以补偿电离层效应的影响。以上这些缺点使得子午卫星导航系统难以充分满足军事用户和某些民用用户的定位要求，尤其是高动态、高精度用户的定位要求，因此使其应用受到了很大的限制。为了突破子午卫星导航系统的局限性，实现全天候、全球性和高精度的连续导航与定位，1973年美国国防部批准其陆、海、空三军联合研制新的军用卫星导航系统NAVSTAR GPS（navigation system timing and ranging global positioningsystem），即卫星测时与测距全球定位系统，简称GPS卫星全球定位系统。2.2 GPS 系统的组成2.2.1 空间部分GPS 卫星星座GPS空间部分由24颗卫星组成，其中21颗工作卫星、3颗在轨备用卫星。24颗卫星均匀分布在距离地面大约20183km的6个轨道平面内，每条轨道与赤道面的交角为55度，各个轨道平面之间相距60度（即轨道的升交点赤经相差60度），每条轨道上有4颗卫星。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度。位于地平线以上的卫星颗数随着时间和地点的不同而不同，最少可见到4颗，最多可以见到11颗。在用GPS信号导航定位时，为了结算观测点的三维坐标，必须观测4颗GPS卫星，称为定位星座。这4颗卫星在观测过程中的几何位置分布对定位精度有一定的影响。对于某地某时，甚至不能测得精确的点位坐标，这种时间段叫做“间歇段”。但这种时间间歇段是很短暂的，并不影响全球绝大多数地方的全天候、高精度、连续实时的导航定位测量。在GPS系统中，GPS卫星的基本功能如下：(1) 执行地面监控站的指令，接收和存储由地面监控站发来的导航信息；(2) 向GPS用户播送导航电文，提供导航和定位信息；(3) 通过高精度卫星钟（铯钟和铷钟）向用户提供精密的时间校准。2.2.2 地面监控部分GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个地面天线站和五个监测站。主控站设在美国本土科罗拉多斯普林斯的联合空间执行中心，主要是进行协调、管理所有地面监控网络的工作。地面天线站的主要任务是在主控站的控制下，将由主控站推算和编制的卫星星历、钟差、导航电文和其他控制指令等注入到相应卫星的存储系统，并监测注入信息的正确性。监测站的主要任务是为主控站编算导航电文提供观测数据。2.2.3 用户接收部分用户接收部分主要由以无线电传感和计算机技术支撑的GPS卫星接收机和GPS数据处理软件构成。微处理器是GPS接收机的核心，承担整个系统的管理、控制和实时数据处理工作。视屏监控器是接收机与操作者进行人机交流的部件。1GPS接收机GPS卫星接收机的基本结构是天线单元和接收单元两部分。 天线单元天线单元的主要作用：当GPS卫星从地平线上升起时，能捕获、跟踪卫星，接收放大GPS信号。 接收单元接收单元的主要作用是：GPS接收机对接收到的卫星信号，进行解码或采用其它技术，将调制在载波上的信息进行滤波处理，还原出GPS卫星发送的导航电文，解出信号的传播时间和载波相位差，实时地获得位置、速度、时间等数据。对于测地型接收机来说，两个单元一般分成两个独立的部件，观测时将天线单元安置在测量点上，接收单元置于测量点附近的适当地方，用电缆线将两者连接成一个整机。也有的将天线单元和接收单元制作成一个整体，观测时将其安置在测量点上。GPS接收机一般用蓄电池做电源，同时采用机内、机外两种直流电源。设置机内电池的目的在于更换外电池时不中断连续观测。在用机外电池的过程中，机内电池自动充电。关机后，机内电池为RAM存储器供电，防止数据丢失。目前各种类型的GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，以便于野外观测。2GPS数据处理软件GPS数据处理软件是GPS用户系统的重要部分，其主要功能是对GPS接收机获取的卫星测量记录数据进行处理，并对处理结果进行坐标转换及分析综合处理。解出测量点的三维坐标，载体的坐标、运动速度、方向及精确时刻。2.3 GPS 基本原理GPS的基本定位原理是:卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置，三维方向以及运动速度和时间信息。2.3.1 卫星的位置GPS 卫星的位置信息包括在卫星发射的信号中。卫星信号包括三种信号分量：载波、测距码和数据码。内容有：(1) 卫星星历及星钟校正参数；(2) 测距距时间标记；(3) 大气附加延迟校正参数；(4) 与导航有关的信息。