高速动车试验USB数据读写控制器设计（可编辑）

高速动车试验USB数据读写控制器设计（可编辑） 高速动车试验USB数据读写控制器设计 西南交通大学 硕士学位论文 高速动车试验USB数据读写控制器设计 姓名:庄浩 申请学位级别:硕士 专业:测试计量技术及仪器 指导教师:苏燕辰 201105西南交通大学硕士毕业论文 第页 摘 要 高速动车在中国铁路车辆中的比重越来越大。高速动车速度快、结构精密, 加上 线路的复杂性,开展高速动车试验显得很迫切。针对高速动车环境的特殊性 和传统的 铁路车辆检测设备的缺陷,设计一种基于 ,通用串行总线 技术的高速动车试验数据读写控制器。 系统设计包括三个部分:系统硬件部分设计、下位机控制软件设计和上位机 软件 设计,文章详细介绍了各部分的设计和编程方法。 系统硬件部分以公司位.内核低功耗、高性能微控制器 为核心,外围电路主要包括数据采集电路、本地闪存存储器电路和盘存储接口电路。 闪存与微控制器通过独特的可变静态存储器控制器连接,盘存储接口通 过南京沁恒电子公司的总线结构芯片扩展,软件负责将闪存中数据以 文件格式写入盘。文章介绍了各硬件模块的电路组成和器件特性。 下位机软件以嵌入式实时多任务操作系统/?为框架,将系统总体功能划分 为采样数据保存、闪存存储、盘转存以及通信等四个任务来管理。文章介绍了每个 任务的软件结构和任务间的通信和同步信号。 .作为软件集成开发环境,采用软件集成的 上位机软件采用 控件实现快速软件设计。上位机软件功能包括下位机监控和格式数据解包。 通过对系统各部分及整体的测试和调试,下位机系统能够完成数据采集和存储任 务,并能与上位机实现通信,上位机程序监控功能和解包数据功能下常。验证了系统 设计方案可行。 关键词: 动车试验;;;/ .? , ’ 。 ,? ..? ., :黜 . . , , . .. , . . .? /?,?丘.锄 ,, , .. .. . , .,, ., ,,,/ :.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 论 第章 绪 . 课题研究背景与意义 高速铁路是世界铁路客运发展的方向】。近年来,我国高速铁路事业在国家大 力支 持下呈现出蒸蒸日上的发展势头,不仅拥有很高的建设里程,相关技术日益 成熟完善, 而且运营速度也达到了世界领先水平。辆编组的动车也已下线并完成相关线路测试, 设计时速公里动车组正在进行测试。国家《中长期铁路网规划》中,提出了中国 将建设“四横四纵’’的铁路网。 铁路网络的发达以及铁路车辆运行速度的不断提高,也带来了相关的技术问题与 安全问题。如车内噪声过大、车体表面空气压力、列车密封性不好导致的车内气压变 化太快,车体应力变化,结构振动等等。这些因素不仅影响列车本身的结构稳定以及 耐疲劳,而且对线路、隧道、桥梁以及沿线建筑物都有潜在的威胁。车厢内部过大的 噪声以及快速变化的气压对乘坐人员的耳朵造成压迫,直接影响乘坐的舒适性;车体 表面空气压力,车体振动,以及由此产生的车体应力变化及车体变形,对列车自身的 安全及材料的耐疲劳都是极大的考验。 对这些影响列车安全的参数进行检测与研究已经变得刻不容缓。列车检测,尤其 是运行中的列车的动态检测,测试环境有很大的特殊性。最突出的是测点分 布很广, 常常遍布车体车厢的每个角落,甚至在车厢的下部设备舱,以及转向架等相对危险的 区域。采用集中测试,布线多且长,不仅对列车运行安全造成影响,而且测试信号长 距离传输会引起衰减,受车下牵引等高压设备的影响还会串入电磁噪声。采用靠近测 试点的分布式测试,可以很好的解决这个问题。分布在车上各处的测试点的测试数据 可以直接传输到主控制机一般在车内,或者先存储在本地存储芯片中,然后转存到 便携式存储设备中。