基于嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺的設計與實(shí)現

摘要： 本文首先介紹了EVB2107評估板、評估板的系統開(kāi)發(fā)工具和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，然后對擴展板上各模塊都從原理入手結合該模塊要實(shí)現的功能說(shuō)明其設計思想和實(shí)現原理，并就各模塊驅動(dòng)程序的編程思想及流程進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞:嵌入式系統EVB2107評估板集成開(kāi)發(fā)環(huán)境網(wǎng)絡(luò )接口控制器

1 前言

嵌入式系統是以應用為中心、以計算機為基礎、軟件硬件均可剪裁、適應應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專(zhuān)用計算機系統。近年來(lái)，隨著(zhù)計算機、微電子、通信及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統滲透到各個(gè)領(lǐng)域。由于嵌入式系統通常采用微控制器芯片來(lái)構建，但微控制器生產(chǎn)商通常只提供芯片的編譯器和連接器，而不提供完整的開(kāi)發(fā)平臺；應用開(kāi)發(fā)商往往根據微控制器來(lái)構建自己的應用產(chǎn)品，通常不提供完整的尤其是通用的嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺；國外第三方公司提供的開(kāi)發(fā)平臺一般都功能單一、結構簡(jiǎn)單且價(jià)格昂貴。國內的開(kāi)發(fā)平臺一般也只是一個(gè)簡(jiǎn)單的評估板和調試平臺，通常不能支持高檔微控制器。因此為了滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)各種應用系統的需求，本文提出了嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺的設計與實(shí)現方法。

在硬件上，嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺以各種微控制器為核心，以嵌入式系統的常用組成部件的并集為基本要素，構建的硬件設計和調試平臺。作為通用的開(kāi)發(fā)平臺，平臺支持以8位、16位、32位微控制器家族中1~2款具有代表性的微控制器為核心，并且包括網(wǎng)絡(luò )通信、USB高速串行通信、存儲器系統擴展、大屏幕液晶顯示器/觸摸屏控制器等常用部件。在軟件上，嵌入式系統開(kāi)發(fā)平臺以嵌入式微內核實(shí)時(shí)操作系統為核心，提供了各種軟硬件資源的管理程序，豐富的函數庫和調試工具，以及各種功能模塊的標準化應用設計例程，構造了一個(gè)基本的調試和開(kāi)發(fā)平臺。在針對具體的嵌入式系統應用開(kāi)發(fā)時(shí)，只需要在此平臺基礎上對軟、硬件進(jìn)行適當剪裁、組裝，就可以完成一個(gè)實(shí)際的嵌入式系統。

2 EVB2107評估板的資源與開(kāi)發(fā)環(huán)境

EVB2107評估板是以32位微控制器MMC2107為核心，擴展了存儲器、OnCE接口、串行接口、電源電路等模塊，組成了一個(gè)板級的基本系統，其邏輯結構如圖1所示。

EVB2107評估板上提供了1MB的SRAM和2MB的FLASH存儲器，極大地擴展了板上存儲器容量?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD用來(lái)實(shí)現板內的各種控制邏輯電路，可控制評估板上的LED指示燈顯示；采樣跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)設置值實(shí)現系統配置；產(chǎn)生存儲器地址、控制信號，實(shí)現MMC2107對評估板上外部存儲器的16位或32位訪(fǎng)問(wèn)。3個(gè)外圍端口引出插座，分別用來(lái)引出SPI、串行通信接口、定時(shí)器接口的信號，引入外部中斷請求信號，引入使用片內QADC進(jìn)行模數轉換的模擬信號。用戶(hù)可以選擇20線(xiàn)的雙排扁平電纜或其它連接線(xiàn)其與擴展板相連。用戶(hù)擴展區（即面包板）提供給用戶(hù)添加自己的器件。2個(gè)RS232串行通信接口和OnCE接口用于調試；12V直流輸入電源轉換成板內各種工作電源（如5V、3.3V），可為擴展板上各模塊供電。

EVB2107評估板通過(guò)EBDI（Embedded Background Debug Interface）與主機相連。主機上選用Metrowerks公司提供的CodeWarrior IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境和Motorola公司提供的SysDS（MCORE System Development Software），構成了軟件調試環(huán)境。EBDI是EVB2107評估板與CodeWarrior IDE之間的硬件接口，EVB2107評估板上的OnCE接口與EBDI相連，EBDI通過(guò)串行線(xiàn)與主機的串行接口相連。進(jìn)行調試時(shí)，CodeWarrior利用EBDI連接通路將程序下載到EVB2107評估板上，再利用CodeWarrior IDE中的Debug功能就可以進(jìn)行代碼的調試了。