一般的 GPS 接收机只能接收 Ll 信号。接收机根据特定的算法，能够从 Ll 信号中提取出数据码 D(t)，即导航电文。导航电文的具体内容包括遥测码、转换码、第一数据块、第二数据块和第三数据块五部分。遥测码（TLM）位于每个子帧的第一个子码，作为捕获导航电文的前导。其中所含的同步信号为各子帧提供了一个同步起点，使用户便于解释电文数据。转换码（HOW）是各子帧的第二个子码，它的主要作用是帮助用户从已捕获的 C/A 码转换到 P 码的捕获。第一数据块的主要内容是：卫星时钟校正参量及其数据龄期、星期的周数编号和大气校正参量及卫星工作状态等。第二数据块包括第二和第三子帧，它载有卫星的星历。这是 GPS 定位中最常用的基本数据。第三数据块由第四子帧和第五子帧构成，它的内容为系统内所有卫星的粗略星历、粗略时钟校正量、卫星识别及卫星工作正常与否的字符。每颗卫星的数据需要占用一个子帧，该数据块的目的是使用户只要收到一颗卫星的信号就可以粗略知道其他卫星的情况。当 GPS 接收机接收到信号后，就可以根据这个编排格式提取出计算所需的数据。2.3.2 卫星与用户间的相对距离GPS 使用单向测距方法来测定某颗卫星与用户的相对距离。它使用两台时钟，一台在用户接收设备上，一台在卫星上。计算卫星与用户之间的距离，实质上是通过比较 GPS 接收机中恢复的卫星钟和用户本身的时钟之间的差，即测量卫星钟传播到用户所花的时间即传播时延得以实现。如果两时间精确同步，即两时钟信号同频同相，那么，利用距离等于时间乘以光速的原理，得到卫星和用户间的真实距离 R=Ct。但是卫星钟和用户钟往往不能精确同步，当两者存在钟差t 时，这样测得的距离并不是用户和卫星间的真实距离，而是伪距（Pseudo range），简称 PR，表示为 PR=R+Ct ， t 取值是有正负的，用户钟慢于卫星钟取正，反之取负。2.3.3 用户位置的计算下图为GPS卫星定位示意图由距离公式有下列方程:(x1-x)2+(y1-y)2+(z1-z)2+C*C*t=d1*d1(x2-x)2+(y2-y)2+（z2-z）2+C*C*t=d2*d2(x3-x)2+(y3-y)2+（z3-z）2+C*C*t=d3*d3(x4-x)2+(y4-y)2+（z4-z）2+C*C*t=d4*d4方程中。C是GPS信号的传播速度，即光速。D1一d4是卫星到定位点的距离，(x，y，z)是卫星的轨道坐标；t是卫星与接收机的时钟差。解方程就得到了需定位点的位置。从而实现了定位。2.3.4 GPS 的定位方式用GPS 进行定位有许多定位方式，按照参考点的位置不同，定位方式可分为以下几种：1. 静态定位和动态定位如果在定位过程中，用户接收天线处于静止状态，或者明确的说，待定点在协议地球坐标系中的位置，被认为是固定不动的，那么这些待定点的位置的定位测量被称为静态定位。由于待定点固定不动，因此可通过大量重复观测提高定位精度。正因如此，静态定位在大地测量、地球动力学研究等方面获得广泛的应用。相反，在定位过程中，用户接收天线处于运动状态，这是待定点位置随时间变化。确定这些待定点的位置，被称为动态定位。2. 绝对定位和相对定位绝对定位是以地球质心为参考点，测定接收天线（即待定点）在协议地球左边系中的绝对位置，又称为单点定位。单点定位工作和数据处理都比较简单，其定位结果受卫星星历误差和信号传播误差影响显著，所以定位精度较低，适用于低精度测量领域。如果选择地面某个固定点为参考点，确定接收机天线相位中心相对参考点的位置，称为相对定位。由于相对定位至少适用两台以上的接收及，同步跟测颗以上的GPS卫星，因此所获得的观测量和误差都具有相关性。采用适当的数学模型，即可消除或者削弱观测量所含的误差，使定位结果达到相当高的精度。在动态相对定位技术中，差分定位即DGPS定位（differential global positioningsystem）受到了普遍重视。在进行DGPS定位时，一台接收机被安置在参考点上固定不动，其余接收机则分别安置在需要定位的运动载体上。固定接收机和流动接收机可分别跟踪4颗以上GPS卫星的信号，并以伪距作为观测量。根据参考点的已知坐标，可计算出定位结果的坐标改正数或距离改正数，并可通过数据传输电台发射个流动用户，以改进流动站定位结果的精度。2.3.5 GPS 系统的优点1. 提供全天候、全球性的导航、定位服务GPS卫星的数目较多，且分布合理，所以地球上的任何地方均可同时观测到至少4颗卫星，从而保障了全球、全天候连续地三维定位。2. 