基于ARM2110的LCD数字频率计设计

1、毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题目（中文）： 基于 ARM2110 的 LCD 数字频率计设计 （英文）： Designed of ARM2110-based LCD Digital Frequency Meter 系 部 电子与信息工程系 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 完完 成成 日日 期期 20112011 年年 4 4 月月 上海师范大学天华学院本科毕业设计（论文）上海师范大学天华学院本科毕业设计（论文） 诚信声明诚信声明 本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文） ，题目基于 ARM2110 的 LCD 数字频率计设计是本人在指导教师的指导下， 进行研究工作所取得的成果

2、。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注明。除此之外，本设计（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。本人完全 意识到本声明应承担的法律责任。 作者(签名)： 日期： 年 月 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 （2011 届）届） 题目（中文）： 基于 ARM2110 的 LCD 数字频率计设计 （英文）： Designed of ARM2110-based LCD Digital Frequency Meter 系 部 电子与信息工程系 专业班级 学生姓名 学 号 指导教师 系负责人 (签章) 日日 期：期： 20002000 年年

3、 1111 月月 一、毕业设计（论文）的主要内容与具体要求（任务及背景、工作环境、成果形式、着重培养的 能力、有实验环节的要提出主要技术指标、要求） （一） 、毕业设计（论文）主要内容及主要技术指标、要求 1.主要内容 利用ARM Cortex-M3的定时器功能，完成对输入的信号进行频率计数，计数 的频率结果通过LCD液晶屏显示出来。要求能够对0250KHz的信号频率进行准 确计数，计数误差不超过1Hz。 （1）定时/计数器的工作方式设置，定时器0是工作在计数状态下，对输入 的频率信号进行计数，使用32位计数模式，计数频率最大设置为250KHz。对于 频率的概念就是在一秒只数脉冲的个数，即为频

4、率值。所以T1工作在定时状态 下，每定时1秒中到，就停止T0的计数，而从T0的计数单元中读取计数的数值， 然后进行数据处理。送到LCD液晶屏显示出来。T1工作在定时状态下，使用32位 内部时钟源定时模式，实现1秒的定时功能。 （2）LCD 液晶显示屏采用 QVGA 分辨率（320*240） ，利用图形显示外设驱 动函数对液晶屏进行配置。 2.主要技术指标、要求 （1）可以充分利用现有ARM开发板的硬件平台上的资源进行设计。 （2）要求能够对0250KHZ的信号频率进行准确计数，计数误差不超过 1Hz。 （3）采用32位内部时钟源定时完成1秒的定时功能。 （4）电源采用5V稳压电源输入设计。 （

5、二） 、毕业设计（论文）的基本要求 1.认真、独立完成不少于 4000 字或 10000 字符的外文科技文献译文 ， 按照学校规定的译文要求和格式撰写。 2.认真、独立完成不少于 10000 字的毕业设计（论文）报告的写作，按照 学校规定的论文要求和格式撰写。 3.毕业设计报告要求包含： （1）LCD数字频率计原理示意图； （2）LCD数字频率计硬件电路原理图（用CAD软件画出）； （3）LCD数字频率计程序流程图； （4）LCD数字频率计系统源程序。 4.及时与指导老师进行沟通，按计划完成毕业设计（论文）报告的写作和 答辩工作。 二、毕业设计（论文）进度安排 起讫日期工作内容备 注 1. 2

6、010.11.111.14（第 910 周）完成英文资料翻译。 2. 2010.11.1511.28（第 1112 周） 接受毕业设计（论文）任务书 。 查阅文献资料、撰写文献综述报告， 准备参考资料。 3. 2010.11.2912.12（第 1314 周） 完成毕业设计（论文）开题报告。 4. 2010.12.1312.19（第 15 周） 指导教师审核开题报告和设计方案。 5. 2010.12.201.18（第 1618 周） 完成本课题设计、仿真和数据分析。 6. 2011.2.12.28寒假。 7. 2011.2.213.6（第 12 周）中期检查。 8. 2011.3.74.15（

7、第 38 周）整理、撰写毕业设计报告。 9. 2011.4.164.20（第 9 周）毕业设计答辩。 三、所需的资料和主要参考文献 参考资料： 1 那彦电子及通信专业毕业设计宝典M西安：西安电子科技大学出版社，2008 2 George ClaytonOperational AmplifiersMBurlington：Newnes，2007 3 姚文详ARM Cortex-M3 权威指南M北京：北京航空航天大学出版社，2009 4 刘同法ARM Cortex-M3 内核微控制器快速入门与应用M北京：北京航空航天大学 出版社，2009 5 赵星寒从 51 到 ARM:32 位嵌入式系统入门M北京

8、：北京航空航天大学出版社, 2005 6 周立功ARM 嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社, 2004 注：1. 本任务书一式两份，须双面打印。由指导教师填写并经所在系审核确认后交系部； 2. 本任务书一份须与学生的毕业设计（论文）一并存档，另一份系部存档； 3. 指导教师、学生可各执一份复印件，供检查论文进度时使用。 上海师范大学天华学院 2000 届 毕毕业业设设计计（论论文文）开开题题报报告告 设计（论文）题目基于 ARM2110 的 LCD 数字频率计设计 学生姓名学 号 专业、班 级 系 部电子与信息工程系指导教师姓名 建议从以下方面填写：1. 简述课题的作用和意义 2

