（计算机软件与理论专业论文）基于uclinux的纸币识别器底层系统研究和实现.pdf

摘要 纸币识别器是自助售卖领域的核心设备之一，目前已广泛应用于 各种金融交易场合。但随着嵌入式技术的发展，8 位或1 6 位单片机 裸机已经越来越不能满足应用的需要。而基于金融货币识别类设备对 系统实时性响应的特殊要求，嵌入式纸币识别系统的方案必须采用实 时操作系统。 然而，嵌入式微处理器和实时操作系统的引入给原有纸币识别系 统带来了新的问题，必须对其进行改进。在此基础上，本文结合基于 a r m 7 t d m i 核的微处理器和已进行实时性改进的新的2 6 版本的 u c l i n u x 内核，对纸币识别器进行了重新分析和移植。 本文主要论述了以下三个方面的工作：首先从硬件角度阐述了设 计所采用的各硬件模块的组成和功能；在简要说明了u c l i n u x 的基本 特性和实时性改进的方法之后，针对纸币识别器的硬件结构，讨论了 u c l i n u x 操作系统的移植与裁剪，分析和实现了引导嵌入式操作系统 的b o o t l o a d e r 程序，然后完成了它们在f l a s h 上的烧录；最后对 u c l i n u x 设备驱动程序的基本原理、一般编写方法以及纸币识别器专 用的硬件芯片的编程模型进行了研究分析，重点阐述了开发和移植 f l a s h 、驱动电机和信号收集、m d b 等相关驱动程序的过程，并充 分利用u c l i n u x 相关的内核机制，采用基于中断的方式来实现，使之 满足了纸币识别器的实时性要求。 这种嵌入式底层系统，即能实现纸币识别器的硬件和软件应用接 口的标准化，也具有很好的可扩展性，为适应金融设备在远程智能监 控、升级和无线通讯的需要提高了强有力的支持。 关键词纸币识别器，嵌入式系统，u c l i n u x ，b o o t l o a d e r ，设备驱动 a b s t r a c t ，a so n eo ft h ek e ye q u i p m e n t si nt h ef i e l do fv e n d i n gm a c h i n e ，b i l l a c c e p t o rh a sb e e nw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i n a n c i a lt r a d eo c c a s i o n s 晰t l l t h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g yi ne m b e d d e ds y s t e m ，b a r es i n g l ec h i p b o a r dw i t h8 - b i t so r16 一b i t sm c uc a n tf u l f i l lt h em e e to f a p p l i c a t i o n s a n d a c c o r d i n gt ot h es p e c i a lr e q u e s to fs y s t e mr e a l - t i m er e s p o n s e ，t h i s p r o j e c ta b o u te m b e d d e db i l la c c e p t o rm u s ta d o p tr e a lt i m eo p e r a t i o n s y s t e m h o w e v e r , w i t ht h ei n t r o d u c t i o no fe m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ra n d r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ，t h ee a r l i e rs y s t e mo fb i l la c c e p t o re n c o u n t e r s n e w p r o b l e m s ，i ti sn e c e s s a r yt ob ei m p r o v e d o nt h eb a s i so ft h a t , t h i s t h e s i sr e n e w e d l ya n a l y s e da n dp o r t e db i l l a c c e p t o rb yu s i n gt h em p u b a s e do na r m 7 d t m ic o r ea n dt h eu c l i n u xk e m e lt h a th a si m p r o v e d r e a l t i m ep e r f o r m a n c eo ni t sn e wv e r s i o n2 6 t h i st h e s i sb a s i c a l l yd i s s e r t a t e df o l l o w i n gt h r e ek i n d sm a i nw o r k s f i r s t l y , a l li n t r o