（通信与信息系统专业论文）基于嵌入式linux智能遥控器系统研究与设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 红外遥控仍然是现今家用电器的主流控制方式，但一对一的遥控和完 全键盘的操作方式已经不能满足现代家庭的家电控制需求，对可以存储多 种遥控器代码或者能进行代码学习实现家电控制的多功能遥控器的研究一 直以来是遥控器开发的趋势。为进一步满足现代家庭的家电控制需求，与 嵌入式l i n u x 系统结合，开发具有自学习红外遥控代码功能带有l c d 触摸 屏遥控器具有一定的实用意义。 通过对遥控器的深入研究，提出了基于嵌入式l i n u x 的智能遥控器系 统设计方案。系统硬件平台采用a r m 体系结构的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器，根据系 统需求设计存储器电路和系统通信电路以及人机接口电路。系统软件平台 采用嵌入式l i n u x 系统，并设计了红外功能实现应用软件。论文着重研究 了几个方面：嵌入式l i n u x 系统基于红外功能的移植，主要包括建立交叉 开发环境、移植b o o t l o a d e r 、l i n u x 2 6 内核的配置和针对目标板的移植、 根文件系统设计与移植；对红外控制信号学习过程进行了深入的研究，详 细分析了红外通信编程，设计了基于网络设备驱动的红外器件z h x i o i o 的 驱动程序、红外控制信号的学习子程序、接收来自用户的触摸屏按键控制 请求和发送相应红外控制信号控制红外设备的控制程序；深入研究了 o t e m b e d d e d ，设计了遥控器系统的嵌入式g u i 和触摸屏驱动程序。在完成 系统各项的设计后，对系统软硬件集成应用进行了测试。 在本课题的软硬件环境下，对各相关程序进行了必要的测试分析。测 试结果表明：系统与主机通信顺利；红外驱动在系统开启时可以正确有效的 驱动红外器件；红外代码学习和遥控功能都能正确实现，界面相对友好。 系统还可以根据需要对软件进行二次开发，增加其他的娱乐功能，市场应 用前景较好。 关键词：嵌入式l i n u x ，红外通信，$ 3 c 2 410 a ，驱动程序，q t e m b e d d e d 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o li ss t i l lt h em a i nw a yt oc o n t r o lt h ec u n e n th o m ee l e c t r i c a p p l i a n c e b u to n er e m o t ec o n t r o l l e rc 锄o n l yc o n t r o lo n ea p p l i a n c ea n d1 1 8 0t h ek e y b o a r d c o m p l e t e l y i tc a n ta d a p tt h ea p p l i c a t i o nr e q u e s to fc u r r e n tf a m i l y s ot h ei n v e s t i g a t i o nt o d e v e l o pak i n do fi n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l e rw h i c hc a ns a v em a n ym a n i f o i di n f r a r e dc o d e0 1 c a nl e a r nt h ei n f r a r e dc o d eo ft h eo t h e rr e m o t ec o n t r o l l e ri sa l w a y st h ee m p h a s i sa n dt r e n do f t h er e m o t ec o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t i no r d e rt os a t i s f yt h en e e do ft h ec u r r e n tf a m i l y , i ti s a d v a n t a g e o u st od e v e l o pt h er e m o t ec o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e dl i n u xw i ll c d t o u c h s c t e e nw h i c hc a nl e a r nt h ei n f r a r e dc o d eo ft h eo t h e rr e m o t ec o n t r o l l e ri t s e l f t h r o u g hi n d e p t hs t u d y i n gi nt h em u l t i f u n c t i o n a lr e m o t ec o n t r o l l e r , t h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dt h ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tr e m o t ec o n t r o l l e rs y s t e mb a s eo ne m b e d d e dl i n u x i nt h e s y s t e m h a r d w a r ep l a t f o r mw a sb a s e do na r ms 3 c 2 4 1 0 am p u t h ep e r i p h e r a lm o d u l e s e x p a n d i n gf o rt h es y s t e ma r em e m o r i z e rm o d u l e ，s y s t e mc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h e i n t e r f a c em o d u l ef o rp e o p l et ou s et h ec o n t r o l l e r s o f t w a r ep l a t f 0 1 t nw a so nt h eb a s i so f e m b e d d e dl i n u x t h ee m p h a s e so ft h ep a p e ra r et h ef o l l o wf i e l d t h er e p l a n t a t i o no f e m b e d d e dl i n u xw i t hi n f r a r e d p r o t o c o l s t a c ki n c l u d e s ：c o n s t r u c t i n g c r o s s d e v e l o p i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n tf o rt h i ss u b j e c t ；c o m p i l i n gc r o s s - d e v e l o p i n gt o o lc h a i n f o ra r mb a s e do n “c r o s s t o o l ”：a n a l y z i n gb o o t l o a d e r ss t a r t u pp r o c e s s ，t r a n s p l a n ti t ： t a k i n gl i n u x2 6 13a si n s t a n c ea n dr 印l a n t i n gl i n u xk e r n e lt os 3 c 2 4 10 aa f t e re x p l a i n i n g t h e o r e t i c a l l yt h ep r o c e s so fl i n u xt r a n s p l a n t ，m a k i n gl i n u x2 6k e r n e lw o r kn o r m a l l yo nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h i ss u b j e c t ；i n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r eo fl i n u xr o o tf i l es y s t e ma n dt h e f h ss t a n d a r dt h a tl i n u xr o o tf i l es y s t e ms h o u l db ec o m p l i e d , p r e s e n t i n gv a r i o u st y p eo f l i n u xf i l es y s t e me s p e c i a lt h et y p eb e f i t t i n gt h ee m b e d d e ds y s t e m , s t a t i n gd e t a i l e d l yt h e m e t h o d sa n ds t e p st oc r e a t el i n u xr o o tf i l es y s t e m b a s e do na n a l y z i n gt h ei n f r a r e d c o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m m i n ga n ds t u d y i n gt h ep r o c e s so ft h ei n f r a r e dc o n t r o l l e rw a y s e l f - l e a r n i n gi n - d e p t h ，i td e s i g n si rs e l f - l e a r n i n gp r o g r a m m e ，t h em o n i t o r i n gp r o g r a m m e w h i c hr e c e i y e st h ec o n t r o lr e q u e s