9、. 国内外的现状和发展趋势等情况(文献综 述)，尚待解决的问题；3. 重点介绍完成任务的可能思路、方案和计划；4. (工科类专业需填写)所需 的主要仪器和设备等。 一、课题的作用和意义 随着科学技术的飞速发展，频率计作为一种测量工具已经成为科研、实 验、教学工作中不可缺少的工具。市售的商品数字频率计都是由专门的频率 测量芯片组装而成，其特点是精度高、功能强，但价格昂贵且操作复杂。而 其他大部分频率计均采用普通门电路或可编程逻辑器件 PLD 作为信号处理系 统的控制核心，存在结构复杂、稳定性差、精度不高的弊端。在学校内进行 各类电子技术实验和实践，使用频率计所要测量的对象大多是各种波形或者 脉冲

10、信号，若采用上述的频率计则不合理，故研制一款适用于校内使用的数 字频率计是很有必要的。 若采用嵌入式技术，结合外围电路，设计数字频率计可达到较好的效果。 该频率计可以达到的特点是：1、使用嵌入式智能控制，无须换档就可对一定 范围内的信号进行测量，其显示结果可自动转换单位；2、可测量电信号的周 期、频率、脉宽、占空比，测量精度高（误差小于 0.001 %） 。3、价格便宜， 携带方便，可广泛应用于电子实验室、电子企业及科研场所。ARM 这一电子 时代的产物，由于其功能强大，使用灵活等特点，已经成为小型电子系统中 的核心部件。 2、国内外的现状和发展趋势 数字频率计是采用数字电路制成的实现对周期性

11、变化信号的频率的测量。 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、 测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要。若配以 适当的传感器还可以对许多物理量进行测量，它被广泛应用于航天、电子、 测控等 领域。测量频率的方法有多种,其中电子计数器测量频率具有精度高、使用方 便、测量迅速，以及便于实现测量过程自动化等优点，是频率测量的重要手 段之一。数字计数器测频有两种方式：一是直接测频法，即在一定闸门时间 内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法，如周期测频法。直接测频法 适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低频信号的频率测量。 数字频率计（用于检测方波、

12、正弦波或其他脉冲信号）的频率用十进制 数字显示，具有精度高，测量迅速，读数方便等特点。基于数字频率计的应 用也十分广泛，可用于电机测速、航天、电子、测控等领域。 另外，本次设计任务所要使用到的 ARM Cortex-M3，其内核主要是应用 于小管脚数、低成本和低功耗的场合，并且具有极高的运算能力和极强的中 断响应能力。Cortex-M3 采用了新型的单线调试（Single Wire）技术，专门 拿出一个引脚来做调试，节约了大笔的调试工具费用。同时，Cortex-M3 中 还集成了大部分存储器控制器，这样就可以直接在 MCU 外连接 Flash，降低 了设计难度和应用障碍，因此其发展趋势亦不容小

13、觑。 3、完成任务的可能思路及方案 本次设计的任务是：利用ARM Cortex-M3的定时器功能，完成对输入的信 号进行频率计数，计数的频率结果通过LCD液晶屏显示出来。要求：能够对 0250KHz的信号频率进行准确计数，计数误差不超过1Hz；充分利用现有 ARM开发板的硬件平台上的资源进行设计；采用32位内部时钟源定时完成1秒 的定时功能；电源采用5V稳压电源输入设计。 预计方案：使用ARM2110开发板来连接LCD及外部信号源；LCD液晶显示屏 采用QVGA分辨率（320*240），利用图形显示外设驱动函数对液晶屏进行配置； 外部信号源使用DG1022型信号发生器。预计设计方案的基于ARM

14、2110的LCD数 字频率计的系统原理框图如图1所示。 对于频率的概念就是在一秒内脉冲的个数。要测得到外部信号的频率， 在软件方面，就要利用ARM Cortex-M3的定时器功能，方法如下：用一个定时 计数器做定时中断，定时 1s，另一定时计数器仅做计数器使用，初始化完毕 后同时开启两个定时计数器，直到产生 1s 中断，产生 1s 中断后立即关闭 T0 和 T1（起保护程序和数据的作用）,此时取出计数器寄存器内的值就是 1s内 待测信号的下降沿次数即待测信号的频率。用相关函数显示完毕后再开启 T0 和 T1 这样即可进入下一轮测量。定时1s测信号脉冲次数的方法原理示意图 如图2所示。 LM3S

15、2110 电源(5V) LCD 显示屏 （320*240） 外部待测信号 （信号发生器） 按键 蜂鸣器 LED小灯 图1 基于ARM2110的LCD数字频率计原理框图 待测信号 TR1 TR0 T0的计数值 定时1s 0 123n-2n-1nn-3 图2 定时1s测信号脉冲次数的方法原理图 经由上述的硬件、外设的使用和连接的方式，以及软件方面用定时1s测 信号脉冲次数的方法，接下去要完善MCU内部软件的编制。本设计预计的程序 方案为：首先加载图形显示外设驱动函数，以驱动LCD液晶显示屏；然后等待 程序外部待测信号的输入；然后根据定时1s测信号脉冲次数的方法来操作； 接着显示测得的频率值并继续等