d u c t i o na b o u tt h ec o m p o n e n t sa n df u n c t i o n so ft h e h a r d w a r em o d u l e sa d o p t e db ys y s t e mw a sg i v e nf r o mt h ev i e wo f h a r d w a r ed e s i g n i n g ；s e c o n d l y , t h eb a s i cc h a r a c t e r i s t i co fu c l i n u xa n d i m p r o v i n gm e t h o d sf o ri t sr e a l t i m ep e r f o r m a n c ew a ss i m p l yd e s c r i b e d ， a n dt h e nt h er e d u c t i o na n d p o r t i n gf o ru c l i n u x w e r ed i s c u s s e db a s e do n t h eh a r d w a r es t r u c t u r eo fb i l la c c e p t o r m e a n w h i l e ，b o o t l o a d e r , w h i c hi s as e c t i o no fp r o g r a mu s e dt ob o o te m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，w a sa l s o a n a l y s e da n di m p l e m e n t e d a f t e r w a r d ，b o t ho fu c l i n u xa n db o o t l o a d e r w e r ed o w n l o a d e ds u c c e s s f u l l yt of l a s ha tl a s t ；f i n a l l y , t h er e s e a r c ha n d a n a l y s i sa b o u tu c l i n u xd e v i c ed r i v e r sb a s i c a lp r i n c i p l e ，c o m m o n l y p r o g r a m m i n gm e t h o d sa n dp r o g r a m m i n gm o d e lo fh a r d w a r ec h i p so n l y i nb i l la c c e p t o rw e r eg i v e n t h ep r o c e s sa b o u td e v e l o p i n ga n dp o r t i n g r e l e v a n td e v i c ed r i v e r s ，l i k ef l a s h ，m o t o r , s i g n a lc o l l e c t i n ga n dm d b e t c ，w e r em o s t l yd i s c u s s e d b e s i d e s ，a f t e rf u l l yu t i l i z i n gr e l e v a n tk e r n e l m e c h a n i s m sa n d i m p l e m e n t i n gb yu s i n gt h em e t h o d so fi n t e r r u p t i o n ，b i l l a c c e p t o rc a nm e e tt h er e q u e s to fr e a l - t i m ea tl a s t t h i st e c h n i q u eo fe m b e d d e db o t t o ms y s t e mc a nn o to n l yp r o v i d e i i s t a n d a r di n t e r f a c ef o rh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea p p l i c a t i o n s ，b u ta l s oe a s i l y e x t e n df o r s u p p o r t i n g t h en e e d so fr e m o t e i n t e l l i g e n t m o n i t o r m a n a g e m e n to ru p g r a d ea n dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n k e yw o r d sb i na c c e p t o r , e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x ，b o o t l o a d e r , d e v i c ed