基于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要： 本文首先介紹了EVB2107評估板、評估板的系統(tǒng)開發(fā)工具和集成開發(fā)環(huán)境，然后對擴(kuò)展板上各模塊都從原理入手結(jié)合該模塊要實(shí)現(xiàn)的功能說明其設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)原理，并就各模塊驅(qū)動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(tǒng)EVB2107評估板集成開發(fā)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)接口控制器

1 前言

嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)、軟件硬件均可剪裁、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。近年來，隨著計(jì)算機(jī)、微電子、通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)滲透到各個領(lǐng)域。由于嵌入式系統(tǒng)通常采用微控制器芯片來構(gòu)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，而不提供完整的開發(fā)平臺；應(yīng)用開發(fā)商往往根據(jù)微控制器來構(gòu)建自己的應(yīng)用產(chǎn)品，通常不提供完整的尤其是通用的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺；國外第三方公司提供的開發(fā)平臺一般都功能單一、結(jié)構(gòu)簡單且價格昂貴。國內(nèi)的開發(fā)平臺一般也只是一個簡單的評估板和調(diào)試平臺，通常不能支持高檔微控制器。因此為了滿足開發(fā)各種應(yīng)用系統(tǒng)的需求，本文提出了嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

在硬件上，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺以各種微控制器為核心，以嵌入式系統(tǒng)的常用組成部件的并集為基本要素，構(gòu)建的硬件設(shè)計(jì)和調(diào)試平臺。作為通用的開發(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(tǒng)擴(kuò)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(tǒng)開發(fā)平臺以嵌入式微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)為核心，提供了各種軟硬件資源的管理程序，豐富的函數(shù)庫和調(diào)試工具，以及各種功能模塊的標(biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用設(shè)計(jì)例程，構(gòu)造了一個基本的調(diào)試和開發(fā)平臺。在針對具體的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā)時，只需要在此平臺基礎(chǔ)上對軟、硬件進(jìn)行適當(dāng)剪裁、組裝，就可以完成一個實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)。

2 EVB2107評估板的資源與開發(fā)環(huán)境

EVB2107評估板是以32位微控制器MMC2107為核心，擴(kuò)展了存儲器、OnCE接口、串行接口、電源電路等模塊，組成了一個板級的基本系統(tǒng)，其邏輯結(jié)構(gòu)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?cái)U(kuò)展了板上存儲器容量?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD用來實(shí)現(xiàn)板內(nèi)的各種控制邏輯電路，可控制評估板上的LED指示燈顯示；采樣跳線開關(guān)設(shè)置值實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置；產(chǎn)生存儲器地址、控制信號，實(shí)現(xiàn)MMC2107對評估板上外部存儲器的16位或32位訪問。3個外圍端口引出插座，分別用來引出SPI、串行通信接口、定時器接口的信號，引入外部中斷請求信號，引入使用片內(nèi)QADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的模擬信號。用戶可以選擇20線的雙排扁平電纜或其它連接線其與擴(kuò)展板相連。用戶擴(kuò)展區(qū)（即面包板）提供給用戶添加自己的器件。2個RS232串行通信接口和OnCE接口用于調(diào)試；12V直流輸入電源轉(zhuǎn)換成板內(nèi)各種工作電源（如5V、3.3V），可為擴(kuò)展板上各模塊供電。

EVB2107評估板通過EBDI（Embedded Background Debug Interface）與主機(jī)相連。主機(jī)上選用Metrowerks公司提供的CodeWarrior IDE集成開發(fā)環(huán)境和Motorola公司提供的SysDS（MCORE System Development Software），構(gòu)成了軟件調(diào)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通過串行線與主機(jī)的串行接口相連。進(jìn)行調(diào)試時，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(diào)試了。

3 USB接口模塊

該開發(fā)通過USB接口與外部設(shè)備連接，USB系統(tǒng)由主機(jī)(Host)、集線器(Hub)、設(shè)備(Device)構(gòu)成。它們之間通過USB總線相連構(gòu)成一個星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在一個USB系統(tǒng)中，必須有而且只有一個主機(jī)，主機(jī)利用USB主控制器來操縱主機(jī)和USB設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸。主控制器像其它I/O設(shè)備一樣掛在系統(tǒng)總線（PCI總線）下面，附著于主控制器的集線器是USB系統(tǒng)的根集線器(Root Hub)，各級集線器提供若干個連接其它設(shè)備的下行端口。USB設(shè)備在邏輯上分成幾個層次，分別是設(shè)備、配置、接口和端點(diǎn)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

每個USB設(shè)備內(nèi)有一個或多個邏輯連接點(diǎn)，稱為端點(diǎn)(endpoint)。端點(diǎn)是一個儲存多個字節(jié)的緩沖器，用來作為數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)，設(shè)備通過端點(diǎn)和主機(jī)交換數(shù)據(jù)。每一個設(shè)備端點(diǎn)由一個端點(diǎn)號碼和數(shù)據(jù)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(jī)，如果為輸出（OUT），表示流出主機(jī)。端點(diǎn)0被用來傳送配置和控制信息，可以雙向傳輸數(shù)據(jù)，其它端點(diǎn)均為單向的數(shù)據(jù)通道，即為接收端點(diǎn)或發(fā)送端點(diǎn)。USB提供有四種數(shù)據(jù)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(jù)實(shí)際傳輸數(shù)據(jù)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)的組合稱為接口(interface)，如果一個設(shè)備包含不止一個接口就稱之為復(fù)合設(shè)備(composite device)。對大部分設(shè)備，一個接口就足夠了，但有些設(shè)備可以同時有多個作用的接口，且多個接口可同時使能。同樣，對于相同類型的接口組合稱為配置(configuration)。每個配置至少必須支持一個接口。大部分設(shè)備只有一個配置，但有些設(shè)備可支持多個配置，但在同一時間只有一個配置使能，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）是一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是主機(jī)了解設(shè)備的格式化信息。主機(jī)在檢測設(shè)備的時候，要求設(shè)備傳回描述符以便了解設(shè)備并配置該設(shè)備，主機(jī)要求的首先是設(shè)備的設(shè)備描述符，然后是配置描述符以及每個配置的接口描述符，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(jī)交互模塊