tf r o me m b e d d e dc l i e n ta n ds e n d so u tr e l e v a n ti n f r a r e d c o n t r o ls i g n a lt oc o n t r o li n f r a r e dd e v i c e i td e s i g n st h ee m b e d d e dg u ia n dd r i v e ro ft o u c h s c r e e nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eq t e m b e d d e d a f t e rf o r m i n ga ne n t i r ee m b e d d e dl i n u x s y s t e mp l a t f o r m ，t h ep a p e rt e s t st h et e a m w o r kw o r ko ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mp l a t f o r ma n dt h ep r o g r a mt oc a p t u r ea n dc o m p r e s s v i d e oa r et e s t e d 。砀et a s k sa b o u tt h i sp a p e ra r ec o n c l u d e d , a n dd i s c u s s i n gt h eq u e s t i o n sn o t y e tb es o l v e di nt h i ss c h e m ea n ds e v e r a lr e s e a r c hd i r e c t i o n st oi m p r o v et h i ss c h e m e t h et e s t r e s u l t sf o rt h es y s t e r ns h o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o no ft h ea i m b o a r da n dt h eh o s ti sa l lr i g h t ； t h ed r i v e ro fz h x l0 10c a nb eu s i n gc o r r e c t l ya f t e rs y s t e mi ss t a r t ：i n f r a r e ds e l f - l e a r na n d r e m o t ec o n t r o l l i n gc a nb er e a l i z ee f f e c t i v e t h ei n t e r f a c ef o rc l i e n ti sf r i e n d l y i ti sa l s oc a n d e v e l o pa g a i nf o ro t h e re n t e r t a i n m e n tn e e d ，s ot h ef o r e g r o u n df o rf a m i l ya p p l i c a t i o ni sg o o d k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，$ 3 c 2 4 10 a ，d r i v e r , q t e m b e d d e d n 江苏大学学位论文版权使用授权书 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名：主弛氏 导师签名： 降屑 签字日期：文部年男月弓j 日签字日期：魂弼牌g 月刁j 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担 学位论文作者签名：互抄风 山0 年帛 月多1 e t 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，随着经济的迅猛发展和科学技术的突飞猛进，人们的生活水平得到了极大 的提高。家用电器早已铺天盖地的进入了寻常百姓家，遥控器装置已经必不可少。由于 红外线遥控器具有体积小、功耗低、成本低等优点，因而被家用电器广泛采用。但是不 同品牌家用电器的红外线遥控器采用了不同的编码方式，导致这些遥控器不能相互通 用，这给人们的生活带来了诸多不便。为了减少家庭中遥控器的数目，已经有厂家设计 和生产了称为多功能遥控器的红外线遥控装置【l 】。常见的多功能遥控器有以下几个类型： ( 1 ) 固定码遥控器( 即通常所谓的万能遥控器) ：这类遥控器通常采用专用a s i c 或单片机 来实现，具有接收、存储和发送红外线编码的功能。通过把某些电器的遥控器红外代码 固化在存储器中或者对不同普通遥控器发出的红外线编码进行学习和存储【2 列】，可以对 多个家用电器进行遥控，从而可以减少家庭中遥控器的数目。它把各个生产商产品的码 表收集起来写到不可更改的芯片中去，这样就可以去控制那些采用同一核心技术的电 器，如同一机芯的彩电。然而对于不同类别的电器却是无能为力的( 如彩电的多功能遥 控器不能控制冰箱) ，对于新出的同类产品同样也不能适用。