可进行高精度、高速度的精密导航和定位目前，GPS单点实时定位观测为几秒钟，定位精度可达1015m；近期发展起来的GPS差分动态定位技术和相位差分动态定位技术，进一步缩短了观测时间，提高了定位精度，实现了厘米级实时导航和定位。3. 可实现实时定位利用GPS，可以实时地确定运动目标的三维位置和速度，由此既可以保障运动载体沿预定航线运行，也可以实时地监视和修正航向路线，并可以选择最佳航线。3 系统硬件电路的总体设计以导航系统所要实现的功能为设计标准，系统硬件按功能模块的形式划分为以下几个部分：(l)微处理器单元。作为系统的核心，微处理器承担着系统各种功能的实现。除了要求具有较高的运行速度外还必须拥有丰富的外设接口以及轻巧的封装，以便实现系统的运行稳定、功能丰富、结构轻便的设计宗旨。(2)数据存储单元。这个部分主要是实现对操作系统、应用软件以及地图数据的存储。(3)人机交互单元。这部分包含两个方面的内容，在输入方面，操作者通过触摸屏向导航系统输送控制命令。同时系统通过输出设备向操作者反馈系统的工作状态。而在输出方面则包含了针对视觉的液晶屏。(4)GPS模块。在系统处于导航工作模式下，通过GPS模块实时的接收车辆的位置坐标，提供给导航软件，以便将车辆的实时位置反映在导航地图上。嵌入式GPS导航系统的硬件模块见图3.1。图3.1系统硬件示意图4 系统硬件各部分的详细设计4.1基于ARM的系统核心构成在嵌入式终端领域中有种类繁多的微处理器，如PowerpC，MlpS，MC6800o和ARM等。而ARM系列微处理器凭借着其强大的性能优势，逐渐地受到人们青睐。本系统就是希望以低成本的软硬件来实现GPS导航系统在普通消费者中的普及，因此硬件CPU选择的首要因素是低成本原则。在这个基础上，处理器的功能还要满足系统要求并适当留有扩展余地。考虑到这些因素，SAMSUNG公司生产的ARM7芯片S3C44BOX是个不错的选择。4.1.1 ARM 简介ARM（Advanced RISC Machines），既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM 公司自 1990年 11 月在英国剑桥成立以来，在 32 位 RISC（Reduced Instruction Set Computer精简指令集计算机）CPU 开发领域不断取得突破。目前，ARM 公司提供七个处理器核系列：ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、ARM11、SecurCore 以及 Cortex。ARM 技术已遍及工业控制、消费类电子产品、通讯系统、网络系统、无线系统等各类市场，并逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM公司一直以IP（Intelligence Property）提供者的身份向各大半导体制造商出售只是产权， 而自己不介入芯片的生产和销售，加上其设计的芯核具有低功耗、成本低、高性能、高效率等显著优点，因此获得众多半导体厂家和整机厂商的大力支持，在 32 位嵌入式应用领域取得了巨大的成功，目前已经占有 75%以上的 32位RISC嵌入式市场。世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据各自不同的应用领域，假如适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片进入市场4.1.2 ARM体系结构和S3C44BOX硬件资源S3C44BOX微处理器采用0.25umCMOS工艺制造，特别适合低成本、低功耗应用。它的CPU采用ARM公司的 16/32位 ARM7TDMIRISC结构。为什么ARM构架的处理器这么受市场的欢迎?它到底有什么特别的地方?下面简单地介绍一下ARM处理器体系结构的特点和s3C44BOX的硬件资源。(1)ARM体系结构ARM7采用三级流水线和冯诺依曼结构，提供0.9MIPs/MHZ的性能。ARM7TDMI是世界上广泛使用的犯位嵌入式RISC处理器。作为一种RISC体系结构的微处理器，ARM微处理器除了具有RISC体系结构的典型特征，还具有以下特点:每条数据处理指令，都控制算术逻辑单元(ALU)和移位器，以使ALU和移位器获得最大的利用率;自动递增和自动递减的寻址模式，以优化程序中的循环;同时Load和Store多条指令，以增加数据吞吐量;所有指令都可以条件执行，以增大执行吞吐量;高端产品扩展了高级数字信号处理功能指令。