16、待和检测是否有其他信号输入，或者信号输 入端是否断开；重复执行程序，直到关闭电源。基于ARM2110的LCD数字频率 计软件程序流程图如图3所示。 开始 初始化 驱动LCD显示屏 显示“000.000 kHz” 开启并初始化T0、T1 T1定时1s 1s时间到 T0记录信号的下降沿个数 Y Y 关闭T0、T1 显示“T0计数值 kHz” 按下暂停键 Y N 按下继续键 N N 图3 基于ARM2110的LCD数字频率计软件程序流程图 四、毕业设计（论文）进度安排 1、2010.11.111.14（第910周）完成英文资料翻译。 2、2010.11.1511.28（第1112周）接受毕业设计（论

17、文）任务书 。查阅文献资料、撰写文献综述报告，准备参考资料。 3、2010.11.2912.12（第1314周）完成毕业设计（论文）开题报告。 4、2010.12.1312.19（第15周）指导教师审核开题报告和设计方案。 5、2010.12.201.18（第1618周）完成本课题设计、仿真和数据分析。 6、2011.2.12.28 寒假。 7、2011.2.213.6（第12周）中期检查。 8、2011.3.74.15（第38周）整理、撰写毕业设计报告。 9、2011.4.164.20（第9周）毕业设计答辩。 5、所需的主要仪器和设备 PC机一台、YB1602型信号发生器一台、ARM2110

18、开发板一块（Cortex-M3 型）、LCD液晶屏显示屏一块（QVGA分辨率320*240）、“Protel99 SE”电路 原理图绘制软件、“MS Visio”框图原理图绘制软件、“IAR Embedded Workbench for ARM”程序编译软件、USB数据线一根、杜邦线若干。 6、所需的材料和主要参考文献 1 那彦电子及通信专业毕业设计宝典M西安：西安电子科技大学出版社，2008 2 George ClaytonOperational AmplifiersMBurlington：Newnes，2007 3 姚文详ARM Cortex-M3 权威指南M北京：北京航空航天大学出版社，

19、2009 4 刘同法ARM Cortex-M3 内核微控制器快速入门与应用M北京：北京航空航天大 学出版社，2009 5 赵星寒从 51 到 ARM:32 位嵌入式系统入门M北京：北京航空航天大学出版社, 2005 6 周立功ARM 嵌入式系统基础教程M北京：北京航空航天大学出版社, 2004 7 商宾嵌入式 C 语言开发入门与编程实践M北京：电子工业出版社，2008 8 John BirdElectrical and Electronic Principles and TechnologyMBurlington：Newnes，2010 9 刘凯ARM 嵌入式应用技术基础M北京：清华大学出版社

20、，2009 10 Peter Liggesmeyer嵌入式系统软件工程M北京：电子工业出版社，2009 11 Mary P. Mathematics for Electrical EngineeringM. Burlington：Newnes，2003 12 TI Incorporated. Stellaris USB LibraryEB/OL. ，2010 13 李刚ARM 原理与应用开发M北京：电子工业出版社，2009 14 Clive Maxfield. FPGAs: World Class DesignsM. Burlington：Newnes，2009 15 任哲嵌入式实时操作系统原

21、理及应用M北京：北京航空航天大学出版社， 2007 16 TI Incorporated. Stellaris Graphics LibraryEB/OL. ，2010 17 刘凯ARM 嵌入式接口技术应用M北京：清华大学出版社，2009 18 马特洛夫软件调试的艺术M北京：人民邮电出版社，2009 学生姓名 _（签名） 日期： 年 月 日 指导教师评语：（建议填写内容：对学生提出的方案给出评语，明确是否同意开题，提出学生完 成上述任务的建议、注意事项等） 指导教师 _（签名） 日期： 年 月 日 注：1. 本开题报告，须双面打印。由学生填写并经指导老师审核、评价。 2. 本开题报告一式两份，

22、一份须与学生的毕业设计（论文）一并存档，一份作系部存档用。 目录目录 摘要.I Abstract.II 1 绪论 .1 1.1 课题的目的和意义 .1 1.2 数字频率计的现状和发展趋势 .1 1.3 本设计使用的微控制器的现状和发展趋势 .2 2 设计方案 .4 2.1 设计基本要求 .4 2.2 设计功能概述 .4 2.3 设计方案概述 .4 3 系统硬件设计 .7 3.1 系统硬件的构成与原理 .7 3.2 ARM2110 开发板原理与应用.7 3.2.1 LM3S2110 特性概述.7 3.2.2 LM3S2110 中断功能概述.8 3.2.3 LM3S2110 的 GPIO 特性.9

23、 3.2.4 按键部分应用方式 .9 3.2.5 蜂鸣器应用方式 .10 3.2.6 LED 灯应用方式.11 3.3 LCD 液晶显示屏应用方式概述.12 3.3.1 TFT-LCD 液晶显示屏原理.12 3.3.2 TFT-LCD 液晶显示屏特点.13 3.3.3 LCD 液晶显示屏连接方式.14 3.3.4 LCD 液晶显示屏控制芯片.15 3.4 信号发生器原理概述与应用方式 .15 4 系统软件设计 .17 4.1 系统软件综述.17 4.2 Stellaris 外设驱动库.18 4.3 初始化 .18 4.3.1 GPIO 初始化.19 4.3.2 LCD 液晶显示初始化.20 4