為給用戶提供一個良好的人機(jī)交互界面，本開發(fā)平臺上設(shè)計(jì)了一個由液晶顯示模塊和觸摸屏控制模塊組成的人機(jī)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(gòu)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ADS7846和MMC2107之間通過標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合的顯示模式；LCD顯示分辨率可達(dá)640256像素；LCD驅(qū)動的占空系數(shù)變化范圍為1/2~1/256；內(nèi)部掩模有一個具有160字符、57像素點(diǎn)陣的字符發(fā)生器ROM；支持在片外設(shè)置一個具有256字符、最大達(dá)816象素點(diǎn)陣的字符發(fā)生器ROM或RAM；片外的顯示RAM（又稱顯示緩沖區(qū)）可達(dá)64KB；光標(biāo)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；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(zhí)行微控制器的命令，來完成各種顯示控制功能，共13種命令。它把顯示數(shù)據(jù)（字符代碼或位映射圖形數(shù)據(jù)）從微控制器接收過來并產(chǎn)生寫訪問存儲器的信號，把顯示數(shù)據(jù)寫入顯示存儲器，然后把顯示數(shù)據(jù)讀出轉(zhuǎn)化為顯示象素并生成LCD的各種時序信號，把顯示象素?cái)?shù)據(jù)送給LCD顯示。微控制器只需向S1D13305發(fā)命令，在更新顯示內(nèi)容時向S1D13305送顯示數(shù)據(jù)即可，讀/寫顯示存儲器以及控制LCD掃描顯示的工作均由S1D13305來完成。

MMC2107與液晶顯示屏硬件接口的設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。S1D13305可以與8080或6800兩種類型的微處理器接口，這里根據(jù)MMC2107的接口要求，選擇前者。在設(shè)計(jì)時，S1D13305的數(shù)據(jù)線與MMC2107的數(shù)據(jù)線D[31:24]相連，S1D13305的地址A0與MMC2107的地址線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(shù)據(jù)端口地址定義如下：

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

#define lcd_data (*(INT8U*)(0x81800000)) // 數(shù)據(jù)端口

4．2 觸摸屏模塊

ADS7846除了基本的X、Y坐標(biāo)測量功能外，還可測量系統(tǒng)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12位的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器。內(nèi)部的6選1模擬多路開關(guān)根據(jù)微控制器送來的控制字，將X＋、Y＋、Y－、V_BAT（電池電壓）、TEMP（溫度）和AUXIN（外模擬量）中的一個送入A/D轉(zhuǎn)換器。ADS7846可以對A/D轉(zhuǎn)換提供2.5V的內(nèi)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標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)測量，微控制器先按控制字格式傳送一條讀坐標(biāo)命令，ADS7846收到命令的同時進(jìn)行相應(yīng)坐標(biāo)的測量和A/D轉(zhuǎn)換，然后微控制器啟動2次SPI讀，得到坐標(biāo)值，第一次讀得前7位數(shù)據(jù)，第二次讀得后5位數(shù)據(jù)。ADS7846還設(shè)置有觸摸識別電路，當(dāng)檢測到有觸摸時，該電路輸出一個低電平信號，稱為PENIRQ#（筆中斷），微控制器可以用這個信號作為ADS7846的中斷請求信號。無觸摸時，PENIRQ#由外加的上拉電阻輸出為高。筆中斷變低后，MMC2107檢測到這個信號并發(fā)出啟動轉(zhuǎn)換命令，在轉(zhuǎn)換期間，MMC2107必須維持筆中斷為低。

5 創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于將各種微控制器與嵌入式微內(nèi)核實(shí)時操作系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，開發(fā) 了一個嵌入式開發(fā)平臺，在此基礎(chǔ)上可以大大縮短了應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)周期，減少了系統(tǒng)開發(fā)成本投入，降低了系統(tǒng)開發(fā)風(fēng)險。同時有能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求，在未來的移動計(jì)算機(jī)平臺、信息家電、無線通信設(shè)備和工業(yè)/商業(yè)控制等領(lǐng)域都有十分廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

1 蕭世文編著. USB2.0硬件設(shè)計(jì). 北京：清華大學(xué)出版社，2002
2 王田苗主編. 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開發(fā). 北京：清華大學(xué)出版社，2002
3 邵貝貝，劉慧銀編著. 微控制器原理與開發(fā)技術(shù). 北京：清華大學(xué)出版社，1997
4 莫傳孟，馮曉云 基于嵌入式系統(tǒng)μC/OS-II的雙CAN通信構(gòu)件，北京，《微機(jī)算計(jì)信息》，2004.No.3