直接传输情况下,测试数据从下位机到车内主控机的数据传输距 离远,有线方式实现较困难,采用无线传输,速度得不到保障,而且常发生丢失数据 包的情况。在列车测试中,数据传输的完整与准确性显然比传输速度更重要,而各种 高速接口的发展使得“转存的方式既可以保持高的传输速度,又可以安全的保存数 据。 数据采集技术是检测的基础。工业计算机、单片机等技术的组合,软件管理的引 入,降低数据采集系统的成本,减小体积,而功能成倍增加。数据采集系统中总线 常见的有并行总线,串行总线、、及等。其中接口 的应用越来越广泛,具有高速、便捷、稳定等诸多优点,随着.接口的大范围成 熟应用和.的发布,可以预见,技术具有光明的发展前景。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 . 国内外研究现状 ..接口技术发展 当今计算机技术飞速发展,实现计算机与外部设备之间通信功能的接口技术也随 之不断更新换代。早期的外部设备计算机的通信通过、并行接口、接口和 /接口等老式接口实现,但是这些接口存在着体积大、规范不统一、难以扩展和不 支持热插拔等缺附。现在存储设备的常用接口有:.、、。表. 把与常用计算机串行接口进行了比较【】。 表常用计算机接口的性能对比典型值 注:.规定低速电缆最长为,全速电缆最长为。.和.对电缆 长度无要求。 设备以其高速、低价、热插拔、统一、携带方便、易于扩展,可提供电 源等优点,已经逐渐成为数据采集设备主要的接口。接口速度由最初的. 升至,将来会达到。 虽然.接口在速度上还不及,但主要应用在音频视频等 需要大量数据传输的场合,同时接口不管在笔记本电脑还是台式机上都有广 泛应用,有些外设只推出支持的版本,而且将来.技术在数据传输速率上 也将超越。 技术应用在嵌入式系统中为嵌入式系统带来更高速度的数据传输速度,很多 嵌入式微控制器都支持.技术。一些著名的芯片公司都推出了主控制器芯 片,借助专用的控制芯片才能构成主机。世界上第一块单片.主控制 器是年月公司发布的,它具有个端口,并支持总 线。 以卡作为数据转存设备的数据采集器已有研究,但是卡需要频繁插拔对设 备的机械损伤,再考虑到速度方面差距,普通机器对卡的支持等,接口应该 是一个更好的替代方案。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ..微控制器与操作系统 嵌入式系统是一个可定制的微控制系统,包括嵌入式系统的硬件、软件都可 以根 据需要进行裁剪。嵌入式系统与应用紧密相连,功能强大,其主要组成结构包 括硬件 层的嵌入式微控制器、存储器、设备和接口,中间层的硬件抽象层 ,,软件层的操作系统,控制软件等。 早期的主控制器一般采用位/位的单片机,虽然价格低廉、功耗低,但是时钟 频率比较低,代码不够精简。应用增加时,系统效能马上下降,的性能也不能 得 到发挥。位微控制器得益于.多种新型的增强架构,拥有优异 的性能和超低功耗,并提供丰富的外设,目前已经广泛应用在微控制的各个领域之中【。 是系列的最高配置芯片,拥有更强大的功能和资源。为 了便于开发,公司提供了完整的开发固件库,但对扩展微控制器的 功能的未给出解决方案,本系统设计一种的主机功能扩展方 案。 嵌入式系统复杂化使得移植操作系统变得越来越迫切,传统的软件编写已经难以 满足软件实时性的要求。常见的嵌入式操作系统有、/.、、 等,从实时性、开源性、硬件支持、代码大小和移植难度等方面考虑,选择 嵌入式实时多任务操作系统/.作为系统的操作系统软件。 /.为开源操作系统,本身结构简单、代码量小。大部分程序采用语言编 写,只有小部分与硬件相关的程序采用汇编语言编写,语言程序方便移植。/? 具有嵌入式实时操作系统的特点,实时性好,已经顺利移植并运行在多种微控制器上。 . 论文研究内容 本文使用意法半导体生产的高性能和接口芯片 构建一个符合.规范的数据读写控制器,实现数据采集系统及与外接 盘的读写控制,为列车检测的特殊需求提供了一个解决的方案。主要内容如 下: 了解当前列车数据采集技术的发展,分析当前技术的存在的缺点和不足;熟悉接 口技术发展,确定设计的方向以及系统的总体设计方案。 介绍技术的发展历程,技术的基本原理,设备枚举过程,.数据 通信过程;详细研究南京沁恒公司的接口芯片;论述系统硬件各部分的设 计,介绍各硬件模块的功能及特性。 编写软件程序,实现对各部件的初始化,数据采集功能,解析并执行上位机传来 的命令;编写数据转存程序,将采集的数据转化成为兼容格式并通过的 转存到盘中。 介绍嵌入式实时操作系统/.,操作系统的实现机理,任务调度原则及软件第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 实现;编写各个功能任务,将/.移植到设计的数据采集系统实现任务调度。 安装测试系统工作状态,修改数据采集参数,验证数据采集系统的工作是否正常; 向系统闪存内写入测试数据,编写上位机解包程序,将数据解码,并与写入的数据比 对从而确定写入模块的正确性。实际应用本系统的结果,对系统进行综合评价,并对 将来的研究方向提出展望。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章技术概述 总线是一种新的串行总线接口规范,所以它既是一种总 线,也是一种计算机结构规范。由于原有的接口存在缺点,而具有连接简单, 接 口统一,支持热插拔诸多优点,越来越多的微控制器以及外部设备都支持接 口。 . 技术发展历程 ,全称 ,中文名称“通用串行总线”,是一种应用在计算 机领域的新型接口技术,最早由康柏、英特尔、微软等多家公司于年底联合 提出。 具有传输速度快、使用方便、支持热插拔、连接灵活、独立供电等优点。 经历了多年的发展,现在已经发展为.版本。目前个人电脑主板中主要是 采用.和.,主流的是.接口。接口已经成为目前电脑中的标 准扩展接口也是应用最多的接口,大有取代其他接口的趋势。 .对.等低版本完全兼容。表.列出了各版本的详细信息。 表. 不同版本比较 .向下兼容.,也就是说.设备可以和.设备通用,但是 这时.设备只能工作在全速状态下/。.有高速、全速和低速三种 工作速度,速度分别为/, /和./。 . 新.规范重新命名了标准,将原先的 .改成 . 全速版,同时将原有的 .改成了 ..高速版。.在 实际设备应用中被称为 超速。 随着技术的不断发展,计算机系统以及嵌入式系统会越来越多的依赖 实现与外设的通信,技术拥有广阔的应用前景。西南交通大学硕士研究生学 位论文 第页 . 总线概述 .. 总线分类 按照传输速度分类,总线分类如表.所示【】。目前.支持三种速率: 低速.,全速,高速。 表 总线分类 .. 总线特点 总线接口实现了计算机与外部设备之间的快速连接以及通信。与传统串行总 线接口相比,体现很多优点。 即插即用, 与热插拔。协议对端口实现自动配置, 当有外部设备插入时,操作系统自动检测到设备连接,加载合适的驱动程序 使得 设备可以即插即用,支持热插拔。 此外,总线还有节省系统资源、兼容性高、接口体积小,性价比高、供给电 源,低功耗等特点。电缆可以向外提供的直流电源,最大电流。当总 线在连续的时间里没有活动的话,总线会进入挂起状态,达到低功耗的目的。 . 系统构成与总线结构 ... 系统构成 最简单的完整系统是外设通过电缆接入机的接口当然这里不一定 完全是机,也可以是其他具有主控制器功能的设备。外设与机通过 实现通信功能,把外设称为设备,把其所连接的机称为主机 。 图.是一个简单的系统示意图。