3 USB接口模塊

該開(kāi)發(fā)通過(guò)USB接口與外部設備連接，USB系統由主機(Host)、集線(xiàn)器(Hub)、設備(Device)構成。它們之間通過(guò)USB總線(xiàn)相連構成一個(gè)星型拓撲結構。在一個(gè)USB系統中，必須有而且只有一個(gè)主機，主機利用USB主控制器來(lái)操縱主機和USB設備之間的數據傳輸。主控制器像其它I/O設備一樣掛在系統總線(xiàn)（PCI總線(xiàn)）下面，附著(zhù)于主控制器的集線(xiàn)器是USB系統的根集線(xiàn)器(Root Hub)，各級集線(xiàn)器提供若干個(gè)連接其它設備的下行端口。USB設備在邏輯上分成幾個(gè)層次，分別是設備、配置、接口和端點(diǎn)，結構如圖2所示。

每個(gè)USB設備內有一個(gè)或多個(gè)邏輯連接點(diǎn)，稱(chēng)為端點(diǎn)(endpoint)。端點(diǎn)是一個(gè)儲存多個(gè)字節的緩沖器，用來(lái)作為數據的緩沖區，設備通過(guò)端點(diǎn)和主機交換數據。每一個(gè)設備端點(diǎn)由一個(gè)端點(diǎn)號碼和數據方向組成，號碼范圍從00h到0Fh，方向如果為輸入（IN），表示流向主機，如果為輸出（OUT），表示流出主機。端點(diǎn)0被用來(lái)傳送配置和控制信息，可以雙向傳輸數據，其它端點(diǎn)均為單向的數據通道，即為接收端點(diǎn)或發(fā)送端點(diǎn)。USB提供有四種數據傳輸方式：控制(Control)；同步(isochronous)；中斷(interrupt)；批量(bulk)。除端點(diǎn)0固定使用控制傳輸外，其它端點(diǎn)可根據實(shí)際傳輸數據的特點(diǎn)配置為其它三種傳輸方式。

對于相同性質(zhì)的一組端點(diǎn)的組合稱(chēng)為接口(interface)，如果一個(gè)設備包含不止一個(gè)接口就稱(chēng)之為復合設備(composite device)。對大部分設備，一個(gè)接口就足夠了，但有些設備可以同時(shí)有多個(gè)作用的接口，且多個(gè)接口可同時(shí)使能。同樣，對于相同類(lèi)型的接口組合稱(chēng)為配置(configuration)。每個(gè)配置至少必須支持一個(gè)接口。大部分設備只有一個(gè)配置，但有些設備可支持多個(gè)配置，但在同一時(shí)間只有一個(gè)配置使能，一旦該配置激活，里面的接口和端點(diǎn)就都可以使用。描述符（Descriptor）是一個(gè)數據結構，是主機了解設備的格式化信息。主機在檢測設備的時(shí)候，要求設備傳回描述符以便了解設備并配置該設備，主機要求的首先是設備的設備描述符，然后是配置描述符以及每個(gè)配置的接口描述符，最后是端點(diǎn)描述符，還可能有可選的字符串描述符。

4 人機交互模塊

為給用戶(hù)提供一個(gè)良好的人機交互界面，本開(kāi)發(fā)平臺上設計了一個(gè)由液晶顯示模塊和觸摸屏控制模塊組成的人機交互模塊，如圖3所示。液晶顯示模塊由LCD(液晶顯示)屏、LCD控制器和顯示緩沖存儲器三部分組成，其中LCD屏選用信利公司的MG320240型黑白液晶顯示屏，其上覆蓋有四線(xiàn)電阻式觸摸屏，LCD控制器選用EPSON公司的S1D13305芯片，顯示緩沖存儲器采用兩片62L256構成，共64KB；觸摸屏控制模塊中的觸摸屏控制器采用BB公司的ADS7846，在A(yíng)DS7846和MMC2107之間通過(guò)標準的SPI口相連。

