摘 要 論文以ARM7處理器LPC2104和實時嵌入式操作系統(tǒng) I．LC／OS—II為基礎(chǔ) ．建立了基LPC2104的嵌入 式開發(fā) 平臺，實現(xiàn) 了 USB通信、嵌入式 Internet通信 、紅外通信 等非常熱門嵌入式應(yīng)用術(shù) 。同時硬件的體積更小、功耗更低、功能更多、擴展性更強 。此外 ，由于所使用的嵌入式實時操作系統(tǒng) ~C／OS—II已經(jīng)通過了可靠性的認(rèn)證 。這樣使得整個系統(tǒng)的運行更加穩(wěn)定 ，程序的維護(hù)和升級也更加方便。
1 概 述
嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部分 ，處理器的選擇是關(guān)鍵 。目前 ，ARM處理器已遍及工業(yè)控制 、消費電子產(chǎn)品 、通信系統(tǒng)等各類 產(chǎn)品市場 ，基于ARM 技術(shù)的微處理器應(yīng)用約 占了 32位 RISC處理器 75％以上的市場份 額I】1。ARM 處理 器包括ARM7、ARM9、ARM9E、ARM10E、SecurCore、Intel的 Xscale、In— tel的 StrongARM等幾個 系列 1，其 中 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM1OE為 4個通用處理器系列 。
ARM7系列微處理器為低功耗的32位RISC處理器 ，適合用于對價位和功耗要求較高的產(chǎn)品應(yīng)用中。ARM7微處理器 系列具有如下特點 ：
(1)極低 的功耗 ；
(2)提供 0．9MIPS／MHZ的三級流水線結(jié) 構(gòu)(取 指 、譯碼 、執(zhí)行 )；
(3)最高主頻可到達(dá) 13OMIPS；
(4)代碼密度高并支持 16位 的 Thumb指令集 ；
(5)對操作系統(tǒng)的支持廣泛 ，包括 Windows CE、Linux、 Palm OS等 。
ARM7系列微處理器包括ARM7TDMI、ARM7TDMI—S、 ARM720T、ARM7EJ等4種類型 。其中T代表支持16位Thumb指令集 ，D代表支持片上 Debug，M 表內(nèi)嵌硬件乘法器 ，I代表支持嵌入式ICE。按照低功耗 、低成本 、小體積 、多功能及實時性的要求 ，Philips公司 的LPC2104是一 個非 常好 的 選擇 ，LPC2104處理器就是屬于ARM7TDMI—S系列的ARM處理器的一種。
本文內(nèi)容組織 如下 ：第 2部分是LPC2104處理器介 紹 ，第3部分是系統(tǒng)硬件的設(shè)計 ，第4部分是軟件的設(shè)計 ，第 5部分是結(jié)束語 。
2 LPC21o4處理器介紹
LPC2104微控制器是飛利浦半導(dǎo)體公司推出的16／32位 ARM7TDMI—S CPU，并 帶有 128／256K字節(jié) 的高速Flash存儲器的微控制器 。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30％．而性能的損失卻很小 。由于LPC2104微控制器采用非常小的64腳封裝 、極低的功耗 、多個32位定時器以及多達(dá)9個外部中斷 ．這使它們特別適用于工業(yè)控 制 、醫(yī)療系統(tǒng) 、遠(yuǎn)程訪問控制和電子收款機等小型化 的應(yīng)用領(lǐng)域 。由于內(nèi)置 了寬范圍的串行通信接 口，它們也 非常適合 于通 信網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換器 、嵌入式 軟件調(diào)制解調(diào)器 以及其它各種類型的應(yīng)用。
LPC2104帶有一個支持實時仿真和跟蹤的 ARM7TDMI—SCPU。并嵌入了 128KB高速 Flash存儲 器。與片 內(nèi)存儲 器控 制器接 口的 ARM7局部總線 、與 中斷控制器接 口的 AMBA高性能總線(AHB)和連接片 內(nèi)外設(shè)功能的 VLSI外設(shè) 總線 。
AHB外設(shè) 分配 了 2M字 節(jié)的地 址范 圍 ，它 位于 4G字 節(jié)ARM 存儲器空間的最頂端 。每個 AHB外設(shè) 都分 配了 16K字節(jié)的地址空間 。LPC2104的外設(shè)功能 (中斷控制器除外 )都連接到VPB總線。AHB到 VPB的橋接將 VPB總線與 AHB總線相連。VPB外設(shè)也分配了 2M 字節(jié)的地址范 圍 ．從 3．5G地址 點開 始。每個 VPB外設(shè)在 VPB地址 空間 內(nèi)都分配 了 16K字節(jié) 地址空間 。LPC2104內(nèi)部存儲空間如圖 l所示 ：
主要的特征如下：
極 小封裝 ：TQFP48(7 7mm2)；
128K字節(jié) 片 內(nèi) Flash程 序 存 儲器 ，具有 ISP(In—SysteProgramming，在線可試試編程 )和I AP(In-Application Program一ming，在應(yīng)用 中可編程 )功 能；16K靜態(tài) RAM；