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 主机 图. 系统示意图 图. 总线拓扑结构示意图 由图.,可以把一个系统定义为三个部分:主机、设备和 互联【。 主机指的是包含主控制器,并且能够控制完成主机和设备之间数 据传输的设备。 设备按照其功能分类可以分为两类:集线器和功能设备。集 线器设备的主要作用为系统提供更多的连接点,扩展系统可连接的设备数;功能 设备主要完成某一特定的功能,丰富主机的一些功能,如具有数据输入功能的键 盘,有音频播放功能的以及数据采集器。 ... 总线拓扑结构 为了防止在系统总出现环形连接的情况,采用分层星形的总线拓扑结构, 在每一层上采用“菊花链”式连接,如图.所示。整个系统的连接点起始于主 机中的集线器,称为根集线器。集线器和功能设备之间的连接层次最多为层,包含 根集线器,所以一个系统最多可以支持个设备的连接。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ... 数据流模型 系统在硬件上通过集线器使用分层星形连接,为了在不同的层次上简化 系统,方便模块化开发,系统的连接可以分为三个逻辑层:功能层、设备层 和总线接口层。设备与主机客户软件之间的通信通过设备的特定端点实现, 图.表示这种分层的数据流模型。 主机 设备 、 、 客户软件 功能单元 功能层 \ 、 、 ? \ 母:二:::::二二:二:::::::? 、 逻辑通信流 、 系统软件 逻辑设备 设备层 、 、 、 ? \ ???? ?实际通信流 、 、 』 总线接口 总线接口 总线接口层 、 \ \ 、 图. 系统数据流模型 图.的数据流模型指明了数据在主机与设备之间相互通信的过程,功能层 与设备层之间,设备层与接口层之间,以及主机与设备的接口层有直接的通信发生。 处在功能层和设备层的主机模块和设备模块之间只存在逻辑上的通信。 为了描述设备端的逻辑结构,引入设备架构的概念。在设备架构中, 功能层简化为一些接口的集合,设备层简化为端点的集合,总线接口包 括设备中的串行接口引擎。图.表示的是的设备架构。 图.中的各部分并不代表实际的数量。设备就代表实际的设备,对应唯一 的设备描述符,设备描述符包含了设备的总体信息;配置包含设备工作的环境状态, 设备可以包含不止一个配置,如高功耗模式与低功耗模式对应不同的配置,每个配置 对应一个配置描述符;在一个配置下可以包含多个接口,当设备用于不同的用途时使 用的是不同的接口。端点是设备中的实际物理单元,是设备与主机通信的起点,每个 端点对应一个端点描述符,一个设备包含多个端点,其中号端点是设备的必须包含 的默认端点,用作缺省的控制管道,包含和两个物理单元,只支持控制传输, 系统软件使用该管道对逻辑设备进行配置及通信。控制传输及传输模 式见.介绍。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图 设备架构 . .协议规范概述 协议规定了系统的拓扑结构,连接方式,物理、电气规格以及通信的协 议。包含底层的字段、信息包、事务处理,上层的传输类型,设备枚举、设备 配置和 设备请求等内容。图.描述了这些概念之间的关系。 信息传输从最小的结构字段开始,若干个拥有不同功能的字段构成信息包, 而不同功能的信息包又组成了系统通信的基础??事务处理,每一次传输功能 的 实现都是由若干个不同的事务处理完成的。 数据传输 事务处理 信息包 字段 图. 数据传输分层结构图 在协议中,总线数据传输与通信的基础是事务处理【。事务处理分三个 阶段,令牌阶段、数据阶段和握手阶段,其中令牌阶段是必须有的。图描述了 一 个完整的事务处理的流程。