24、.3.3 按键、蜂鸣器、LED 灯的初始化.20 4.3.4 定时器的初始化 .20 4.4 LCD 液晶显示的软件设计.21 4.5 利用定时器检测频率的软件设计 .22 4.6 蜂鸣器、按键、LED 灯控制的软件设计.23 5 调试与结果 .26 5.1 系统调试 .26 5.2 实验结果 .27 6 总结 .29 参考文献.30 致谢.31 附录一 LM3S2110 引脚图.32 附录二 ARM2110 开发板原理电路图.33 附录三 系统原理电路图 .34 附录四 程序清单 .35 摘要 本设计选用 LM3S2110 作为微控制器，并通过对硬件和软件两方 面的设计，结合 LCD 液晶显

25、示屏、按键、蜂鸣器、LED 灯以及信号 发生器，来实现数字频率计在嵌入式系统上的应用与开发。本设计 的目的是研制一款低成本、高精度、测量迅速、使用方便的手持式 的数字频率计以适用于校内实验室或其他科研场所。 本设计利用定时器功能，对输入的信号（0-250KHz）进行实时 的、高精度的频率测量，并通过 LCD 液晶屏显示测量结果。论文中 阐述了相关的硬件原理与应用方案，并在其基础上叙述了软件设计 和调试的过程，最终结合硬件和软件完成了本次设计。 关键词：关键词：LM3S2110，数字频率计，液晶显示 Abstract This design uses LM3S2110 as the micro

26、controller unit, and through both hardware and software design, combined with a LCD screen, several keys, a buzzer, several LED lights and a signal generator to achieve the application and development of a digital frequency meter on the embedded system. The purpose of this design is to develop a low

27、-cost, high accuracy, fast measurement and easy to use handheld digital frequency meter for the school laboratory or other research establishments. This design uses the function of the timer to measure the input signal (0-250KHz) in real time and high precision, and uses the LCD screen to display re

28、sults. This paper describes the relevant principles of hardware and the applications, based on these, it also described the process of the design an debugging of the software, and combines the hardware and the software to complete this design at last. Key words: LM3S2110, Digital Frequency Meter, LC

29、D 1 绪论 1.1 课题的目的和意义 在许多情况下，要对信号的频率进行测量，利用示波器可以粗略测量被测 信号的频率，精确测量则要用到数字频率计。随着科学技术的飞速发展，频率 计作为一种测量工具已经成为科研、实验、教学工作中不可缺少的工具。市售 的商品数字频率计都是由专门的频率测量芯片组装而成，其特点是精度高、功 能强，但价格昂贵且操作复杂。而其它大部分频率计均采用普通门电路或者是 可编程逻辑器 PLD 作为信号处理系统的控制核心，存在结构复杂、稳定性差、 精度不高的弊端1。在学校内进行各类电子技术实验和实践，使用频率计所要 测量的对象大多是各种波形或者脉冲信号，若采用上述的频率计则不合理，故

30、 研制一款适用于校内使用的数字频率计是很有必要的。 若采用嵌入式技术，结合外围电路或设备，设计的数字频率计可达到较好 的效果。该数字频率计可以达到的特点是： 1、使用嵌入式智能控制，无须换档就可对一定范围内的信号进行测量，其 显示结果可自动转换单位； 2、可测量电信号的周期、频率等，测量精度高（误差小于 0.001%） ； 3、价格便宜，携带方便，可广泛应用于电子实验室、电子企业及科研场所。 ARM 这一电子时代的产物，由于其功能强大，使用灵活等特点，已经成为小型 电子系统中的核心部件。 1.2 数字频率计的现状和发展趋势 频率及时间的测量以及它们的控制技术在科学技术各领域，特别是在计量 学、

31、电子技术、信息科学、通信、天文和电子仪器等领域占有越来越重要的地 位。从国际发展的趋势上看，频率标准的准确度和稳定度提高得非常快，几乎 是每隔 6 至 8 年就提高一个数量级。 在电子技术中，频率是最基本的参数之一，并且与许多电参量的测量方案、 测量结果都有十分密切的关系，因此，频率的测量就显得更为重要，若配以适 当的传感器还可以对许多物理量进行测量。数字计数器测频有两种方式：一是 直接测频法，即在一定闸门时间内测量被测信号的脉冲个数；二是间接测频法， 如周期测频法。直接测频法适用于高频信号的频率测量，间接测频法适用于低 频信号的频率测量。 数字频率计（用于检测方波、正弦波或其他脉冲信号）的频

32、率用十进制数 字显示，具有精度高，测量迅速，读数方便等特点。基于数字频率计的应用也 十分广泛，可用于电机测速、航天、电子工程、测控、资源勘探,仪器仪表等领 域。 由于大规模和超大规模数字集成电路技术、数据通信技术与单片机技术的 结合，数字频率计发展进入了智能化和微型化的新阶段。其功能进一步扩大， 除了测量频率、频率比、周期、时间、相位、相位差等基本功能外，还具有自 捡、自校、自诊断、数理统计、计算方均根值、数据存储和数据通信等功能。 此外，还能测量电压、电流、阻抗、功率和波形等。 国际上数字频率计的分类很多。按功能分类，因计数式频率计的测量功能 很多，用途很广。所以根据仪器具有的功能，电子计数