r i v e r 1 1 1 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特另t l , d i ：l 以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：i 墼垫日期：上生年上月卫日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：；丛型导师签名差堕日期：丝l 吐月卫日 八 硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 随着经济、技术的发展和人类生活方式的改变，金融货币识别设备终端等 自助服务设备已经广泛应用于国内外各行各业，这给人们的工作和生活带来了 极大的便利，但也对它提出更多得要求。 近年来，嵌入式系统得到了很大发展，使用嵌入式操作系统的自助服务设 备，其功能、稳定性、可靠性、安全性、可扩张性等诸方面表现出色，正逐渐 成为主流产品。 1 1 纸币识别器的背景 金融货币识别设备广泛应用于各种现金支付的服务系统，如金融、商业、 交通、电信、公用事业、文化娱乐等各个领域的自动存款机、自助信息亭、自 动充值机、自动售货机、自动售卡机、自动售票机、纸硬币兑换机、自动缴费 机等1 1 。 纸币识别接收器是这些服务系统的关键设备，它是一种能够自动接收纸币、 对其进行真假及面额识别，拒绝假币、接收真币，并能将接收情况以适当形式 向其他装置( 如计算机) 汇报的智能装置1 2 j 。 对于纸币识别器的研究和应用，国外比较早，也比较广泛。比如主要使用 设备自动售货机在二十世纪五、六十年代西欧就已经出现，现在已经获得了广 泛的认可，形成了规模比较大而且比较稳定的市场。据统计，在美国平均每4 0 人拥有一台自动售货机，欧洲每6 0 人一台，日本每1 8 人一台。在日本，7 0 份额的罐装饮料是通过自动售货机售出的。目前，全球每年对嵌入式货币自助 识别与支付应用产品的稳定需求量在3 0 0 - 4 0 0 万套以上，产值数十亿美元。各 种货币识别与自助支付嵌入式产品琳琅满目，已经形成成熟的产业链。 中国从2 0 世纪9 0 年代初开始引进，到现在已经有国内厂商实现了自主研 制和生产，市场也具有一定程度的规模，如自动售货机现已遍布国内各大中城 市中的机场、火车站、广场、小区、医院、学校、金融等机构营业厅、商业街 等场所。另外，纸币识别器中采用的机械工程、电子技术、传感器技术、模式 识别与智能控制等等已比较完善。 经过几十年的发展，国产自动售货机技术已达世界同类产品的先进水平。 硕士学位论文第一章绪论 1 2 纸币识别系统的现状 嵌入式系统是以就计算机为技术核心，面向用户、面向产品、面向应用、 软硬件可裁剪。适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求 的专用计算机系统 3 1 。这种系统具有效率高、可靠性高、占用存储空间小等特 点，可以广泛应用于各种控制场合，特别是纸币识别系统。 一般情况下，纸币识别器系统可以分为嵌入式硬件系统和嵌入式操作系统 两个部分。 1 2 2 纸币器硬件系统的现状 嵌入式硬件系统的核心部件是嵌入式处理器，目前世界上具有嵌入式功能 特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，主要有应用的有嵌入式微处理器( m p l d ，嵌入 式微控制器( m c u ) 嵌入式d s p 处理器( d s p ) 。 和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小，重量轻，成本低以 及可靠性高的优点，但电路板上必须包括r o m ，r a m ，总线接口及各种外设， 从而降低了系统的可靠性，技术保密性也较差。目前主要的嵌入式处理器类型 有a m l 8 6 8 8 、3 8 6 e x 、s c - 4 0 0 、p o w e rp c 、6 8 0 0 0 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。与嵌入式微处理器相比，微控制器的最大特点是单片化，体积大大减 少，从而功耗和成本下降，可靠性提高，是目前嵌入式系统工业的主流。比较 有代表性的包括8 0 5 1 、m c s 2 5 1 、m c s 9 6 1 9 6 2 9 6 、p 5 1 x a 、c 1 6 6 1 6 7 、6 8 k 系列以及m c u8 x c 9 3 0 9 31 、c 5 4 0 、c 5 4 1 ；d s p 处理器对系统结构和指令进 行了特殊的设计，使其适合于执行d s p 算法，编译效率较高，指令执行速度也 较快，目前最为广泛应用的是1 r i 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 c 5 0 0 0 系列，另外如i n t e l 的m c s 2 9 6 和s i e m e n s 的t f i c o r e 也有各自的应用范卧钔。 早期阶段，国内外主要纸币识别器厂商的主流产品都是针对m c u 应用的。 从控制电路的角度来说，基于降低成本的需要，一般都是采用8 位或1 6 位单片 机作控制核心，而单片机往往功能、扩展性等方面比较有限【5 】。