4．1 液晶顯示模塊

S1D13305支持文本（即字符）顯示、圖形顯示以及文、圖相結合的顯示模式；LCD顯示分辨率可達640256像素；LCD驅動(dòng)的占空系數變化范圍為1/2~1/256；內部掩模有一個(gè)具有160字符、57像素點(diǎn)陣的字符發(fā)生器ROM；支持在片外設置一個(gè)具有256字符、最大達816象素點(diǎn)陣的字符發(fā)生器ROM或RAM；片外的顯示RAM（又稱(chēng)顯示緩沖區）可達64KB；光標位置及形狀可編程控制；全部顯示屏面或部分顯示屏面可以在水平或豎直方向上平滑滾動(dòng)；可以與6800系列和8080系列微控制器相接口；寬工作電壓范圍（2.7~5.5V）；功耗低，在VDD=3.5V時(shí)工作電流為3.5mA，后備電流為0.05μA。

S1D13305有三方面的接口：微控制器、顯示存儲器（包括外部的字符發(fā)生器）和LCD模塊。它接受并執行微控制器的命令，來(lái)完成各種顯示控制功能，共13種命令。它把顯示數據（字符代碼或位映射圖形數據）從微控制器接收過(guò)來(lái)并產(chǎn)生寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)存儲器的信號，把顯示數據寫(xiě)入顯示存儲器，然后把顯示數據讀出轉化為顯示象素并生成LCD的各種時(shí)序信號，把顯示象素數據送給LCD顯示。微控制器只需向S1D13305發(fā)命令，在更新顯示內容時(shí)向S1D13305送顯示數據即可，讀/寫(xiě)顯示存儲器以及控制LCD掃描顯示的工作均由S1D13305來(lái)完成。

MMC2107與液晶顯示屏硬件接口的設計方案，如圖3所示。S1D13305可以與8080或6800兩種類(lèi)型的微處理器接口，這里根據MMC2107的接口要求，選擇前者。在設計時(shí)，S1D13305的數據線(xiàn)與MMC2107的數據線(xiàn)D[31:24]相連，S1D13305的地址A0與MMC2107的地址線(xiàn)ADDR1相連，用片選3（CS3#）作為S1D13305的片選信號，在程序中，命令端口地址和數據端口地址定義如下：

#define lcd_command (*(INT8U*)(0x81800002)) // 命令端口

#define lcd_data (*(INT8U*)(0x81800000)) // 數據端口

4．2 觸摸屏模塊

ADS7846除了基本的X、Y坐標測量功能外，還可測量系統供電電池電壓、芯片溫度、觸摸壓力和外模擬量。ADS7846的核心是一個(gè)12位的逐次逼近式A/D轉換器。內部的6選1模擬多路開(kāi)關(guān)根據微控制器送來(lái)的控制字，將X＋、Y＋、Y－、V_BAT（電池電壓）、TEMP（溫度）和AUXIN（外模擬量）中的一個(gè)送入A/D轉換器。ADS7846可以對A/D轉換提供2.5V的內參考電壓，也支持從V_REF引腳輸入外參考電壓。

ADS7846與微控制器之間通過(guò)標準的SPI接口相連，它與微控制器完成一次通信需要3次SPI傳送。比如進(jìn)行坐標測量，微控制器先按控制字格式傳送一條讀坐標命令，ADS7846收到命令的同時(shí)進(jìn)行相應坐標的測量和A/D轉換，然后微控制器啟動(dòng)2次SPI讀，得到坐標值，第一次讀得前7位數據，第二次讀得后5位數據。ADS7846還設置有觸摸識別電路，當檢測到有觸摸時(shí)，該電路輸出一個(gè)低電平信號，稱(chēng)為PENIRQ#（筆中斷），微控制器可以用這個(gè)信號作為ADS7846的中斷請求信號。無(wú)觸摸時(shí)，PENIRQ#由外加的上拉電阻輸出為高。筆中斷變低后，MMC2107檢測到這個(gè)信號并發(fā)出啟動(dòng)轉換命令，在轉換期間，MMC2107必須維持筆中斷為低。

5 創(chuàng )新點(diǎn)總結

本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于將各種微控制器與嵌入式微內核實(shí)時(shí)操作系統有機結合起來(lái)，開(kāi)發(fā) 了一個(gè)嵌入式開(kāi)發(fā)平臺，在此基礎上可以大大縮短了應用系統的開(kāi)發(fā)周期，減少了系統開(kāi)發(fā)成本投入，降低了系統開(kāi)發(fā)風(fēng)險。同時(shí)有能滿(mǎn)足應用系統的功能、可靠性、成本、體積等要求，在未來(lái)的移動(dòng)計算機平臺、信息家電、無(wú)線(xiàn)通信設備和工業(yè)/商業(yè)控制等領(lǐng)域都有十分廣泛的應用前景。

參考文獻：

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