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 令牌阶段 数据阶段 握手阶段 图 事务处理流程 .. 传输类型 协议定义了种传输类型,以满足不同数据量、不同传输速率等要求。表. 总结了种传输类型的特点。 表传输类型比较 块传输充分考虑总线的带宽,会根据总线的紧张与否调整自己的数据传输策 略,传输时间和速度不能确定,但可以传输大量数据而不会造成总线拥堵。打印机、 扫描仪之类设备通常使用块传输方式,但是块传输只用于高速设备或全速设备。 中断传输占用总线为它保留的带宽,所以可以保证在规定的周期内完成传输, 不过传输速率在过程中可能改变。键盘鼠标之类设备可以使用中断传输方式,三 种速度模式都可以使用中断传输。 同步传输使用总线预留的总线带宽,使其能及时得到服务,所以同步传输传 输速率是可以准确知道,传输时间可以预测。音频视频等对传输时间敏感的设备可以 使用同步传输,同步传输只能用于全速和高速设备。 控制传输,总线不仅为其保留了总线带宽,而且主机软件动态调整所需的帧/ 小帧时间保证数据尽快的传输。为保证数据的正确性,总线采用了差错控制和重 试机制等措施。在发送和接收与设备的配置信息相关数据时使用控制传输。所有 设备的三种速度模式都支持控制传输,设备的默认端点,也必须支持控制传输,以保 证在设备连接的初期可以使用端点对设备进行配置通信。 .. 设备枚举 设备从插入接口中到从接口断开的整个过程中被划分为种不同的状态,设西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 备每时每刻都处在这种状态中的一种,这种状态分别是:连接状态、上电状态、 缺省状态、地址状态、配置状态、挂起状态。在设备运行过程中,这些状态之间相互 转化,图.表示了这种转化关系。 ? ? 一 图. 设备状态转换关系 设备的连接状态是指设备插入了主机或者集线器的下行端口,但是总线 电源还没有提供的阶段。设备已经连接且已经得到总线电源,但没有被复位之前的状 态为上电状态。此时设备不能响应事务处理。设备收到集线器发来的复位信 号并 完成复位操作后就进入了缺省状态,设备可以用缺省设备地址响应某些事务处理。 设备复位结束后,主机为其分配一个唯一的设各地址,在被配置之前的设备 处于地址状态。这时设备不再使用缺省地址,而是用新分配的地址响应主机的事务处 理,设备被挂起后也不会改变该地址。设备通过响应主机发送的 请求来完成配置,设备即处于配置状态。 挂起状态是设备在时问内没有检测到总线活动时自动进入的状态,设备 原有的地址和配置会被保留。挂起状态会被任何非空闲的总线信号唤醒,从而使设备 得到恢复。 总线管理设备的连接和断开通过设备枚举操作。枚举就是主机与设备之 间的一系列的请求和响应通信来实现设备的配置。描述这些通信过程的字符就是描述 符,如设备描述符、端点描述符等。设备连接时的枚举是通过查询通信确定设备的传 输速度、端点号、地址等信息并完成配置,为其加载合适的驱动程序;设备断开时的西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 枚举过程是:集线器检测到设备的断开后禁止该端口,向主机发送请求,主机负责处 理后续的释放资源等操作。 . 本章小结 本章首先简单介绍了技术的发展历程;随后对开发者必须了解的一些 基础知识,如总线特点、系统构成、总线拓扑结构等;最后介绍了.的概况,通 过这些介绍,学习设备连接枚举的过程,以及主机与设备之间通信的过程,加深 对总线的理解,对后面的系统设计也起到事半功倍的效果。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 系统总体设计与微控制器简介 第章 读写控制器属于嵌入式系统范畴,对其研究和设计都是从系统观点及模块角 度出发。