这些特性是对基本RISC体系结构的增强，使得ARM处理器可以在高性能、小代码尺寸、低功耗和小芯片面积之间获得好的平衡。(2)处理器状态采用ARM芯片设计产品，如果应用简单，用户可以只需要编一些单个的控制程序就能满足要求，这就类似单片机的开发，只需要做成前后台系统。但是如果应用很复杂，就需要加载嵌入式操作系统，如WinCE，嵌入式Linux，uC/OS。然后在嵌入式操作系统之上开发用户的应用程序，通过嵌入式操作系统来完成用户进程的调度和相对底层硬件的控制。同时，嵌入式应用的环境往往要优先保证实时性。为此，ARM体系结构对采用操作系统和保证实时性都提供了强有力的支持，有些结构为了支持05特别进行了优化。这从ARM的程序模型可以看出。ARM体系支持7种处理器模式(Procesormode):用户模式(User:usr):这是用户程序运行的正常模式，在这种模式下，程序不能访问一些受保护的资源，以利于操作系统控制系统资源的使用。系统模式(Systerm:sys):这种模式只有ARMv4及其之上的版本才能支持，主要用于对操作系统的支持和对系统资源的管理。快速中断模式 (FIQ:fiq):快速响应用户中断，支持高速数据传输，以满足少数需要极高实时性的请求。中断模式(IRQ:irq):用于一般的中断处理，可以对应一般的多个中断源。监督模式 (supervisor:svc):用于操作系统的保护模式。中止模式(Abort:abt):用于对虚拟内存的实施和保护。未定义模式(Undefined:und):支持用软件仿真硬件的协处理器.大部分应用程序都在User模式下运行。当处理器处于User模下时，执行的程序无法访问被保护的系统资源，也不能改变模式，否则就会导致一次异常。对系统资源的使用由操作系统来控制。User模式之外的其它几种模式也称为特权模式，它们可以完全访问系统资源，可以自由地改变模式。其中的FIQ，IRQ，Supervisor，Abort和undefined 5种模式也被称为异常模式，它们都有各自的额外寄存器，用于避免在发生异常的时候与用户模式下的程序发生冲突。在处理特定的异常时，系统进入这几种模式。还有一种模式是System模式，任何异常都不会导致进入这一模式，而且它使用的寄存器和User模式下基本相同。它是一种特权模式，用于有访问系统资源请求而又需要避免使用额外的寄存器的操作系统任务。(3)存储器组织对于RISC体系，由于采用了精简指令集和控制单元的硬连线设计，芯片上可以有更多的面积分配给寄存器，以加快程序运行。ARM处理器有37个寄存器，其中31个是32位的通用寄存器，包括一个程序计数器 (ProgramCounter，PC)。在任何一种处理器模式下，其中的16个通用寄存器都是可见的。其它的寄存器用来加速异常处理。ARM指令当中指定的所有寄存器都可以从这16个可见的寄存器中寻址。31个通用寄存器分为几个相互重叠的组，每一组寄存器用于一种特定的处理器状态。通常，一种状态下可见的寄存器为巧个通用寄存器(RO一R14)、一个或两个状态寄存器和程序计数器Pc。其中，RO一R7被称之为unbankedregister，表示在所有处理器模式中，它们都代表相同的犯位物理寄存器。它们没有特殊的功能，仅当作通用寄存器使用。而寄存器R8一R14被称作bankedregister，它们实际代表的32位物理寄存器与当前的处理器状态有关。它们可以在指令中用作通用寄存器，同时，ARM体系结构还为它们中的一部分赋予了特殊的作用:R13用作堆栈指针SP，R14用作链接寄存器LR。另外6个寄存器是程序状态寄存器，它们也是32位的寄存器，但是只用到了32值中的12位。这6个寄存器也被称为程序状态寄存器。当前程序状态寄存器(CPSR)在所有的处理器模式下都可以访问。它包含了条件码、中断屏蔽码、当前处理器模式和其它的状态及控制信息。除此之外，每种异常模式都有一个保留程序状态寄存器(SPSR)，用于在发生中断的时候保存CPSR的值。 (4)ARM寻址方式ARM处理器的基本寻址方式有以下几种:寄存器寻址立即寻址基址加偏址寻址寄存器间接寻址堆栈寻址块拷贝寻址相对寻址(5)S3C44BOX的硬件资源S3C44BOX是其中一款专门为手持设备以及通用嵌入式系统等应用而设计的16/32位RISC处理器，它具有32x8bit的硬件乘法器、支持基于JTAG的调试、采用了一种新的三星 ARM CPU嵌入总线结构SAMBA2(最大速度可以达66MHZ)，从而为相关的嵌入式产品提供一个低成本高性能的解决方案。S3C44BOX的设计充分考虑到了嵌入式产品的特点，在芯片中搭配了丰富的接口以及集成了很强的管理功能。