这种采用单片机 作控制核心的纸币器已经无法适用发展的需要。目前，在嵌入式系统里基于 a r m 核的嵌入式处理器已经成为市场主流。随着a r m 市场的广泛应用，建立 面向a r m 架构的嵌入式操作系统也就成为当前研究的热点问题。 a r m 微处理器目前包括a r m 7 、a r m 9 、a r m 9 e 、a r m l 0 e 、a r m l l 、 s e c u r e c o r e 以及i n t e r 的s t r o n g a r m 、x s c a l e 系列。每一个系列提供一套相对独 立的性能来满足不同应用领域的需求。比如s e c u r e c o r e 系列专门为要求较高的 2 硕士学位论文 第一章绪论 应用而设计，a r m 9 系列主要用于无线设备、仪器仪表、安全系统、机顶盒、 高端打印机、数字照相机盒苏子摄像机等领域，a r m 9 e 系列则主要用于下一 代无线设备、数字消费品等领域。而a r m l 0 ，a r m l l 等系列则拥有更高的性 能处理能力，使用的范围也趋向于高端应用。作为本课题采用的a r m 7 t d m i 处理器功耗非常低，最适合用于对价位盒功耗要求较高的消费类应用，再加上 操作系统的支持，可以很方便的进行操作系统的移植，这就为纸币识别设备提 供了高性价比和高性能的微处理器解决方案。 1 2 3 纸币器操作系统的现状 目前，国内外纸币识别系统的设计大多采用嵌入式系统方案，嵌入式操作 系统是嵌入式系统的灵魂，位于硬件系统的上层。在同一个硬件平台上可以嵌 入不同的嵌入式操作系统。目前已有多种比较成熟的嵌入式操作系统，如p a l m o s ，v x w o r k s ，w i n d o w sc e ，u c o s i i ，嵌入式l i n u x 等等。其中大部分是商用 系统，价格昂贵。而基于l i n u x 的嵌入式系统除了价格优势外，还有更重要的 原因：l i n u x 等开源软件的源代码是完全开放的，方便政府安全评测部门审查。 这在一定程度上能保证国家安全；其次，l i n u x 和很多相关的开放源码软件都 使用标准的、开放的格式，能够保证创建兼容的软件。这使得越来越多的开发 人员选择嵌入式l i n u x 操作系统。据统计，全球嵌入式l i n u x 市场在2 0 0 5 年就 已经达到了3 0 7 亿美元，而目前使用嵌入式l i n u x 操作系统的开发人员占到了 所有嵌入式操作系统的4 0 以上 6 1 。 基于l i n u x 的嵌入式系统也已经有了多个版本，如m o n t a v i s t a 公司的 h a r d h a tl i n u x ，l i n e o 公司的u c l i n u x ，以及r t - l i n u x 等。h a r d h a tl i n u x 功能 较强，有技术支持，但它也是商业操作系统，价格比较昂贵。u c l i n u x 由 l i n u x 2 0 2 4 2 6 内核派生而来，随着l i n u x 的发展而发展，现在最新的内核版 本为2 6 n 。它沿袭了主流l i n u x 的绝大部分特性，适合不具备内存管理单元 ( m m u ) 的微处理器( 如a r m 7 d t m i ，c o l d f i r e 等) ，为嵌入式系统做了许多小 型化的工作，是一个符合g n u g p l 公约，免费开放源代码的系统。并且继承 了l i n u x 的稳定，强大网络功能和出色文件系统等主要优点。在兼容性上和5 l i n u x 也不冲突。这为我们提供了丰富的开发资源【s j 。 3 硕士学位论文第一章绪论 1 3 纸币识别器目前的主要问题及解决方法 1 3 1 纸币识别器的主要问题 首先，原有的纸币识别器存在开发性问题。早期的纸币识别系统都是在没 有操作系统的“裸机一上应用的，虽然从控制电路上降低了成本，但却需要开 发人员深入的理解硬件并做出妥善处理，开发难度较大，升级困难，重复工作 繁琐。这种纸币器在功能、扩展性方面也比较有限，现在已经无法适用发展的 需要。 另一个是纸币识别器的实时性问题。金融货币识别设备有其特殊性，对系 统的实时响应要求比较高。对纸币识别器而言，当纸币的一端进入纸币通道时， 传感器提示系统，纸币进入预定的位置，系统启动马达和传动设备，纸币就被 卷入纸币器中，当纸币每移动一段固定的距离时，信息采集程序就必须在一个 规定的时间内，做出响应或处理，将传感器上的数据读出。这样如果采用操作 系统，则必须是一个实时操作系统r t o s ( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 。但是， 这必然会给原来的纸币识别器软硬件系统带来新的问题，引入r t o s 相当于引 入了一种新的管理模式，对于开发单位和开发人员都是一个挑战。而基于r t o s 开发出的程序，必须具有较高的可移植性，能够实现9 0 以上的设备独立【9 】。 1 3 2 问题解决的方向 为了解决原有纸币识别系统的开发性问题和实时性问题，本文重新设计了 纸币识别器的底层系统，设计的目标是在充分考虑到纸币器实时性要求的基础 上，为纸币器开发人员提供一个相对通用的底层系统，并进行封装，使开发人 员只需要专注于上层软件的开发来实现各种功能，而不需要过度的依赖于对硬 件的深入理解和妥善处理。