基于A(yíng)RM7處理器LPC2104的嵌入式數據采集系統

　　1 概 述

　　嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部分 ，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 、通信系統等各類(lèi) 產(chǎn)品市場(chǎng) ，基于ARM 技術(shù)的微處理器應用約 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 ，適合用于對價(jià)位和功耗要求較高的產(chǎn)品應用中。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的三級流水線(xiàn)結 構(取 指 、譯碼 、執行 )；

　　(3)最高主頻可到達 13OMIPS；

　　(4)代碼密度高并支持 16位 的 Thumb指令集 ；

　　(5)對操作系統的支持廣泛 ，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(lèi)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A(yíng)RM7TDMI—S系列的ARM處理器的一種。

　　本文內容組織 如下：第 2部分是LPC2104處理器介紹 ，第3部分是系統硬件的設計 ，第4部分是軟件的設計 ，第 5部分是結束語(yǔ)。

　　2 LPC2104處理器介紹

　　LPC2104微控制器是飛利浦半導體公司推出的16／32位 ARM7TDMI—S CPU，并帶有128／256K字節 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構使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。對代碼規模有嚴格控制的應用可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(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9個(gè)外部中斷 ．這使它們特別適用于工業(yè)控 制 、醫療系統 、遠程訪(fǎng)問(wèn)控制和電子收款機等小型化 的應用領(lǐng)域 。由于內置 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)議轉換器 、嵌入式 軟件調制解調器 以及其它各種類(lèi)型的應用。

　　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存儲器。與片內存儲器控制器接口的ARM7局部總線(xiàn) 、與中斷控制器接 口的 AMBA高性能總線(xiàn)(AHB)和連接片 內外設功能的 VLSI外設總線(xiàn) 。

　　AHB外設分配了 2M字節的地址范圍 ，它 位于 4G字節ARM 存儲器空間的最頂端 。每個(gè)AHB外設 都分 配了16K字節的地址空間 。LPC2104的外設功能 (中斷控制器除外 )都連接到VPB總線(xiàn)。AHB到 VPB的橋接將 VPB總線(xiàn)與 AHB總線(xiàn)相連。VPB外設也分配了 2M 字節的地址范 圍。從 3．5G地址 點(diǎn)開(kāi) 始。每個(gè) VPB外設在 VPB地址 空間 內都分配了16K字節 地址空間 。LPC2104內部存儲空間如圖1所示 ：

　　主要的特征如下：

　　極小封裝 ：TQFP48(7 7mm2)；

　　128K字節片內 Flash程序存儲器 ，具有 ISP(In—SysteProgramming，在線(xiàn)可試試編程 )和I AP(In-Application Program一ming，在應用 中可編程 )功能；16K靜態(tài) RAM；

　　雙UART。其中一個(gè)帶有完全的調制解調器接口；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(mén)狗定時(shí)器 ；

　　32位通用 I／0 口；

　　CPU操作 頻率可 達 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的內核結構 如圖 2所示 。

　　3 系統設計

　　3．1 系統功能概述

　　本系統采用模塊 化的結構設 計思想，將設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一的或者特定的接口形式 ．用戶(hù)可根據 不同的需要選用不同的功能模塊 ．各種類(lèi)型的數據可以同時(shí)傳輸而不相互干擾時(shí)。也可根據市場(chǎng)的需求 繼續擴展 其它功能模塊 ，例如光電通信模塊等。這樣的設計結構，不僅方便了使用 ，也有利于以后統的升級。

　　主控模塊主要負責人機交互、與功能模塊通信、數據存儲數據傳輸等功能。用戶(hù)通過(guò)控制主控模塊來(lái)對功能模塊和系統的其它功能進(jìn)行操作 ．數據存儲在主控模塊內。然后，主控模塊可以通過(guò)電話(huà)線(xiàn)撥號上網(wǎng)或者通過(guò)USB口接入聯(lián)網(wǎng)的PC機向服務(wù)器發(fā)送數據或者與掌上電腦通過(guò)紅外模塊通訊。這樣的三種數據傳輸方式，可以滿(mǎn)足大多數用戶(hù)的需要。

　　主控模塊在整個(gè)系統具有很重要的作用，相當于人的中樞神經(jīng)。以下就是對主控模塊硬件和軟件設計的具體介紹。

　　3．2 系統硬件設計

　　根據整個(gè)系統的設計思想，在對主控模塊進(jìn)行硬件電路設計時(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?chē)黾虞^少的元器件和電路，就能設計出功能較強的、符合要求的主控模塊的電路。

　　3．3 LPC2lo4引腳分配及模擬總線(xiàn)