33、器有通用和专用之分。 1、通用型计数器：是一种具有多种测量功能、多种用途的万能计数器。它 可测量频率、周期、多周期平均值、时间间隔、累加计数、计时等；若配上相 应插件，就可测相位、电压、电流、功率、电阻等电量；配上适当的传感器， 还可进行长度、重量、压力、温度、速度等非电量的测量。 2、专用计数器：指专门用来测量某种单一功能的计数器。如频率计数器， 只能专门用来测量高频和微波频率；时间计数器，是以测量时间为基础的计数 器，其测时分辨力和准确度很高，可达ns数量级；特种计数器，它具有特种功 能，如可逆计数器、予置计数器、差值计数器、倒数计数器等，用于工业和白 控技术等方面2。 1.3 本设计使用

34、的微控制器的现状和发展趋势 本次设计任务所要使用到的微控制器是德州仪器(TI)公司提供的 LM3S2110 微控制器，这款微控制器是基于 ARM Cortex-M3 内核的微控制器，它为对成本 尤其敏感的嵌入式微控制器应用方案带来了高性能的 32 位运算能力。该 Stellaris 系列芯片能够提供高效的性能、广泛的集成功能以及按照要求定位 的选择，适用于各种关注成本并明确要求具有的过程控制以及连接能力的应用 方案。 Cortex-M3 内核主要是应用于小管脚数、低成本和低功耗的场合，并且具 有极高的运算能力和极强的中断响应能力。Cortex-M3 采用了新型的单线调试 (Single Wir

35、e)技术，专门拿出一个引脚来做调试，节约了大笔的调试工具费用。 同时，Cortex-M3 可以直接在 MCU 外连接 Flash，降低了设计难度和应用障碍， 因此其发展趋势亦不容小觑3。 在本次设计所需要用到的通用定时器方面，LM3S2110 表现出了非常优秀的 能力。LM3S2110 包含了 3 个通用定时器模块（GPTM） ，每个模块都能提供 2 个 16 位的定时器/计数器。每个通用定时器模块都能够被设置为独立运作的定时 器或事件计数器（总共有 8 个）可用作单个 32 位的定时器（最多 4 个）或者用 作单个 32 位的实时时钟（RTC）以捕获事件。 2 设计方案 2.1 设计基本要求

36、 本次设计的任务是：利用 ARM Cortex-M3 的定时器功能，完成对输入的信 号进行频率计数，计数的频率结果通过 LCD 液晶屏显示出来。要求：能够对 0250KHz 的信号频率进行准确计数，计数误差不超过1Hz；充分利用现有 ARM 开发板的硬件平台上的资源进行设计；采用 32 位内部时钟源定时完成 1 秒 的定时功能；电源采用 5V 稳压电源输入设计。 2.2 设计功能概述 本次设计的数字频率计能够实时地在 LCD 液晶显示屏中显示当前系统开启 时间的计时和当前被测信号的 1 秒内的频率。该数字频率计工作流程图如图 2.1 所示，初始状态时，系统开启时间立即开始计时，频率显示“000

37、.000 KHz”；当接入外部待测信号时，立即开始检测 1 秒内的频率值，并显示在液晶 屏上；当按下“暂停”键时，暂停检测频率；当按下“继续”键时，继续检测 外部信号频率。 开始 显示“000.000 KHz” 检测外部信号1秒内频率值 显示“频率值 KHz” Y 按下“暂停” Y N 按下“继续” N 图 2.1 数字频率计工作流程图 2.3 设计方案概述 本次设计的系统原理框图如图 2.2 所示。使用 ARM2110 开发板来连接 LCD 液晶屏及信号发生源；LCD 液晶显示屏采用 QVGA 分辨率（320*240），利用图 形显示外设驱动函数对液晶屏进行配置；外部信号发生源使用 YB16

38、02 型信号发 生器，用来检测本次设计和制作的频率计是否精确无误。 定时 1s 测信号脉冲次数的方法原理示意图如图 2.3 所示。到产生 1s 中断， 产生 1s 中断后立即关闭 T0 和 T1（起保护程序和数据的作用）,此时取出计数 器寄存器内的值就是 1s 内待测信号的下降沿次数即待测信号的频率。用相关函 数显示完毕后再开启 T0 和 T1 这样即可进入下一轮测量4。 LM3S2110 电源(5V) LCD 显示屏 （320*240） 外部待测信号 （信号发生器） 按键 蜂鸣器 LED小灯 图 2.2 基于 ARM2110 的 LCD 数字频率计原理框图 待测信号 T1 T0 T0的计数值

39、 0 123n-2n-1nn-3 定时1s 图 2.3 定时 1s 测信号脉冲次数的方法原理图 对于频率的概念就是在一秒内脉冲的个数。要测得到外部信号的频率，在 软件方面，就要利用 ARM Cortex-M3 的定时器功能，方法如下：用一个定时计 数器做定时中断，定时 1s，另一定时计数器仅做计数器使用，初始化完毕后同 时开启两个定时计数器，直经由上述的硬件、外设的使用和连接，以及软件方 面用定时 1s 测信号脉冲次数的方法，接下去要完善 MCU 内部软件的编制。本设 计的程序方案为：首先加载图形显示外设驱动函数以驱动 LCD 液晶显示屏；然 后等待程序外部待测信号的输入；然后根据定时 1s