同时为提高纸币识别设备以及相关应用产品的网络 接入能力和分布式应用，远程智能升级以及一些更高层次的扩展，比如 i e e e l 3 9 4 ，u s b ，c a n ，b l u e t o o t h 等通信接口提供支持。 通用底层系统的实现，离不开操作系统的支持，而u c l i n u x 的小型化，开 源等特性使得它非常适合应用于金融货币识别设备。然而u c l i n u x 是一种分时 的通用系统，并不是一个r t o s 。因此，必须做出相应的改进，使之符合纸币 识别器对于实时性的特殊要求。具体的实时性改造方案一般有两种，一种是从 u c l i n u x 本身来改造，即通过修改u c l i n u x 的内核，达到增强u c l i n u x 实时性 的要求。主要通过软件中断模拟技术，增加内核抢占点，利用s m p 技术实现可 4 硕士学位论文第一章绪论 抢占内核，实现细粒度定时器，优化进程调度等技术进行改造。另一种是采用 实时双内核机制。目前主要有r t l i n u x 和r t a i 这两种技术【1 0 1 。具体的详细 情况的介绍见第三章。 对于u c l i n u x 的实时性改造，无论采取何种方案，引入u c l i n u x 2 6 内核都 是一种不错的选择。它是目前最新的稳定的内核，支持更多类型的处理器，并 且可靠性和扩展性都得到了提高。比如在内核2 6 中，内核是可抢占的，虽然 不是完全可剥夺型实时抢占，但一个内核任务可以被抢占，重要的用户应用程 序可以继续运行；2 6 内核减小了时钟中断处理的开销，采用了较小的时间粒度 的定时器，时钟频率从2 4 内核的1 0 0 h z 调整到1 0 0 0 h z ；2 6 内核使用了新的 调度算法，使在高负载的情况下执行更为出色【1 1 1 。总之，这些特性使得 u c l i n u x 2 6 内核能够更好得满足纸币识别系统实时性等方面的要求。 同时，分析发现很多操作系统的功能均可作为通用功能，而纸币器的硬件 设备( 包括微处理器，外扩存储单元，m d b 通讯接口等等) 则比较特殊，这给了 我们一个思路，利用已有的装载程序b o o t l o a d e r ，针对特定的硬件进行一定的 修改以引导操作系统；在底层加入纸币器的设备驱动程序，使其在可靠、高效 的情况隐藏了设备工作的细节，为上层应用提供标准化的接口。这些部分共同 构成一个比较通用纸币器底层系统，从而达到本文的目标 总之，整个纸币识别器底层系统以已完成实时性改进的u c l i n u x 2 6 内核为 基础。在对纸币器硬件系统进行了比较深入的分析和适当的改进之后，移植了 u c l i n u x 2 6 内核和装载程序b o o t l o a d e r ；并根据2 6 内核的变化重新设计了纸 币识别器硬件设备的驱动程序，使其满足纸币识别器的实时性要求。具体结构 如图1 1 所示： 饭而困 至垂困 两孬囚 图1 - 1 纸币识别器底层系统( 阴影部分) 结构图 1 4 课题来源与研究意义 本课题来源于湖南金融货币识别与自助服务平台工程技术研究中心承担的 “基于货币识别的智能自助服务平台一课题。作为国家科技攻关项目的子课题， 该课题是通信技术、嵌入式技术和纸币识别技术相结合的一次具体创新应用。 5 硕士学位论文第一章绪论 本课题旨在研究纸币识别器底层系统的设计与实现( 包括设备驱动程序的开发 和移植) ，以实现纸币识别器的硬件和软件应用接口的标准化，使其具有很好的 可扩展性，为适应金融设备在远程智能监控、升级和无线通讯的需要提高了强 有力的支持。同时，研究成果将为需要不断进行功能扩展的基于货币识别的智 能自助服务嵌入式软件平台做好准备。以加快产品的开发速度，改善产品的质 量。具有明显的经济效益、社会效益与学术意义。 1 5 论文主要内容安排 本文的主要工作是研究嵌入式纸币识别系统的底层实现，在现有的基础上， 对纸币识别器的硬件进行了具体分析；移植，裁剪了u c l i n u x 操作系统和系统 引导程序：最后对系统的设备驱动程序进行分析和移植。 第一章是绪论。首先介绍了本课题纸币识别器的背景和现状，阐述了嵌入 式系统在硬件和操作系统上的发展，提出了目前纸币识别器在实时性上的问题。 以新内核的引入和驱动程序的中断实现作为解决问题的方向，然后介绍了课题 的来源以及研究内容和意义，最后指出了本文的主要工作和论文组织结构。 第二章是纸币识别器硬件系统分析，介绍了整个纸币识别器的硬件结构， 然后从硬件角度阐述设计所采用的各硬件模块的组成和功能，包括纸币器的硬 件接口和结构，器件的选型，电路接口的设计等等。一一 一一 第三章是u c l i n u x 与b o o t l o a d e r 的分析和移植，简单阐述了多人协同进行 开发的交叉编译环境的构建；介绍了u c l i n u x 的一些基本特征，针对u c l i n u x 在实时性上的不足，提出了改进的方案；根据纸币识别器上的具体应用，裁剪 和优化配置了u c l i n u x 操作系统；介绍了b o o t l o a d e r 的概念，对其进行了分析 和移植；最后阐述了b o o t l o a d e r 和u c l i n u x 烧录进f l a s h 的过程。 