可见，万能遥控器并不是 真正的万能。( 2 ) 代码型遥控器。它是采用设备码和命令码统一各种遥控编码，要求“同 化不同遥控器发射信号的差异，如载波频率，数字o 和l 的表示，帧结构，帧间结构。 将编码特点用一串二进制位表示出来形成设备码，对应于具体设备的遥控器。代码型遥 控器用软件的方式对这些统一的编码进行解释，驱动一个个命令码按指定设备码格式加 以“封装”，形成所需要的遥控信号，达到控制家电的目的。它的缺点是只适合宾馆等 电器种类少、数量多的大型用户，不适合种类多而数量相当有限的一般用户。( 3 ) 学习型 遥控器。它可以记录各种不同类型的遥控器的编码波形，而对编码的细节不予理会，只 是需要配置较大容量的存储器，存储器的内容是可以随时在“学习 中改写的，通用性 大大提高。 当前，多功能学习型遥控器的研究趋势是避免不同的家用电器使用一种的遥控器按 键，造成混淆和误操作；增加存储空间，使遥控器在家庭的范围内做到海量存储代码； 采用相对比较先进的处理器，便于增加其他丰富的家庭娱乐功能。 1 2 研究目的与意义 目前国外( 主要是欧美市场) 多功能遥控器技术较为先进，通常这些遥控器能够控制 很多种类的的红外设备，同时还具有一般遥控器所不具备的先进功能。如典型的l o g i t e c h 的h a r m o n y8 5 5 学习型遥控器，这类遥控器在设计上已经采用l c d 进行辅助控制，即 可以显示当前控制的设备，全部有背光，可以在黑暗下使用。h a r m o n y8 5 5 内置了 a d v a n c e du n i v e r s a lr e m o t e 功能，预设多种家居娱乐影音器材的操控项目，只需按一个 键便可以进入自选的家居娱乐模式，使用了可更换的3 7 v 充电池，电容量达到9 3 0 m a h ， 江苏大学硕士学位论文 即使彩色l c d 比较耗电，但仍可长时间使用。内置t i l t 倾斜感应器，只要有所移动， 都可立即回到操作的状态。但是这些遥控器价格一般都比较贵。如罗技 h a r m o n y 8 8 5 $ 1 2 8 t 引，r t i 的t 2 c 通用万能遥控器$ 7 9 9 等，使用不便且不兼容一些国产 品牌的家电。而在国内市场，遥控器绝大部分是单一型的遥控器，也就是一个遥控器控 制一个红外设备，这与我国经济状况和消费习惯有关。多功能遥控器只是单一型的遥控 器的补充，因此多功能遥控器的销量是相对很少的。但正如西方的情况，我国也会经历 从使用单一型遥控器走向多功能遥控器，尤其是在信息化迅速发展的情况下，多功能遥 控器有着广阔的需求和发展空间。启动这一块市场的关键是使多功能遥控器确实好用， 能够完全替代单一型遥控器的功能以及更为人性化控制功能【6 ，7 】。 本论文的目的设计一个可以分析并获取各类红外家电设备的红外控制信号并存储 智能遥控器系统。它可以通过触摸屏按键的发出控制命令，通过分析其控制目的，从学 习型遥控器的红外线收发器端口发送红外控制信号给相应的红外设备来实现对红外家 电设备的控制。该遥控器能通过红外代码学习，可以实现对多个家用电器设备的控制； 能实现不同家电控制具有不同的触膜屏控制界面，便于操作；采用当前流行的嵌入式 l i n u x 操作系统和a r m 9 处理器，其他家庭娱乐功能的开发上也有一定的优势，有较好 的市场前景。 1 3 论文的主要研究内容及章节安排 论文的目标是设计一个基于嵌入式l i n u x 的智能遥控器系统。通过代码学习可以实 现对多个家用电器设备的控制功能，并在q t e m b e d d e d 研究的基础上，对遥控器的人机 界面进行了一定的设计。本文主要研究的内容： 1 ) 通过对系统实现功能的分析，选择三星的s 3 c 2 1 4 0 a 处理器作为硬件的核心部件， 并设计了可扩展的外围硬件电路，进行了p c b 制板。 2 ) 采用了高度模块化和易于向其他平台移植的l i n u x 系统。通过对嵌入式l i n u x 系 统分析，实现了l i n u x 系统在$ 3 c 2 4 1 0 a 平台上的移植。 3 ) 根据系统应用的需求，设计了红外器件的驱动；通过对红外遥控原理的深入分析， 提出了智能遥控器系统的红外学习和家电控制的实现方案。 4 ) 通过对q t e m b e x i d e d 的深入研究，对智能遥控器系统人机交互界面进行了一定 的设计。 全文共分成六章，各章的内容安排如下： 第一章介绍学习型红外遥控器的研究背景、目的及意义，概述了本文设计的主要内 容及实现的功能。 第二章给出了智能遥控器系统的总体设计框架，其中包含硬件框架和软件结构，并 对各个部分的具体设计进行了简单的介绍。 第三章首先完成了智能遥控器系统的硬件平台的搭建，在p r o t d9 9s e 中设计完成 硬件平台的各个具体部分原理图和总体p c b 图。研究了嵌入式l i n u x 的发展和应用于本 文设计的优势。完成了嵌入式l i n u x 系统交叉开发环境的建立、b o o t l o a d e r 的设计与移 2 江苏大学硕士学位论文 植、基于红外功能的内核移植、文件系统设计和移植等开发所涉及的重要环节。 第四章给出了智能遥控器系统的软件系统各个部分的设计过程及结果。首先是开发 l i n u x 系统红外器件的驱动；其次是软件实现红外信号的学习和存储的相关程序和调用 已学习的红外遥控器代码实现的红外设备的控制。