40、测信号脉冲次数的方法来操 作；最后显示测得的频率值并重复执行程序，直到关闭电源。 3 系统硬件设计 3.1 系统硬件的构成与原理 本次设计的 LCD 数字频率计主要使用到的硬件有 LM3S2110 微控制器、独立 按键、LED 小灯、蜂鸣器、TLN240T 型 TFT-LCD 彩色液晶显示屏、电源以及用来 检验频率检测效果的 YB1602 型信号发生器等。该系统的原理框图如图 2.2 所示， 利用 LM3S2110 微控制器驱动液晶显示屏、频率检测功能、蜂鸣器和 LED 小灯； 使用按键来重启、暂停或停止频率检测；使用蜂鸣器来判断按键的有效性；使 用 LED 小灯来指示系统当前的状态（正常运行

41、、暂停或停止状态） 。系统原理电 路图见附录三。 3.2 ARM2110 开发板原理与应用 ARM2110 开发板中包含一块 LM3S2110 微控制器，另外主要可以使用的元器 件有：1 个 RST 键，4 个独立按键，8 个 LED 小灯和 1 个蜂鸣器。该开发板的原 理电路图见附录二。 3.2.1 LM3S2110 特性概述 LM3S2110 微控制器是针对工业应用方案而设计的，包括远程监控、电子贩 售机、测试和测量设备、网络设备和交换机、工厂自动化、HVAC 和建筑控制、 游戏设备、运动控制、医疗器械、以及火警安防。 除此之外，该 LM3S2110 微控制器的优势还在于能够方便的运用多种

42、 ARM 的 开发工具和片上系统（SoC）的底层 IP 应用方案，以及广大的用户群体。 另外， 该微控制器使用了兼容 ARM 的 Thumb 指令集的 Thumb2 指令集来减少存储容量的 需求，并以此达到降低成本的目的。LM3S2110 微控制器与 Stellaris 系列的所 有成员是代码兼容的，这为用户提供了灵活性，能够适应各种精确的需求5。 与此同时，它还提供出色的计算性能和优越的系统中断响应能力。总的来说， 其特性包括： 1、紧凑的内核； 2、Thumb-2 指令集，在通常与 8 位和 16 位设备相关的存储容量中，特别 是在微控制器级应用的几千字节存储量中，提供 ARM 内核所期望

43、的高性能； 3、高速的应用通过 Harvard 结构执行，以独立指令和数据总线为特征； 4、优越的中断处理能力，通过执行寄存器操作来实现，这些寄存器操作在 处理硬件中断时使用； 5、存储器保护单元（MPU）为复杂的应用提供特权操作模式； 6、从 ARM7 控制器系列中移植过来，以获得更好的性能和电源效率； 7、功能齐全的调试解决方案有：串行线 JTAG 调试端口（SWJ-DP） ； Flash 修补和断点（FPB）单元，用于实现断点操作；数据观察点和触发（DWT）单元， 用于执行观察点、触发源和系统性能分析；仪表跟踪宏单元（ITM） ，用于支持 printf 型调试；跟踪端口接口单元（TPIU

44、）用作跟踪端口分析仪的桥接。 3.2.2 LM3S2110 中断功能概述 ARM Cortex-M3 微控制器和嵌套向量中断控制器（NVIC）将区分所有异常 的优先等级并对其进行处理。所有异常都在控制器模式中处理。在出现异常时， 控制器的状态将被自动存储到堆栈中，并在中断服务程序（ISR）结束时自动从 堆栈中恢复。取出向量和保存状态是同时进行的，这样便提高了进入中断的效 率。控制器还支持末尾连锁（tail-chaining） ，这使控制器无需保存和恢复状 态便可执行连续的（back-to-back）中断。 系统处理程序的优先级是通过 NVIC 系统处理程序优先级寄存器来设置的。 中断是通过 N

45、VIC 中断设置使能寄存器来使能的，并且由 NVIC 中断优先级寄存 器来区分其优先等级。你还可以把优先级划分为占先优先级（Pre-emption priorities）和次要优先级（subpriorites）两组。 用户可设置的最高优先级 0 在内部看作是优先级 4，仅次于复位、NMI 以及 硬件故障。注意：0 是所有可调整优先级的默认优先级。如果你将两个或更多 的中断指定为相同的优先级，那么它们的硬件优先级（位置编号越高优先级越 低）就决定了控制器激活中断的顺序。例如，如果 GPIO 端口 A 和 GPIO 端口 B 都为优先级 1，那么 GPIO 端口 A 的优先级更高6。 3.2.3