第四章是驱动程序的设计和实现，首先概述了u c l i n u x 下的设备驱动程序， 设备驱动程序的开发过程，包括设备文件和使用的一般框架；然后介绍了添加 驱动程序到系统内核中的方法，并阐述了在u c l i n u x 2 6 下驱动程序开发应注意 的问题；最后对本课题采用的f l a s h 驱动程序、电机和信号采集驱动、m d b 驱动以及以太网接口驱动进行了详细的分析和具体实现。 第五章对本文工作进行了总结，并对下一步的工作进行了展望。 6 硕士学位论文 第二章纸币识别器硬件系统设计 2 1 概述 第二章纸币识别器硬件系统分析 纸币识别系统是应用于各类涉及到现金支付的服务系统，它必须满足高稳定 性和高可靠性的要求。因此，要求在硬件的基础上做出明智的选择，开发出硬件 与软件达到最佳平衡高效的嵌入式系统。 纸币识别器硬件系统不仅是构建装载程序b o o t l o a d e r 和u c l i n u x 操作系统 内核的基础，更是设备驱动程序的开发的前提。b o o t l o a d e l 和u c l i n u x 需要根 据硬件系统的配置进行分析、移植和修改，而设备驱动程序的开发需要深入理 解其硬件部件的具体工作原理。因此，本文将以硬件角度阐述设计所采用的各 硬件模块的组成和功能，包括纸币器的硬件接口和结构，器件的选型，电路接 口的设计等等。并考虑到系统实时性和效率等因素，对一些功能模块进行了改 进。另外，在原系统中，有些电路已经设计定型并成功应用，如电机驱动和纸 币采集模块电路，为了解对纸币识别器工作原理也将做一些简单介绍。 2 2 纸币识别器硬件系统结构 纸币识别器的硬件结构如图2 1 所示，s 3 c 4 5 1 0 b 中央处理器是系统的核心： 电机驱动模块和信号采集模块组合在一起完成纸币的传送，信号采集等功能；外 扩存储模块包括f l a s h 和s d r a m 。 另外，纸币识别器与外部设备之间的通信有三种方式：r s 2 3 2 、m d b 和网 络。前两者是通过串口来实现的。其中r s 2 3 2 通信协议适合于上位机于单从机( 单 个从设备) 通信的情况；m d b 通信协议则适合于v m c 与多个从设备通信。通常情 况下，纸币识别器只需要这两种通信方式就可以完成基本的日常控制操作。为了 支持纸币识别器的远程监控或智能升级等功能，在纸币识别器中加入了网络接 口 7 硕士学位论文第二章纸币识别器硬件系统设计 - q 电机驱动模块卜i 信号采集模块lm d b 驱动器hm 。b 接口 f l a s h2 m k v m c ， s d r a m1 6 m 1y 广 弋7i r r s 2 3 2 驱动器 h r s 2 3 2 接1 2 1ri _ 上位机 a r m 7 t d m i s 3 c 4 5l o b 板载电源 i 卜 以太ih r i 4 5 接i s i r t l 8 0 1 9 a si 1 -i n t e m e t “ ： 复位芯片l “ 睇入背坊i 、怖 l 队、j 、1 多l r i 风 2 3 微处理器 图2 一l 纸币识别器硬件结构图 在本课题中，具体选择了s a m s u n g 公司基于a r m 7 t d m i 处理器内核设计的 $ 3 c 4 5 1 0 b1 6 3 2b i tr i s c 微处理器，因为这种微处理器在删系列中功耗较 低、价格较低、调试开发方便、应用较广。而且$ 3 c 4 5 1 0 b 在网络、串口、i o 处理等方面的特点将使得硬件设计比较容易。同时，它的时钟频率、存储器支 持等方面也能很好地满足纸币识别系统的要求。而另外一个重要的原因是有 u c l i n u x 操作系统的支持，2 6 内核也支持该处理器，可以很方便的进行操作系 统的移植。因此，选择$ 3 c 4 5 1 0 b 为纸币识别设备提供了高性价比和高性能的 微处理器解决方案。下面对a r m 7 t d m i 和$ 3 c 4 510 b 进行介绍。 a r m 7 系列微处理器包括如下几种类型的核：a r m 7 t d m i ，a r m 7 t d m i s ， a r m 7 2 0 t ，a r m 7 e j 。其中，a 州7 t d m i 为低功耗、高性能的1 6 3 2 b i tr i s e 处理器，目前使用最为广泛，也最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应 用，该系列具有如下特点【1 2 】【1 3 】： ( 1 ) 调试开发方便。 ( 2 ) 极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用。 ( 3 ) 能够提供0 9 m i p s m h z 的3 级流水线结构。 ( 4 ) 代码密度高并兼容1 6 位的t h u m b 指令集。 ( 5 ) 对操作系统的支持广泛，包括w i n d o w sc e ，l i n u x ，p a l mo s 等。 ( 6 ) 指令系统与a r m 9 系列，a r m 9 e 系列和a r m l 0 e 系列兼容，便于用 户的产品升级。 ( 7 ) 主频最高可达1 3 0 m i p s ，高速的运算处理能力能胜任绝大多数的复杂 8 硕士学位论文 第二章纸币识别器硬件系统设计 图2 - 28 3 c 4 5 1 0 b 的内部结构块图 $ 3 c 4 5 1 0 b 的内部结构块图如图2 2 所示【1 4 1 ，除a r m 7 d m i 核外，$ 3 c 4 5 1 0 b 提供以下比较重要的外围设备： 2 0 8 脚q f p 封装，最高时钟5 0 m h z 8 k b 内部c a c h e s r a m 2 通道i7 a r t 2 个d m a 通道 1 8 个可编程i o 接口 9 硕士学位论文 第二章纸币识别器硬件系统设计 2 个带缓冲描述符的h d l c l 通道m i i 接口，e t h e m e t 控制器 d r a m s d r a m 控制器 r o m s r a m 控制器 1 2 c 串行总线 中断控制器，支持2 1 个中断源，包括4 个外部中断源 p l l 时钟发生器 2 个3 2 位可编程定时器 2 4 外扩存储模块 2 4 1f l a s h f l a s h 存储器是一种可在系统( i n s y s t e m ) 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、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，f l a s h 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。常用的 f l a s h 为8 位或1 6 位的数据宽度，编程电压为单3 3 v 。主要的生产厂商为a t m e l 、 a m d 、h y u n d a i 等，他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形式， 可通用。 。 在本课题中，采用a m d 公司生产的a m 2 9 l v l 6 0 d b ，单片存储容量为1 6 m b i t ( 2 mb y t e ) ，用于存储b o o t l o a d e r 、系统镜像、应用程序模块以及特征库等。 a m 2 9 l v l 6 0 d b 的工作电压为2 7 v - 3 6 v ，采用4 8 b a l lf b g a 封装，使用 4 4 p i ns o 插座。它的数据宽度为8 位、1 6 位可选，读写均采用3 0 v 供电。芯片提 供7 0 、9 0 和1 2 0 n s 的访问响应时间，可支持高速微处理器的无延迟操作。同时， 为了排除总线争用冲突，已经把芯片使能( c e 撑) 、读使能( w e 撑) 和输出使f l 皂( o e # ) 分开。芯片完全兼容j e d e c 标准，并支持在系统编程，只需向其内部的命令寄存 器写入命令序列即可实现部分擦除、全部擦除、数据写入等功能；同时可提供硬 件和软件方法来检查f l a s h 的操作执行情况【”】a m 2 9 l v l 6 0 d b 与$ 3 c 4 5 1 0 b 的 连接电路图如图2 3 所示。 1 0 硕士学位论文第二章纸币识别器硬件系统设计 2 4 2s d r a m s 3 c 4 510 ba m 2 9 l vl6 0 d b x d a t a 15 ：0 】 a d d r 1 9 ：o 】 卜瓜c s o n o e n w b e n r e s e t d q 【1 5 ：o 】 a d d r 1 9 ：0 c e 群 o e 稃 w e # r e s e t 撵 图2 - 3f l a s h 引脚连接图 与f l a s h 存储器相比较，s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速 度大大高于f l a s h 存储器，且具有读写的属性，因此，s d r a m 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，c p u 首先从复位地址0 x 0 0 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s d r a m 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s d r a m 中。 s d r a m 具有单位空间存储容量大和价格便宜的优点，已广泛应用在各种 嵌入式系统中。s d r a m 的存储单元可以理解为一个电容，总是倾向于放电， 为避免数据丢失，必须定时刷新( 充电) 因此，要在系统中使用s d r a m ， 就要求微处理器具有刷新控制逻辑，或在系统中另外加入刷新控制逻辑电路。 $ 3 c 4 510 b 及其他一些a r m 芯片在片内具有独立的s d r a m 刷新控制逻辑，可 方便地与s d r a m 接口。但某些a r m 芯片则没有s d r a m 刷新控制逻辑，就 不能直接与s d r a m 接口，在进行系统设计时应注意这一点。目前常用的 s d r a m 为1 6 位的数据宽度，工作电压一般为3 3 v 。主要的生产厂商为 h y u n d a i 、i s s i 等。他们生产的同型器件一般具有相同的电气特性和封装形 式，可通用。 