摘 要 論文以ARM7處理器LPC2104和實(shí)時(shí)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(tái)，實(shí)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(shí)硬件的體積更小、功耗更低、功能更多、擴(kuò)展性更強(qiáng) 。此外 ，由于所使用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) ~C／OS—II已經(jīng)通過(guò)了可靠性的認(rèn)證 。這樣使得整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行更加穩(wěn)定 ，程序的維護(hù)和升級(jí)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(fèi)電子產(chǎn)品 、通信系統(tǒng)等各類 產(chǎn)品市場(chǎng) ，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(chǎng)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(gè) 系列 1，其 中 ARM7、ARM9、ARM9E和ARM1OE為 4個(gè)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(duì)價(jià)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(diǎn) ：
(1)極低 的功耗 ；
(2)提供 0．9MIPS／MHZ的三級(jí)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(duì)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(shí)時(shí)性的要求 ，Philips公司 的LPC2104是一 個(gè)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(jì) ，第4部分是軟件的設(shè)計(jì) ，第 5部分是結(jié)束語(yǔ) 。
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(chǔ)器的微控制器 。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)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(guò)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(gè)32位定時(shí)器以及多達(dá)9個(gè)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(wèn)控制和電子收款機(jī)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(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的 ARM7TDMI—SCPU。并嵌入了 128KB高速 Flash存儲(chǔ) 器。與片 內(nèi)存儲(chǔ) 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(chǔ)器空間的最頂端 。每個(gè) 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(diǎn)開 始。每個(gè) 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(chǔ)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(chǔ)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(gè) 帶有完全的調(diào)制解調(diào) 器接 口；I2C、S串行 口：
兩個(gè)定 時(shí)器 。具有 4路捕 獲／比較通道 ；6路輸 出的 PW單元 ：實(shí)時(shí)時(shí)鐘 ；看門狗定時(shí)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(gè)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(jì)
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(jì)思想 ，將設(shè)備分為主控模塊和各個(gè)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(shí)傳輸 而不相互干擾。時(shí) ．也可根據(jù)市場(chǎng)的需求 繼續(xù)擴(kuò)展 其它功能模塊 ，例如光 電通信模塊等。這樣的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，不僅方便了使用 ，也有利于以后統(tǒng)的升級(jí) 。
主控模塊主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互 、與功能模塊通信 、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｓ脩敉ㄟ^(guò)控制主控模塊來(lái) 對(duì)功能模塊 和系統(tǒng)的其它功能進(jìn)行操作 ．?dāng)?shù)據(jù)存儲(chǔ)在主控模塊 內(nèi)。然后 ，主控模塊可以通過(guò)電話 線撥號(hào)上網(wǎng)或者通過(guò)USB口接入聯(lián)網(wǎng)的PC機(jī)向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)或者與掌上電腦通過(guò)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(gè)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(duì)主控模塊硬件和軟件設(shè)計(jì)的具體介 紹。
3．2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想 ．在對(duì)主控模塊進(jìn)行硬件 電路設(shè) 計(jì)時(shí) ．處理器 的選擇是關(guān)鍵的問(wèn)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(gè) 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(jì)出功 能較強(qiáng)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(gè)引腳 ．無(wú)外部 總線控 制器 ．因而它沒(méi)有 外部總線，外接擴(kuò)展芯片不是很方便。不過(guò)因?yàn)樗鼈兊乃俣群?快 。所 以即使使用軟件模擬總線外 接擴(kuò)展芯片也比普通的單片機(jī)快得多 。因此 ，我們應(yīng)用LPC2104的模擬總線外擴(kuò)芯片能夠滿足設(shè)計(jì)要求。