设计阶段中,系统的总体框架规划以及核心微控制器的选型都至关重要,对 系统总体方案的细化和微控制器基本知识学习是必不可少的。 . 系统总体设计方案 动车在试验过程中往往正处于高速运行状态,对测试系统的抗震性和抗电子干扰 能力都提出来严苛的要求。此外,列车检测具有测点多,测试对象的信号种类多样, 如振动、空气压力、噪声、位移等,要求测试系统具有以下特性才能满足性 能要求: .采样速率多样化要求,并能够达到较高速率。动车检测的信号量多样,信号的 带宽也是不同的,如空气压力信号的带宽很窄,而振动等信号的带宽很宽,根 据香农采样定理,采集系统的采集速率应该尽可能的大,才能满足各种不同信 号的测试要求。另外,采样通道数也应该足够多。 .低功耗要求。动车运行环境是一个相对独立封闭的环境,直接供给车上的交流 电,传输距离长,衰减大,容易串入干扰,而且在动辄/以上的运行速 度下,电源线不稳定且不安全;此外,为了将交流电转化为直流电而增加的转 化电路不仅增加了系统的复杂性,而且也是一个不稳定的因素。所以选用可充 电电池供电,加之低功耗的处理芯片是一个很好的解决方案。 .抗干扰要求。动车在高速运行时,车上各种电力设备也在高速运转中,这些会 对采集系统造成干扰,轻则影响采集数据的准确性,重则影响系统的正常运行, 造成系统崩溃。系统在硬件上应该有防干扰措施和看门狗电路等,在软件也应 采用特定的手段,减少这些外部干扰对系统的影响。 .设计快速化,智能化,可扩展。为了节省开发时间和开发成本,系统的软件编 程必须能够快速化,模块化,便于管理,如果微控制器厂家能提供开发固件库 则可以节省熟悉硬件操作方法的时问,提高了软件开发的速度。随着嵌入式系 统的不断复杂化,以前的平板式的软件管理虽然可以达到要求,但当要对系统 进行大量扩展和时间调度时,就显得捉襟见肘了。所以,良好的嵌入式系统应 该具有操作系统,可以提高任务调度的效率,便于软件管理。 基于以上几点考虑,本系统采用低功耗的高性能微控制器,外扩模数转换电路, 数据存储电路,在电路设计上注重防干扰设计,并在软件上移植嵌入式操作系统,加 入软件抗干扰措施,使得系统能够满足动车检测的要求。 数据采集与读写系统包含硬件和软件两个部分,硬件主要实现数据采集和存储接西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 口功能,下位机软件实现数据采集及与上位机的通信控制,上位机软件实现与下位机 通信的控制和对采集数据解包显示。 ..系统硬件组成 嵌入式系统主要由主控制器以及外扩的功能部件组成。主控制器犹如系统的“大 脑”,决定着系统各个部分的运行,对系统有至关重要的作用,而外扩的功能部件是为 了实现系统的一些特殊功能而设立的,犹如系统的“四肢负责具体功能的实施,受 主控制器的控制。本数据采集读写控制系统结构基本如此,图描述了系统的总体 结构。 图.系统硬件结构框图 图.描述了系统的硬件结构,系统采用了模块化设计,可以提高系统的通用性 和扩展性,由于传感器电路和信号调理电路不再本设计的范围内,假定待采集信号为 的电压信号。 待采集信号通过数据采集模块完成模数转换,转换完成的数据经总线和微控 制器存入本地的 存储器中,然后通过总线转存到盘中存储,方便 取用数据。在这些模块工作的过程中,系统向上位机传送监测数据,上位机实行判断 和监测,系统也可以接收上位机命令,做出响应,实现设置参数或者读取数据等功能。 当然系统的工作离不开时钟电路以及电源模块的支持,所以硬件设计中还包括多种电 源电压,供传感器以及各芯片使用。西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 ..