本课题中，采用了韩国h y n i x 公司的h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 h c t - h 内存， 采用 4 0 0 m i l5 4 p i nt s o pi i 封装，支持l v t t l 接口标准，电压3 3 + 0 3 v ，时钟频率 1 3 3 m h z 。存储容量为4 b a n k s x 2 m x l 6 b i t s ( 1 6 m b ) ，每b a n k 为4 m 字节，b a n k 之 间以通过b a n k 地址( b a l 、b a o ) 来选择【1 6 j 我们将h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 配置到 d r a m s d r a m b a n k 0 ，即将$ 3 c 4 5 1 0 b 的n s d c s ( p i n 8 9 ) 接至h y 5 v 7 2 8 1 6 2 0 的片选端n c s 。$ 3 c 4 5 1 0 b 的地址总线a d d r 、a d d r 分别与 h y 5 7 v 2 8 1 6 2 0 的b a l 、b a 0 相连，用来作为s d r a m 中4 个b a n k 的地址选择。 硕士学位论文第二章纸币识别器硬件系统设计 其引脚连接图如图2 - 4 所示： s 3 c 4 510bry57、728 16 2 0 x d a t a 1 5 ：0 d q 【1 5 ：o 】 a d d r 11 ：0 】a d d r 11 ：0 】 a d d r 1 3 】 b a 0 a d d r 1 2 b a l s d c l kc l k n r a s o n s d c s 0 n c s n s d r a sr a s n s d c a sc a s c k ec k e 一 n d w en w e d q m ol d q m d q m lu d q m 图2 - 4s d r a m 引脚连接图 这片s d r a m 芯片将用于系统及应用程序的运行。16 m b 的容量完全能够 满足系统日常运行以及升级时临时存储新模块的要求。 2 5 电机驱动和信号采集模块 由于在原系统中，电机驱动和纸币采集模块电路均已设计定型并成功应用， 考虑到这些电路是后面驱动程序移植和设计的基础，同时为了解对纸币识别器 工作原理，下面做一些简单介绍。 信号的采集需要由特殊光发光接收电路，步进电机驱动电路和码盘光耦信 号接收电路几部分的硬件组成，特殊光发光接收电路在纸币通道上、下设置， 当有纸币通过时，接收部件将检测到的特殊发光信号传送给模数转换器 t l c l 5 4 3 1 丌，如图2 5 所示。j 纸币 图2 - 5 特殊光发光接收电路 1 2 硕士学位论文 第二章纸币识别器硬件系统设计 步进电机的作用是带动传动装置将放入纸币通道的纸币卷进纸币器，而对 步进电机的驱动则是通过l 2 9 8 驱动芯片【1 8 1 来进行的，如图2 - 6 所示。 一 ， 图2 - 6 电机驱动电路 码盘是安装在电机旁边对电机进行测速的角度传感器，码盘光耦是测速光 信号的发生器和接收器。码盘光耦将接收到的信号经施密特触发器整形后，传 送到$ 3 c 4 5 1 0 b 的i o 口，如图2 7 所示。 一 图2 - 7 码盘光耦信号收集电路 整个采集的过程，首先是纸币进入纸币器通道，这时驱动步进电机开始启 动，同时启动码盘光耦信号收集电路，以保证二者同时开始工作。当步进电机 的转动一个固定的角度时将促使纸币移动一段固定的距离，码盘光耦信号收集 电路通过的i o 中断反馈信号给$ 3 c 4 5 10 b ，通知特殊光发光接收电路开始工 作，这就完成了纸币固定等距离点的信号采集。共有三路类似的特殊光发光 接收电路来完成这种采集工作，当这三路信号通过t c l l 5 4 3 进行转换之后，就 转变成了数字信号，然后再传回$ 3 c 4 5 1 0 b ，纸币识别系统成功读取之后，就 可以依据这些信息进行纸币的检测识别。 1 3 硕士学位论文第二章纸币识别器硬件系统设计 2 6 串行接口通讯模块 2 6 1r s - 2 3 2 串行通信接口 r s 2 3 2 c 接口是目前最常用的一种串行通讯接口。它是美国电子工业协会 联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的一种串行物 理接口标准，全名为“数据终端设备( d t e ) 和数据通讯设备( d c e ) 之间串行 二进制数据交换接口技术标准”r s 2 3 2 被定义为一种在低速率串行通讯中增 加通讯距离的单端标准，采取不平衡传输方式的单端通讯方式，接收端和发送 端的数据信号相对于信号地，在正负电平之间摆动，驱动器允许有2 5 0 0 p f 的电 容负载，通信距离将受此电容限制，最大传送距离约为1 5 米，最高速率为 2 0 k b s 。另外，r s 2 3 2 标准只对接口的电气特性做出规定，而不涉及接插件、 电缆或协议，用户可以在此基础上建立自己的高层通信协议。r s 2 3 2 是为点对 点通讯而设计的，适合本地设备之间的通信。 r s 2 3 2 定义的串口连接有2 5 针