46、LM3S2110 的 GPIO 特性 GPIO 模块由 8 个物理 GPIO 模块组成，每个对应一个独立的 GPIO 端口 （端口 A, 端口 B, 端口 C, 端口 D, 端口 E, 端口 F, 端口 G, 和端口 H） 。 LM3S2110 引脚图见附录一。 GPIO 模块遵循 FiRM 规范，并且支持 11-40 个可编程的输入/输出管脚，具 体取决于正在使用的外设7。GPIO 模块具有以下的特性： 1、可编程控制 GPIO 中断：屏蔽中断发生；边沿触发（上升沿，下降沿， 上升、下降沿） ；（高或低）电平触发。 2、输入/输出可承受 5V 电压。 3、在读和写操作中通过地址线进行位屏蔽。

47、 4、可编程控制 GPIO 引脚配置。 本次设计使用的开发板上的微控制器 LM3S2110 上可使用的引脚有 PA2PA6（5 个） 、PB0PB6（7 个） 、PC4PC7（4 个） 、PD0PD7（8 个） 、 PE0PE1（2 个） 、PF0PF2（3 个） 、PG0PG1（2 个） 、PH0PH1（2 个） 。其 中 PF0 和 PF1 可以直接用来脉宽调制（PMW） ，输出方波信号。 3.2.4 按键部分应用方式 ARM2110 开发板中有 4 个独立按键，其原理电路图如图 3.1 所示。这四个 独立按键KEY1KEY4 各自的一端依次连接在微控制器 LM3S2110 上的 PH1、

48、PB6、PB5、PB4 四个引脚上。 3.3V R23 10K KEY4 PB4 R24 10K KEY3 PB5 R25 10K KEY2 PB6 R26 10K KEY1 PH1 图 3.1 开发板中 4 个独立按键原理电路图 根据图 3.1 可以看出，当这四个引脚中的某个引脚得到低电平时，代表其 相连的按键被按下，如：引脚 PB5 得到低电平就代表 KEY3 被按下。 3.2.5 蜂鸣器应用方式 ARM2110 开发板中的蜂鸣器的原理电路图如图 3.2 所示，控制蜂鸣器的端 口为 PH0 引脚，当 PH0 引脚输入低电平时，蜂鸣器会鸣叫。由于蜂鸣器的工作 电流一般比较大，以致于 MCU

49、的 I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电 路来驱动，如图 3.2 所示，开发板中的三极管 Q1（8050）就是用来放大电流以 驱动蜂鸣器的。 5V B1 BUZZER Q1 8050 R28 10K R27 2.2K PH0 图 3.2 开发板中蜂鸣器部分原理电路图 在嵌入式应用的设计上，很多方案都会用到蜂鸣器，大部分都是使用蜂鸣 器来做提示或报警，比如按键按下、开始工作、工作结束或是故障等等。一般 驱动蜂鸣器的方式有两种：一种是 PWM 输出口直接驱动，另一种是利用 I/O 定 时翻转电平产生驱动波形对蜂鸣器进行驱动。 PWM 输出口直接驱动是利用 PWM 输出口本身可以输出一定的方

50、波来直接驱 动蜂鸣器。只要打开 PWM 输出，PWM 输出口就能输出该频率的方波，这个时候 利用这个波形就可以驱动蜂鸣器了。比如频率为 2000Hz 的蜂鸣器的驱动，可 以知道周期为 500s，这样只需要把 PWM 的周期设置为 500s，占空比电平设 置为 250s，就能产生一个频率为 2000Hz 的方波，通过这个方波再利用三极 管就可以去驱动这个蜂鸣器了。 利用 I/O 定时翻转电平来产生驱动波形的方式则必须利用定时器来做定时， 通过定时翻转电平产生符合蜂鸣器要求的频率的波形，这个波形就可以用来驱 动蜂鸣器了。比如为 2500Hz 的蜂鸣器的驱动，可以知道周期为 400s，这样 只需要驱

51、动蜂鸣器的 I/O 口每 200s 翻转一次电平就可以产生一个频率为 2500Hz，占空比为 1/2duty 的方波，再通过三极管放大就可以驱动这个蜂鸣器 了8。 本设计中就是使用了 I/O 定时翻转的方式来驱动蜂鸣器，以此来实现系统 提示和报警，以及按键声的功能。 3.2.6 LED 灯应用方式 LED 即发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。 LED 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极， 另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部 分组成，一部分是 P 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是 N 型半导 体，在

52、这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一 个“P-N 结” 。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向 P 区， 在 P 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 LED 发光 的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成 P-N 结材料决定的9。 R19 PF1 4.7K LED1 R20 PF2 4.7K LED2 R21 PB0 4.7K LED3 R29 PB2 4.7K LED5 R30 PB3 4.7K LED6 R22 PB1 4.7K LED4 3.3V R31 PE0 4.7K LED7 R32 PE4 4.7K LED8 图 3.