　　LPC2104只有 64個(gè)引腳，無(wú)外部總線(xiàn)控制器 ．因而它沒(méi)有外部總線(xiàn)，外接擴展芯片不是很方便。不過(guò)因為它們的速度很快。所以即使使用軟件模擬總線(xiàn)外接擴展芯片也比普通的單片機快得多。因此，我們應用LPC2104的模擬總線(xiàn)外擴芯片能夠滿(mǎn)足設計要求。

　　除了電源、復 位、晶振等引腳，LPC2104有32個(gè)功能復用的可編程的通用IfO 口(P0．0一P0．31)。在系統設計中。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(gè)連續的I／O 口來(lái)模擬八位數據／地址總線(xiàn)，P0．4模 擬地址鎖 存信 號 ALE，P0．5模 擬讀 信號 RD．P0．6模擬寫(xiě)信號 WR，如圖5所示。

　　模擬總線(xiàn)是為 了彌補LPC2104無(wú)外部總線(xiàn)的缺點(diǎn)而設計的 。因為在總線(xiàn)操作的過(guò)程中，不能被中斷，所以總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)前后要關(guān)開(kāi)中斷 。要對模擬總線(xiàn)進(jìn)行初始化。

　　3．4 人機交互部分

　　人機交互部分的設計本著(zhù)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(xiàn)收發(fā)器 74LVC4245．如圖 6所示。74LVC4245是一種雙電源的總線(xiàn)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 器件的數字邏輯電路 ：DIR引腳可以控制總線(xiàn)的傳輸方向。這樣，利用74LVC4245就能方便的實(shí)現3．3V和 5V系統之間的邏輯電平轉換 。從電路圖可以看出 ，當LPC2104通過(guò)模擬總線(xiàn)對液晶模塊進(jìn)行操作時(shí) ，用 P0．7來(lái)控制數據 總線(xiàn)的方向。另外 ，液 晶模塊根據節電的需要 ．沒(méi)有使用背光功能。

　　3個(gè)按鍵 通過(guò)邏輯與門(mén)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(xún)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 當處理器不工作的時(shí)候，可以進(jìn)入掉電狀態(tài)， 只有當處理器需要響應按鍵 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，其驅動(dòng)芯片 D12使用地址／ 數據總 線(xiàn)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 外 ．其它模塊都 只需要 與 UART0的 TXD0、RXDO 和 GND三根線(xiàn)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(xiàn)，可以很方便的外擴一些 I2C功能器件。為了能夠存儲用戶(hù)個(gè)人信息 、少量生理數據 ，主控模塊在 LPC2104的I2c總線(xiàn) 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(xiàn)地 址 為 ：讀 ：0xA1、 o)(A3、o)(A5、o)(A7．寫(xiě)：o)(A0、o)(A2、0xA4、0xA6。

　　液晶顯示面板 由主界面 、消息區兩部分組 成 ，其中主界面 顯示當前選擇的功能參數設 置和當前狀態(tài) (進(jìn)行／失?。∠?)，消息區顯示當前聯(lián)機狀態(tài) 、錯誤原因等。整個(gè)面板設計與按鍵設計緊密結合 ，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 系統軟件設計

　　采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統 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)的分配和軟件系統結構

　　采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統 p~C／OS—II。用戶(hù)級有六個(gè)任務(wù)

　　(1)負責啟動(dòng)任務(wù)按鍵的響應。優(yōu)先級 6；

　　(2)負責系統的工作狀態(tài)。優(yōu)先級 5；

　　(3)液晶模塊顯示 ，優(yōu)先級 4；

　　(4)負責通過(guò) Modem撥號接入 Internet的通信任務(wù) ，優(yōu)先級 3；

　　(5)負責 USB的通信任務(wù)，優(yōu)先級 2；

　　(6)與各功能模塊通信 ，進(jìn)行數據信號采集 和存儲，優(yōu)先級l。軟件系統結構如圖 l1中(a)圖所示 。

　　6結束語(yǔ)

　　基于面向對像技術(shù)使得塑料門(mén)窗CAD系統WinDoor不再是簡(jiǎn)單的“畫(huà)圖”系統，從根本上超越了傳統的點(diǎn)、線(xiàn)、面相結合的低層次門(mén)窗設計方式。用戶(hù)可以直接利用現實(shí)世界中的門(mén)窗各部件的概念在計算機對應模型中進(jìn)行設計 ，符合人類(lèi)的思維特點(diǎn)，尺寸驅動(dòng)的參數化設計思想有利于用戶(hù)方便快捷的設計和修改窗型，并使設計的正確性得到根本保證，極大的提高了門(mén)窗的效率和質(zhì)量。同時(shí)，本系統的設計思想具有推廣價(jià)值，稍加改動(dòng)便可以應用于建筑行業(yè)的鋁合金門(mén)窗 、幕墻等的繪制與計算。圖5所示為本系統所繪制的6個(gè)典型窗型！