设计遥控器人机交互界面，给出了触 摸屏的驱动程序流程。 第五章通过对嵌入式开发平台软硬件的功能测试，验证了系统设计基本功能的可用 性。在此基础上对该系统的红外驱动程序和红外控制通信的应用程序进行测试和数据分 析，完成了红外驱动和控制程序的测试。并和学习型遥控器h a r m o n y8 8 5 在各个方面进 行了比较。 第六章对论文的工作进行总结，从三个方面对现有的学习遥控器的功能提出了进一 步发展的建议。 3 江苏大学硕士学位论文 第二章智能遥控器系统总体方案设计 2 1 智能遥控器系统总体框架 本论文研究的智能遥控器系统的总体框架如图2 1 所示。 应用软件：遥控器人机交互界面、红外学习和控制 软 操作系统：嵌入式l i n u x f 勺核、根文件系统 件 设备驱动程序 系统引导：b o o t l o a d e r 弓 导程序 删9 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 硬 嵌入式外围设备接口 件 z h x l 0 1 0 | ll c d 触摸屏| | 存储器| l 其他 j 图2 1 遥控器总体框架 整个嵌入式智能遥控器系统分为软件和硬件两部分。在硬件部分，嵌入式微处理器 是整个系统的核心，嵌入式外围设备则包括f l a s h 、s d r a m 等存储器件和各种通信接 口。通过l c d 接口接入液晶屏外设，显示控制界面。通过触摸屏接口，实现遥控器控 制按键功能。同时设有r s 2 3 2 、j t a g 、l a n 等用于开发调试的接口在软件部分，引 导程序与嵌入式l i n u x 内核、根文件系统一起形成嵌入式系统的基本运行环境，对应用 层的用户应用程序作必要的支持。在这里，应用程序就是遥控器人机交互界面、红外学 习和控制程序。 2 2 智能遥控器系统硬件组成 智能遥控器系统硬件结构如图2 2 所示。 3 5 t f r l c d l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 t s c 2 3 0 1 t o u c hs c r e e n 红外收发模块 z 丑1 0 1 0 o 巴 暑 = 乌 a r m 9 2 0 t s 3 c 2 4 1 0 a j i 翮lc s 8 9 0 0 a s p o r ti i o m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 l l t - h 6 4 ms d r a m k 9 f 1 2 0 8 6 4 mn a n df l a s h 图2 2 硬件组成框图 嵌入式微处理器方面，r i s c 思想的提出从简化指令集的角度降低了微处理器的开 发难度和成本，同时提高微处理器的并行度【引。a r m 体系的设计是基于r i s c 思想的， 5 江苏大学硕士学位论文 其代码密度性能介于其他多数r i s c 微处理器和c i s c 微处理器之间。后来引入的t h u m b 指令集则大大提高了代码密度。a r m 微处理器特点：体积小、低功耗、低成本、高性 能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集【9 , 1 0 ，能很好地兼容8 1 6 位器件；大量使 用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单， 执行效率高：指令长度固赳u 】。 由于a r m 架构的微处理器主要用于嵌入式系统，因此a r m 构架在设计中十分注 意低电压、低功耗处理，设计中是通过降低电源电压；减少门的翻转次数，当某个功能 电路不需要时，禁止门翻转；减少门的数目，即降低芯片的集成度；降低时钟频率来实 现的。a r m 还采用了其他一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量缩小芯片的面 积。 智能遥控器系统的主要硬件：( 1 ) 处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 主频：2 0 3 m h z ( 2 ) 存储器采用 6 4 m b 动态存储器s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 和6 4 m b 的静态存储器n a n df l a s h k 9 f 1 2 0 8 ：( 3 ) 通讯模块：系统进行红外学习和控制的基于u a r t 2 端口的红外收发模块； 一个e t h e r n e t 接口，1 0b a s et ，支持低功耗模式；基于u a r t o 的r s 2 3 2 串口。( 4 ) 人机 接口模块：采用分辨率为6 4 0 * 4 8 0 的t f t c o l o r l c d 和四线电阻式触摸屏( t o u c hs c r e e n ) 。 这种模块化的结构设计，可以降低硬件调试难度，同时也是基于硬件平台的可重用性考 虑。 2 3 智能遥控器系统软件结构 嵌入式智能遥控器系统软件框架如图2 3 所示，主要设计内容包括嵌入式l i n u x 系 统平台构建、驱动程序设计和应用软件的设计三大部分。