它主要拥有以下配置:该芯片为ARM7TDMI内核中配置了 8KB Cache，这8KB的Cache可以全部被配置成Cache或者是内部的SRAM使用，也可以两者各占一半。这种设计方便了系统设计人员的取舍，使得系统的设计可以较为灵活，同时也提高了ARM内核的处理速度。该芯片中集成了 LCD Controller，可以直接支持彩色/单色/灰度的LCD显示面板。该控制器最大可以支持256色STN，可以通过编程设定显示尺寸，基本可以满足一般的图形和文字显示需求;芯片中为LCD控制器配置了专用的DMA通道，这样可以大大提高显示的刷新速度。该芯片可以在内置的PLL调节下使处理器运行在66MHz的时钟频率下;芯片内各外部接口的时钟都可以通过可编程寄存器进行调节，并且可以灵活的、有选择的关闭和开启各外部接口的时钟，这样可以控制能量的消耗。同时，该芯片支持电源管理功能，可以工作在正常、慢速、空闲以及停止这四种不同的模式下，通过外部和实时时钟中断可以唤醒芯片。该芯片支持的高达256Mbyte的存储空间，是由8组32Mbyte的存储区域构成的。系统设计人员可以为每个存储区域指定8，16或32位的数据总线宽度，可以灵活的指定每个存储区域的大小。该芯片支持多达30个中断源，这些中断源被分配给了内部的外设接口部件。为了减少中断响应的延迟，提高处理器的实时性，该芯片内置的中断控制器在硬件上直接支持中断服务矢量，在硬件进行逻辑判优的同时由硬件直接提供进入中断矢量表的调转指令。该芯片还为非常紧急的中断源提供了快速中断请求(FIQ)的响应。该芯片集成了一个10位的数模转换器(ADC)，它是由一个8通道模拟输入多通道转换器、自调零比较器、时钟发生器、10位连续逼近寄存器以及输出寄存器构成的。该ADC的微分线性误差为土 1LSB，积分线性误差为士2LSB，最大转换率为1OOKSPS。该ADC可以通过软件选择为掉电模式。芯片中集成了看门狗定时器，它将根据程序来判断程序运行是否出错，用于在供电后使芯片从出错中恢复正常工作，是保证嵌入式软件长期、可靠的运行的有效方式之一;具有实时时钟RTC单元，能够准确的记录事件发生的时间和相关信息。该芯片集成了2通道的通用异步收发器(UART)，支持DMA及中断方式，支持红外线传输(符合 IrDA1.0规格)，每个通道都有两个内部的犯字节的FIFO缓冲区。另外，该芯片还支持nC总线、115总线以及同步串行FO传输的扩展。由上可见，S3C44BOX嵌入式微处理器是一款功能比较丰富，性能比较优异，开发较为方便的芯片，它能够满足多个行业的嵌入式产品的需求。S3C44BOX处理器基于ARM7TDMI体系结构，采用0.25um的CMOS工艺制造，并且在ARM7TDMI的基础功能上集成了大量的外围器件，适合设计成为低成本的嵌入式应用系统。集成的器件主要有: 8KB Cache、外部存储控制器、LCD控制器、4个DMA、2个通用串行总线、一个多主IIC、一个IIS、5通道的PWM定时器、一个内部定时器、71个GPIO、8个外部中断、实时时钟、8通道10位ADC。图4.1 S3C44B0X 内部结构图图4.2 S3C44B0X电路模块4.2 核心系统电路设计核心系统主要由电源电路、CPU外围电路、存储电路等常规电路构成。4.2.1电源电路设计电源管理系统的设计是非常重要的，是否有一个良好的供电系统影响到开发平台是否能很好的工作。该系统中需要，5V，3.3V和2.5V的直流稳压电源。其中，内核供电需要2.5v，I/O、存储器及其他外设需要3.3v电源，GPS模块和LCD模块需要5V电源供电。 电源设计采用由直流稳压电源(220V交流电变为5V直流电)提供5V直流电源，经过DC一DC线性电源变换器 LMI117将5V降压至3.3V和2.5V输出。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列。LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。另外还有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型号。 在输入输出压降幅度大、功耗高或要求升压的场合，往往采用开关电源方案;在压降小、功率要求不是很大的时候，使用线性电源为宜。电源是整个系统中最重要的环节，大多数不稳定的因素或故障都是由于电源方面的设计造成的，因此必须加以重视，否则后患无穷。图4.3为系统电源电路。 图4.3 系统电源电路4.2.2 CPU外围电路这一部分主要包括复位电路、时钟电路。