雙 UART。其 中一個 帶有完全的調(diào)制解調(diào) 器接 口；I2C、S串行 口：
兩個定 時器 。具有 4路捕 獲／比較通道 ；6路輸 出的 PW單元 ：實時時鐘 ；看門狗定時器 ；
32位通用 I／0 口；
CPU操作 頻率可 達(dá) 60MHz；雙 電源 (CPU操 作 電壓范圍1．65V～1．95V．I／0電壓范 圍 ：3．0V～3．6V)；兩個低 功耗模 式 (閑和掉電)。
LPC2104的內(nèi)核結(jié)構(gòu) 如圖 2所示 。
3 系統(tǒng)設(shè)計
3．1 系統(tǒng)功能概述
本系統(tǒng)采用模塊 化的結(jié)構(gòu)設(shè) 計思想 ，將設(shè)備分為主控模塊和各個功能模塊 。如圖 3所示 。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接 口形式 ．用戶可根據(jù) 不同的需要選用不同的功能模塊 ．各種類型的數(shù)據(jù)可以同時傳輸 而不相互干擾。時 ．也可根據(jù)市場的需求 繼續(xù)擴展 其它功能模塊 ，例如光 電通信模塊等。這樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)，不僅方便了使用 ，也有利于以后統(tǒng)的升級 。
主控模塊主要負(fù)責(zé)人機交互 、與功能模塊通信 、數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｓ脩敉ㄟ^控制主控模塊來 對功能模塊 和系統(tǒng)的其它功能進(jìn)行操作 ．?dāng)?shù)據(jù)存儲在主控模塊 內(nèi)。然后 ，主控模塊可以通過電話 線撥號上網(wǎng)或者通過USB口接入聯(lián)網(wǎng)的PC機向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)或者與掌上電腦通過紅外模塊通訊。這樣的三種數(shù)據(jù)傳輸方式，可以滿足大多數(shù)用戶的需要。
主控模塊在整個系統(tǒng)具有很重要的作用 ．相當(dāng)于人的 中樞 神經(jīng) 。以下就是對主控模塊硬件和軟件設(shè)計的具體介 紹。
3．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
根據(jù)整個系統(tǒng)的設(shè)計思想 ．在對主控模塊進(jìn)行硬件 電路設(shè) 計時 ．處理器 的選擇是關(guān)鍵的問題。按照低功耗 、低 成本 、小體積 、多功能的要求 ．Philips公 司 的LPC2104是一個 非 常好 的 選擇
由功能框圖 4可以看出 ．只需要 在 LPC2104周 圍增加較 少的元器件和 電路 ．就能設(shè)計出功 能較強的 、符合要求 的主控 模塊 的電路
3．3 LPC2lo4引腳分配及模擬總線
LPC2104只有 64個引腳 ．無外部 總線控 制器 ．因而它沒有 外部總線，外接擴展芯片不是很方便。不過因為它們的速度很 快 。所 以即使使用軟件模擬總線外 接擴展芯片也比普通的單片機快得多 。因此 ，我們應(yīng)用LPC2104的模擬總線外擴芯片能夠滿足設(shè)計要求。
除了電源 、復(fù) 位 、晶振等引腳 ，LPC2104有32個功能 復(fù)用 的可編程的通用IfO 口(P0．0一P0．31)。在系統(tǒng)設(shè)計中 。UART0 占用了 P0．0和 P0．1；I2C 占用了 P0．2和 P0．3：UART1占用了 P0．8和 P0．9；按鍵占用了 P0．14和 P0．15。在剩余的引腳中 ，將 P0．17一P0．24這 8個連續(xù)的I／O 口來模擬八位數(shù)據(jù)／地址總線 ． P0．4模 擬地址鎖 存信 號 ALE，P0．5模 擬讀 信號 RD．P0．6模擬寫信號 WR，如圖 5所示
模擬總線是為 了彌補 LPC2104無 外部 總線 的缺點而設(shè)計的 。因為在總線操 作的過程中 ，不能被中斷 ，所 以總線訪問前后要關(guān)開 中斷 。要對模擬總線進(jìn)行初始化。
3．4 人機 交互部 分
人機交互部分 的設(shè)計 本著使用最簡化 的原則 ，采用了點陣液晶顯示模塊和 3個按鍵的組合形式。 液晶選用了信利的MG12864—7型 點陣液晶模塊 ，其顯示容量為 128x64個點 ，體積 只有 54cmx50cmx6．5cm，內(nèi)部帶有一10v電壓 產(chǎn)生 器和 EL背光逆變器 ．使 用單 5V電源供 電 ，非常適合便攜式 的產(chǎn)品應(yīng)用 。
由于液 晶模 塊 的工作 電壓為 5V，LPC2104的 I／O 口電壓是 3．3V．所以需要在處理器 和液 晶模塊之 間加一片總線 收發(fā)器 74LVC4245．如圖 6所示。74LVC4245是一種雙電源的總線收發(fā)器 ．同時工 作在 兩種電源下 ：A端 用 5V電源作為 VCCA， IfO 口接 5V 器件 的數(shù)字邏輯 電路 ；B端用 3．3V電源作為 VC．CA．L／O 口接 3．3V 器件 的數(shù)字邏輯電路 ：DIR引腳可 以控制總線的傳輸方向。這樣，利用 74LVC4245就能方便的實現(xiàn) 3．3V和 5V系 統(tǒng) 之 間的 邏 輯 電 平轉(zhuǎn) 換 。從 電路 圖可 以看 出 ，當(dāng)LPC2104通 過模 擬總線對 液晶模塊進(jìn)行 操作 時 ，用 P0．7來控制數(shù)據(jù) 總線的方向。另外 ，液 晶模塊根據(jù)節(jié)電的需要 ．沒有使用背光功能。