嵌入式l i n u x 系统平台构建， 即建立嵌入式交叉开发环境、b o o t l o a d e r 的设计和移植和根文件系统的移植、嵌入式 l i n u x 内核的移植、根文件系统的实现l l z 】；驱动程序的设计指的是红外器件z h x l 0 1 0 在 l i n u x 系统下的驱动程序设计。应用程序设计包括红外学习和控制程序和基于 q t e m b e d d e d 的遥控器人机界面的程序的设计。 遥控器 红外学习和控制程序，遥控器界面 系统软件a r ml i n u xk e r n e l 驱动程序j f f s 2 文件系统 结构 系统引导程序b o o t l o a d e r 2 3 1 嵌入式l in u x 系统 图2 3 遥控器软件结构框图 1 ) b o o f l o a d e l b o o f l o a d e r 是在系统加电后、嵌入式操作系统运行之前执行的一段小程序。它的作 用是初始化硬件设备、建立内存空间的映射表，从而建立适当的系统软硬件环境，为调 用操作系统内核做好准备。 2 ) 嵌入式l i n u x 内核的移植 嵌入式l i n u x 的开发和研究是操作系统领域中的一个热点，目前已经开发成功的嵌 6 江苏大学硕士学位论文 入式系统中，大约有一半使用的是l i n u x 。论文中的系统移植跟一般的系统移植的区别 在于要包含模块化设计的红外网络驱动的移植和包含红外通信协议的l i n u x 内核的移 植。 3 ) 根文件系统 根文件系统是l i n u x 系统的一个重要组成部分。它提供l i n u x 内核运行所必需的库 文件、设备文件、系统配置文件等。嵌入式l i n u x 支持的文件系统有数十种之多，根据 嵌入式l i n u x 系统的特点和本论文所设计的硬件平台，本课题采用j f f s 2 文件系统。 2 3 2 驱动程序 设备驱动程序是操作系统内核和机器硬件之间的接口。设备驱动程序为应用程序屏 蔽了硬件的细节。应用程序看来，硬件设备只是一个设备文件，应用程序可以像操作普 通文件一样对硬件设备进行操作。设备驱动程序是内核的一部分，它完成以下的功能f 1 3 】： 1 ) 对设备初始化和释放； 2 ) 把数据从内核传送到硬件和从硬件读取数据； 3 ) 读取应用程序传送给设备文件的数据和回送应用程序请求的数据； 4 ) 检测和处理设备出现的错误。 论文在深入研究了l i n u x 系统下网络设备驱动开发的流程及关键函数的基础上，对 红外器件z h x l 0 1 0 的红外驱动程序的进行了设计，完成系统对红外设备的启动、打开、 读写、关闭、命令操作等过程的控制。 2 3 3 应用程序 应用程序的设计包括两部分，嵌入式人机交互界面设计和红外学习、遥控功能的实 现。 1 ) 嵌入式设计：嵌入式人机交互界面的使用使系统更人性化，方便用户的操作， 并提供界面，接收用户命令，执行相应的任务。 2 ) 红外学习、遥控功能：即能学习其他遥控器的代码并存储到指定位置，通过检 测用户家电控制界面触摸屏按键输入控制需求实现红外设备的控制。如上图2 4 所示。 最后根据系统的架构和模块化的设计思想设计、编写各个模块及其子模块具体程序。 2 4 本章小结 本章首先描述了智能遥控器系统的总体设计框架，硬件开发平台的主要构成，阐述 了基于该硬件平台的依据和优势。在硬件平台的基础上，设计了基于嵌入式l i n u x 系统 的应用软件框架，并解释了几个重要模块的功能。 7 江苏大学硕士学住论文 第三章智能遥控器系统的硬件设计和l i f u x 系统移植 31 智能遥控器系统硬件原理图设计 整个系统的原理图和印刷电路板图都是在p r o t e l 9 9 s e 环境中设计完成的。 在设计和绘制原理图时，我们采用模块化和层次化的设计方法i “l ： ”首先有一个整体规划，这就是系统的顶层原理图，确定系统有哪几部分组成， 相互之间如何连接，分别需要哪些信号和多大的电源供应。 2 ) 然后细化到各个部分，同样注意连接方式，使用具有明确含义的网络标识予以 标记。 本系统顶层原理图如下图3 1 所示( 各个部分的具体电路见本章后面章节) 。 图3 1 系统顶层原理图 31 处理器$ 3 0 2 4 1 0 a 在系统的硬件平台开发中，最重要的部件是微处理器( m p u ：m i c r op r o c e s su n i t1 。 其上集成相应的寄存器和程序指令集，用户可以通过m p u 来完成嵌入式系统中程序的 执行和运算功能。 嵌入式系统设计中的微处理器芯片选择主要取决于应用领域、用户需求、成本以及 开发难易程度等因素【l ”。本论文设计的智能遥控器系统是采用高速采样和直接再生的方 法直接实现遥控器学习和控制功能。经过测试发现红外线遥控器的载波频率不超过 1 0 0 k h z ，一般在3 8 k h z 左右，因此用2 0 0 k i t z 定时采样的结果，可以再生出原来的脉 江苏大学硕士学位论文 冲序列。因此，c p u 的工作频率需要远大于2 0 0 k h z ，否则容易产生很大的误差。 针对上述设计需求及未来智能遥控器系统扩展的需要，本文采用基于a r m 9 2 0 t 内 核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器$ 3 c 2 4 1 0 a 。