53、3 LED 灯原理电路图 ARM2110 开发板中，有 8 个 LED 小灯，其原理电路图如图 3.3 所示。这 8 个小灯LED1LED8 各自的负极连接了一个 4.7K 的电阻后依次连接在微控 制器 LM3S2110 上的 PF1、PF2、PB0、PB1、PB2、PB3、PE0、PE1 这 8 个引脚上， 当这 8 个引脚中的某个引脚得到低电平时，其相连的 LED 小灯就会亮起。 3.3 LCD 液晶显示屏应用方式概述 3.3.1 TFT-LCD 液晶显示屏原理 本次设计使用的 LCD 液晶屏是 TLN240T 型的 3.3V TFT-LCD 彩色液晶显示屏， 分辨率为 240 x320，

54、色，具体参数见表 3.1。 表 3.1 TLN240T 型 TFT-LCD 液晶显示屏规格参数 项目规格单位 LCD 类型 TFT 显示颜色 26.2 万色 LCD 占空比 1/320 LCD 偏压比 - 视角 12:00 可视范围（宽高） -mm 活动范围（宽高） 36.72(H)48.96(V)mm 点数 240(H)3(RGB)320(V) 点 点距 0.1530.153mm 控制器 OTM3225A 工作电压 3V 外形尺寸 42.72(W)60.26(H)2.5 (D)mm 背光灯LED（白色） 操作温度-20 +70 存储温度-30 +80 重量待定 g 数据传输16 位并行 偏光

55、片模式全透/负性 TFT(Thin Film Transistor)LCD 即薄膜场效应晶体管 LCD，是有源矩阵类 型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。 根据图 3.4 所示，TFT-LCD 是由二层玻璃基板夹住液晶组成的，形成一个 平行板电容器，通过嵌入在下玻璃基板上的 TFT 对这个电容器和内置的存储电 容充电以维持每幅图像所需要的电压直到下一幅画面更新。TFT-LCD 需要背光， 由于 LCD 面板本身并不发光，它的色彩都是透明的，所以必须给 LCD 衬以白色 的背光板, 以此来提供一个高亮度，而且亮度分布均匀的光源才能将五颜六色 表达出来，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白

56、色灯光。因此在 TFT-LCD 的底部都组合了灯具，如 CCFL 或 LED。LCD 实际上是通过自身的 R,G,B 彩色滤光片对背光源发出的光进行合成来实现彩色显示的10。 图 3.4 TFT-LCD 切面结构图11 3.3.2 TFT-LCD 液晶显示屏特点 TFT-LCD 的主要特点和优点有： 1、大面积大面积玻璃基板一次可以裁切成 15 片 42 寸液晶电视； 2、高度集成分辨率为 SXGA（12801024）的 16.1 英寸的 TFT 阵列非 晶体硅的膜厚只有 50nm； 3、功能强大TFT-LCD 是人类历史上第一种在显示质量上超过 CRT 的平 板显示器； 4、低成本玻璃基板和

57、塑料基板从根本上解决了大规模半导体集成电路 的成本问题； 5、工艺灵活可以制作非晶膜、多晶膜、单晶膜、硅膜和其它半导体薄 膜； 6、应用领域广泛以 TFT 技术为基础的液晶平板显示器是信息社会的支 柱产业，也可应用到正在迅速成长中 TFT-OLED 平板显示器中； 7、使用特性好低驱动电压（安全性和可靠性提高） 、平板化（节省了 大量原材料和使用空间） 、低功耗（功耗约为 CRT 显示器的十分之一） 、尺寸系 列化、方便灵活、维修、更新、升级容易、使用寿命长等； 8、环保特性好无辐射、无闪烁； 9、适用范围广从-20到+50的温度范围内都可以正常使用，经过温 度加固处理的 TFT-LCD 低温

58、工作温度可达到零下 80； 10、使用范围宽既可作为移动终端显示，台式终端显示，又可以作大 屏幕投影电视，是性能优良的全尺寸视频显示终端； 11、大规模工业化生产特性好TFT-LCD 产业技术成熟，大规模生产的 成品率达到 90%以上； 12、易于集成化和更新换代是大规模半导体集成电路技术和光源技术 的完美结合，继续发展潜力很大。 3.3.3 LCD 液晶显示屏连接方式 TLN240T 型的 3.3V TFT-LCD 彩色液晶显示屏与 ARM2110 开发板连接时，应 该与 3.3V 的电平相连，若与 5.0V 电平相连必须要通过电平转换，否则会烧毁 液晶屏。液晶屏与微控制器的接口为 8 位总

59、线方式，图 3.5 中用网络表的方式 表明了 LCD 液晶屏与微控制器接线的方式。 CS RS WR RD RST D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 GND VCC3.3 15 PA3 2 GND 3 PD7 4 PD6 5 PD5 6 PD4 7 PD3 8 PD2 9 PD1 10 PD0 11 PA6 12 PA4 13 PA5 14 PA2 1 3.3V 图 3.5 LCD 液晶屏排针接口 3.3.4 LCD 液晶显示屏控制芯片 本次设计所使用的 LCD 液晶显示屏的控制芯片是 OTM3225A。该芯片是一个 色的 SoC 驱动的大规模集成电路，专为小型和中型 TFT 液晶显示屏而设计，具 有取得由的特定 RAM 提供的 240 xRGBx320 分辨率图形数据的能力。它的 720 通 道的源极驱动器具有真正的 6 位分辨率，可产生 64 伽玛纠正内部数/模转换值。 OTM3225A 能够操作下至 1.65V 电源的 I/O 接口并含有许多电荷泵产生的各 种电压，从而形成一个片上功率门驱动器和源驱动管理系统12。 内置在 OTM3225A 时序控制器可以支持的中小型便携式显示的不同规范的多 个接口。OTM3225A 提供系统的接口，其中包括 8-/9-/16-/18-bit 并行接口和 串行接口（SPI） ，来配置系统