3個按鍵 通過邏輯 與門與 LPC2104的兩個外部 中斷引腳連接 。按鍵 部分 就可采用中斷 的輸入方式 ，減少 了處理 器輪詢按鍵的工作量。更為重要 的是 ，可 以使用這兩個外部 中斷 的掉 電喚醒功能 。這樣 當(dāng)處理器不工作的時候 ，可 以進(jìn)入掉電狀態(tài)， 只有當(dāng)處理器需要響應(yīng)按鍵 的時候 ，按鍵的中斷輸入會使處理 器從掉電模式喚醒 ，這樣就大大降低了處理 器的功耗 。
3．5 通信 部分
主 控 模 塊 的通 信 分 為 3個 部 分 ：USB、UART0、UART1。 USB用來連接 主控模塊 和 PC機 ．其驅(qū)動芯片 D12使用地址／ 數(shù)據(jù)總 線連 接方式 ，LPC2104使用外 部 中斷 0，如 圖 7所示 。UART0用來與各個功能模塊 通信 ，其 中包括紅外通信模塊。除了紅外模塊多需要一個 L／O 口(P0．25)來進(jìn)行作為選擇 波特率 的控制信號 外 ．其它模塊都 只需要 與 UART0的 TXD0、RXDO 和 GND三根線連接即可。UART1是用來與 Modem通信的，外置 Modem 的 接 口是 RS232接 口 ， 這 樣 需 要 將 UART1的TXD1、RXD1通過 MAX3232進(jìn)行 電平轉(zhuǎn)換后 與 Modem 相連 ，如圖 8所 示
3．6 其它功能部件
LPC2104帶有 I2c總線 ，可以很方便的外擴一些 I2C功能器件 。為了能夠存儲用戶個人信息 、少量生理數(shù)據(jù) ，主控模塊在 LPC2104的I2c總線 t擴展了一片 1K的E2PROM芯片CSI24WC08。 它 可 以在 3．3V電源 下工 作 ．其 I2c總線地 址 為 ：讀 ：0xA1、 o)(A3、o)(A5、o)(A7．寫：o)(A0、o)(A2、0xA4、0xA6。
液晶顯示面板 由主界面 、消息區(qū)兩部分組 成 ，其中主界面 顯示當(dāng)前選擇的功能參數(shù)設(shè) 置和當(dāng)前狀態(tài) (進(jìn)行／失敗／取消 )，消息區(qū)顯示當(dāng)前聯(lián)機狀態(tài) 、錯誤原因等。整個面板設(shè)計與按鍵設(shè)計緊密結(jié)合 ，使用方便 ，所有功能均可在 1—3次按鍵 中完成，如圖 10所示
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
采用嵌入式實時操作系統(tǒng) p~C／OS—II。使用 ARM 和 Thum指令集混合編譯來優(yōu)化代碼密度 。
4．1 任務(wù)的分配和軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
采用嵌入 式實 時操作系統(tǒng) p~C／OS—II。用戶級有六個任務(wù)
(1)負(fù)責(zé)啟動任務(wù)按鍵的響應(yīng)。優(yōu)先級 6；
(2)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。優(yōu)先級 5；
(3)液晶模塊顯示 ，優(yōu)先級 4；
(4)負(fù)責(zé)通過 Modem撥號接入 Internet的通信任務(wù) ，優(yōu)先級 3；
(5)負(fù)責(zé) USB的通信任務(wù)，優(yōu)先級 2；
(6)與各功能模塊通信 ，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號采集 和存儲，優(yōu)先級l。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 l1中(a)圖所示 。
6結(jié)束語
基于面向?qū)ο窦夹g(shù)使得塑料門窗CAD系統(tǒng)WinDoor不再是簡單的“畫圖”系統(tǒng)，從根本 上超越了傳統(tǒng)的點、線、面相結(jié)合的低層次門窗設(shè)計方式。用戶可以直接利用現(xiàn)實世界中的門窗各部件的概念在計算機對應(yīng)模型中進(jìn)行設(shè)計 ，符合人類的思維特點，尺寸驅(qū)動的參數(shù)化設(shè)計思想有利于用戶方便快捷的設(shè)計和修改窗型，并使設(shè)計的正確性得到根本保證，極大的提高了門窗的效率和質(zhì)量。同時，本系統(tǒng)的設(shè)計思想具有推廣價值，稍加改動便可以應(yīng)用于建筑行業(yè)的鋁合金門窗 、幕墻等的繪制與計算。圖5所示為本系統(tǒng)所繪制的6個典型窗型！
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