它的低功耗、精简和出色的全静态设计 使得它非常适用于手持式设备以及对成本、功耗敏感的应用场合，能满足智能遥控器系 统实现各种功能的处理器需求。作为$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片的c p u 内核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t r i s c 微处理器采用0 1 3 u m c m o s 标准单元结构。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管 理单元( m m o ) 和高速缓存三部分组成，采用a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a c h i t e c t u r e ) 架构。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。s 3 c 2 4 1 0 a 可以从n o rf l a s h 启动或者n a n df l a s h 启动 1 6 , 1 7 1 ， 应用方便。 另外，处理器提供了一套比较完整的通用系统的外围设备控制器，并且使得这个系 统消耗最小。片上集成的功能主要包括以下几个方面：存放系统和各种相关程序的 n a n df l a s h 控制器、芯片选择逻辑和s d r a m 控制器的系统管理器；支持s t n 和t f t 带有触摸屏的l c d 控制器；p l l 时钟产生电路和4 通道带p w m 功能的定时器和一个 内部时钟( r t c ) ，一个看门狗计数器；具有m o d e m 、红外收发( i r d a ) 功能的3 通 道的u a r t ，；8 通道l o 位a d c 模块；i i c 总线接口，i i s 总线接口；1 1 7 个通用i o 口 和2 4 个外部中断源。 3 1 2 遥控器硬件扩展 3 1 2 1 存储器扩展 智能遥控器系统需要存储空间足够大。如果一个红外线指令持续的时间为8 0 m s ，按 照2 0 0 k h z 的频率进行采样，一个指令的采样结果将产生1 6 k b i t 的二进制代码。假设一 个家庭需要1 6 个遥控器，每个普通遥控器有3 2 个按键，那么，智能遥控器系统需要1 6 x3 2x1 6 k = 8 m 比特的存储空间。考虑到嵌入式l i n u x 的内核和文件系统也要占用一定 的存储空间，本课题选用了6 4 m 的n a n df l a s h 作为存储器，实现灵活的参数配置及 存储1 引。 由于程序不能在n a n df l a s h 中直接运行，所以需要s d r a m 配合。系统采用6 4 m s d r a m 作为动态存储器，实现程序的动态运行、系统的调度、应用程序等多种功能。 具体设计中采用了系统采用了n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 和s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h ，如下图3 2 和图3 3 所示。 1n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 的扩展 f l a s h 是一种可擦写，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。f l a s h 主要有n o rf l a s h 和 n a n df l a s h 两种。 n o r f l a s h 的特点是芯片内执行，这样应用程序可以直接在f l a s h 内运行，不必 再把代码读到系统r a m 中。n o rf l a s h 的传输效率很高，在l 4 m b 的小容量时具 1 0 江苏大学硕士学位论文 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。n a n df l a s h 结构能提供极高的存储单元密度，并且写入和擦除的速度也很快。n a n df l a s h 的单 元尺寸几乎是n o rf l a s h 的一半，由于生产过程更为简单，n a n df l a s h 结构可以 在给定的模具尺寸内提供更高的容量，也就相应地降低了成本。 另外从耐用性来看，n a n df l a s h 中每个块的最大擦写次数是一百万次，而n o r f l a s h 的擦写次数是十万次，因此n a n df l a s h 更具优势。 k 9 f 1 2 0 8 是s a m s u n g 公司生产的大容量、高可靠n a n df l a s h 存储器。该芯片存 储容量为6 4 m 8 b i t ，对5 2 8 字节一页的写操作所需时间的典型值是2 0 0 i t s ，而对1 6 k 字节一块的擦除操作典型值也仅需2 m s 。每一页中的数据读出速度也很快，平均每个字 节只需5 0 n s 。8 位i o 端口采用地址、数据和命令复用的方法。这样既可以减少引脚数， 还可使接口电路简洁。$ 3 c 2 4 1 0 a 的内部集成有n a n df l a s h 控制器，能自动执行写 操作和擦除功能，包括必要的脉冲产生，内部校验等，完全不用考虑外部控制器的使用， 简化了器件的编程控制难度，可与k 9 f 1 2 0 8 方便连接，具体连接如图3 2 所示。 