除了電源 、復(fù) 位 、晶振等引腳 ，LPC2104有32個(gè)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(jì)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(gè)連續(xù)的I／O 口來(lái)模擬八位數(shù)據(jù)／地址總線 ． P0．4模 擬地址鎖 存信 號(hào) ALE，P0．5模 擬讀 信號(hào) RD．P0．6模擬寫信號(hào) WR，如圖 5所示
模擬總線是為 了彌補(bǔ) LPC2104無(wú) 外部 總線 的缺點(diǎn)而設(shè)計(jì)的 。因?yàn)樵诳偩€操 作的過(guò)程中 ，不能被中斷 ，所 以總線訪問(wèn)前后要關(guān)開 中斷 。要對(duì)模擬總線進(jìn)行初始化。
3．4 人機(jī) 交互部 分
人機(jī)交互部分 的設(shè)計(jì) 本著使用最簡(jiǎn)化 的原則 ，采用了點(diǎn)陣液晶顯示模塊和 3個(gè)按鍵的組合形式。 液晶選用了信利的MG12864—7型 點(diǎn)陣液晶模塊 ，其顯示容量為 128x64個(gè)點(diǎn) ，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(shí)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(shí)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(guò)模 擬總線對(duì) 液晶模塊進(jìn)行 操作 時(shí) ，用 P0．7來(lái)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(méi)有使用背光功能。
3個(gè)按鍵 通過(guò)邏輯 與門與 LPC2104的兩個(gè)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(gè)外部 中斷 的掉 電喚醒功能 。這樣 當(dāng)處理器不工作的時(shí)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(shí)候 ，按鍵的中斷輸入會(huì)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(gè) 部 分 ：USB、UART0、UART1。 USB用來(lái)連接 主控模塊 和 PC機(jī) ．其驅(qū)動(dòng)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(lái)與各個(gè)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(gè) L／O 口(P0．25)來(lái)進(jìn)行作為選擇 波特率 的控制信號(hào) 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(lái)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(guò) 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(kuò)一些 I2C功能器件 。為了能夠存儲(chǔ)用戶個(gè)人信息 、少量生理數(shù)據(jù) ，主控模塊在 LPC2104的I2c總線 t擴(kuò)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(jī)狀態(tài) 、錯(cuò)誤原因等。整個(gè)面板設(shè)計(jì)與按鍵設(shè)計(jì)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(jì)
采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) p~C／OS—II。使用 ARM 和 Thum指令集混合編譯來(lái)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(shí) 時(shí)操作系統(tǒng) p~C／OS—II。用戶級(jí)有六個(gè)任務(wù)
(1)負(fù)責(zé)啟動(dòng)任務(wù)按鍵的響應(yīng)。優(yōu)先級(jí) 6；
(2)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。優(yōu)先級(jí) 5；
(3)液晶模塊顯示 ，優(yōu)先級(jí) 4；
(4)負(fù)責(zé)通過(guò) Modem撥號(hào)接入 Internet的通信任務(wù) ，優(yōu)先級(jí) 3；
(5)負(fù)責(zé) USB的通信任務(wù)，優(yōu)先級(jí) 2；
(6)與各功能模塊通信 ，進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)采集 和存儲(chǔ)，優(yōu)先級(jí)l。軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 l1中(a)圖所示 。
6結(jié)束語(yǔ)
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(jiǎn)單的“畫圖”系統(tǒng)，從根本 上超越了傳統(tǒng)的點(diǎn)、線、面相結(jié)合的低層次門窗設(shè)計(jì)方式。用戶可以直接利用現(xiàn)實(shí)世界中的門窗各部件的概念在計(jì)算機(jī)對(duì)應(yīng)模型中進(jìn)行設(shè)計(jì) ，符合人類的思維特點(diǎn)，尺寸驅(qū)動(dòng)的參數(shù)化設(shè)計(jì)思想有利于用戶方便快捷的設(shè)計(jì)和修改窗型，并使設(shè)計(jì)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(shí)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想具有推廣價(jià)值，稍加改動(dòng)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(jì)算。圖5所示為本系統(tǒng)所繪制的6個(gè)典型窗型！
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