(l)复位电路。复位对于一个系统来说很重要:由于各个单元要进入正常工作状态，需要可靠地复位，正常情况下，一般有上电复位和手动复位。如果电源电压出现波动，系统会非正常复位，这时候会发生复位时间不够从而造成一些错误甚至死机，所以复位监控电路也是有必要的，本设计中采用电源管理芯片IMP811设计复位电路。图4.4为复位电路模块。图4.4 复位电路(2)时钟电路。时钟电路用于向CPU及其它电路提供工作时钟。s3C44BOX需要两路时钟输人，一路是CPU工作时钟输入，另一路提供给RTC电路。两个时钟晶振都采用无源晶振，用于CPU工作的晶振输出8MHZ时钟信号到CPU，由CPU内部PLL倍频到66MHZ，RTC时钟采用32.768K的晶振。图4.5为系统时钟电路。图4.5 系统时钟电路4.2.3 F1ash与CPU的连接电路Flash存储器是一种可在系统(In一system)进行电擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点。并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，Flash在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。现在市场上两种主要的非易失性存储技术是 NOR Flash和 NAND Flash。 NOR Flash的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在Flash内运行，不必再把代码读到系统RAM中。NOR的传输效率很高，在1-4MB的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。 NAND Flash结构能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用NAND的困难在于Flash的管理和需要特殊的系统接口。本系统中用 NOR Flash存储启动代码及应用程序，选用2M字节的SST39VF160作为程序存储器。图4.6为Flash电路模块。图4.6 Flash 电路模块SST39VF160详细资料见附录4.2.4 SDRAM与CPU的连接电路与Flash存储器相比较，SDRAM不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度远远高于Flash存储器，且具有读/写的属性，因此，SDRAM在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU首先从复位地址Ox00处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入SDRAM中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在SDRAM中。目前常用的SDRAM为8位/16位的数据宽度，我们可根据系统需求构建16位或32位的SDRAM存储器系统。本设计中使用两片现代公司的HY57V641620HG芯片构建16位的SDRAM存储器系统，每片为8M。HY57V641620芯片工作电压为3.3V，常见封装为54脚TSOP。图4.7所示为一片HY57V641620的电路原理图。图4.7 SDRAM电路模块4.2.5 人机接口电路这一部分包括两个模块，一是LCD显示器电路模块，一是触摸屏电路模块。 (1)LCD电路模块大部分ARM处理器中都集成了LCD的控制器，所以针对ARM芯片，一般不使用带有驱动电路的LCD显示模块。 S3C44BOX可以支持TFT型和STN型的LCD及触摸屏，可以直接与LCD相连。不需要接口板驱动。 S3C44BOX中具有内置的LCD控制器。它能将显示缓存(在SDRAM存储器中)中的LCD图像数据传输到外部的LCD驱动电路上的逻辑功能。它支持单色、4级、16级灰度LCD显示，以及256彩色LCD显示。对于不同尺寸的LCD显示器，它们会有不同的垂直和水平象素点、不同的数据宽度、不同的接口时间及刷新率，通过对LCD控制器中的相应寄存器写入不同的值，来配置不同的LCD显示板。本系统选用信利的MCT-G320240DNCW一 15NSTN型液晶显示屏，5.7寸320x240象素的8位数据的256彩色LCD屏，显示一屏所需的显示缓存为320x240x8bit，即76800字节。图4.8为LCD接口电路