姒 瞻错1 2 0 5 l i 教 4 4t d 4 a i 矗 1 0 7 l 饼 嘎，l w a 6 籼 ， 职) 5 q z l o a 了 5 1 f c e ，一 霄瘸wv i il 0 直- _ a 4 c l e l a t a 3 尹) t a 2 p v e ， l a t d a 瑚 r e d 3 j _ c jf svc o j 【 2n n df a s h 扩展电路图 f 1 2 0 8 引脚定义如表3 1 所示。 1k f 1 2 0 8 引脚功能 0 0 i 0 7输入输出端，芯片未选中为高阻态 e 锁存使能 e 锁存使能 选择控制端 输出控制，有效时数据送到i 0 总线上 0 口控制，命令、地址或数据在上升沿锁存 护 a 器件的状态，o 为忙，1 为闲，开漏输出 c 端 s s r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t h 的扩展 江苏大学硕士学位论文 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，但其操作都是由 时钟作为同步，存取速度高于f l a s h 存储器，数据吞吐量更大，且具有读写的属性。 s d r a m 在系统中主要用作程序的运行空间，当系统启动时，m p u 首先从复位地址o x o 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码调入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。 本文设计中使用两片三星的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 芯片构建3 2 位、6 4 m b 的s d r a m 存储器系统。每片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 的存储容量为1 6 组x1 6 m ( 3 2 m b ) ，工作电压为 3 3 v ，时钟频率为1 3 3 m h z 。常见的封装为5 4 脚t s o p ，兼容i m 盯l 接口，支持自动 刷新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，16 位数据宽度。h y 5 7 v 5 6l6 2 0 b t - h 的管脚说 明见表3 2 所示。 表3 2h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 引脚说明 引脚描述功能 s c l k 时钟芯片时钟输入 s c k e 时钟使能片内时钟信号控制 n s c s片选禁止或使能c l k 、c k e 和d q m 外的所有输入信号 b a o 、队1 块地址选择用于片内4 个组的选择 a 1 2 一a 0 地址总线行地址：a 1 2 一a 0 ，列地址：c a 8 c a 0 ，自动预充电标志：a 0 n s r a s 行地址所存用于行地址锁存 n s c a s列地址所存用于列地址锁存 n w e 写使能用于写使能 ， l d q m u d q m数据i o 屏蔽在读模式下控制输出缓冲，在写模式下屏蔽输入数据 d 0 1 5 。d 0 0数据总线数据输入输出引脚 v d d v s s电源地内部电路及输入缓冲电源地 v d d o v s s o电源地输出缓冲电源地 s d r a m 的控制信号较多，根据h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 管脚说明实现两片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 并联构建3 2 位的s d r a m 存储器系统。将这两片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 作为一个整体配置到s 3 c 2 4 1 0 a 的存储器控制接口s r a m s d r a m b a n k 6 ，7 的任一位置，本系统中配置到s r a m s d r a mb a n k 6 ，地址空间为0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 3 0 f f f f f f 。即将$ 3 c 2 4 1 0 a 的n s c s 0 ：n g c s 6 信号端接至两片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 的n s c s 端。具体连接如图3 3 所示。 1 2 图3 3s d r a m 扩展电路圈 3 1 2 2 人机交互模块 对于智能遥控器系统硬件平台的设计，从实际应用出发，考虑到该嵌入式系统要具 有良好的用户接口，论文设计了l c d 显示模块、触摸屏模块。智能遥控器系统的l c d 用 于显示逻辑键，用户可以通过在按钮上定义不同的按键说明、绑定不同的红外编码，实 现在不同场合下不同的控制功能。 由于$ 3 c 2 4 1 0 a 内部已经集成了l