系统软件组成 本系统采用了嵌入式实时多任务操作系统,所以下位机软件是围绕操作系统 来编 写的,开发者只需将要求的功能划分为多个不同的任务,编写各个任务的实现代码, 然后就可以将这些任务交由操作系统来管理调度。上位机软件功能包括下位机监控通 信和数据解包两部分。 图.描述了系统下位机软件的组成结构。下位机软件的核心是操作系统的内核, 通过必要的移植操作就可以应用于系统中,创建系统需要的任务,如数据采集、数据 存储、通信等。任务之间的执行顺序依靠于操作系统的任务调度机制,任务与任务之 间也可以通过消息和邮箱等手段进行通信同步。在实时多任务操作系统的管理下,任 务能够及时的得到执行,保证系统的实时性。 图系统下位机软件组成 . 微控制器简介 微控制器的性能、功耗、开发成本、软件开发能力和性价比等都是微控制器选型 必须考虑的因素【。综合考虑这些因素,系统的微控制器选用意法半导体 公司的位单片机,该芯片是该公司 系列的最高配置芯片,片上拥有的 ,的,采 用先进的.内核,拥有大量的片上资源及接口,具有高性能、低成本、低功 耗以及易于开发、调试方便等特点,特别适合嵌入式系统应用。 .. .内核 ? 内核是的核心组成单元,负责执行指令,其实质是完成特定的电平转换。内 核经过单片机厂家添加存储器等外设才能成为具有完整功能的单片机。 公司 .是年成立于英国的一家专门出售 芯片设计技术的公司【】。?内核是公司推出的高性能的处理器内核。西 南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 公司已经推出了个版本的内核架构,已经有广泛应用的内核就是 基于版本架构,.内核则是基于公司最新的.架构。 版本架构共有种款式:.、一?和一 。其中, .主要应用于具有单片机风格的嵌入式系统。与 同为位处理器内核的系列比较,.内核效率更高,.处理 速度是的.倍,功耗只有的.倍,而且可以节省接近一半的代码量。 表.对比了这两种处理器的各方面性能。 表. .与性能参数比较 .内核具有位数据宽度、位宽度的寄存器和存储接口,拥有 内存的寻址空间,拥有内置的嵌套向量中断控制器,支持位绑定. 操作,使用一指令集,定义统一的存储器映射结构,方便同一内核的不同 代码之间的移植。内置时钟节拍定时器,有利于操作系统移植。图?描述了. 内核的结构图。 ...嵌套向量中断控制器 针对以前的处理器的中断控制问题,.在硬件上加入嵌套中断控制 器,使中断延迟缩减到个时钟;背靠背..的中断延迟降到 了个时钟周期,以工作在计算,中断延迟只有。管西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页 理中断是通过使用可重定位的向量表,向量表中存储了中断处理函数的入口地址,当 中断产生之后并被接受后,处理器从向量表中获取地址。 处理器异常模型采用的是分组映像寄存器模式,.已经使用基于 堆栈的异常模型,降低了系统复杂性,并提高系统的灵活性。异常发生时,与程序执 行有关的通用寄存器将被压进堆栈。同时,获取异常处理程序的入口地址,中断服务 程序就可以执行,执行完成后寄存器自动恢复,原程序也恢复正常的执行顺序。 图. .内核结构图 ... 一指令集 .采用了突破性的.指令集,不支持位的指令。. 位指令集 指令结合了位和位指令,性能匹敌位指令,匹配 测试结果显示,?与执行指令的 并后向兼容。 相比,每兆赫兹的效率提高了%,与执行指令的相 比,效率提高了%引。 .. 芯片 以下简称 芯片采用先进的.内核,工作 频率高达。名称中的、代表封装为脚,代表有的, 代表工业级产品,温度范围.~?。.内核在架构上的多项改进成就了 芯片的高性能和高代码密度,快速的中断响应,同时具有相当低的功耗。 芯片具有以下主要的特点: .杰出的功耗控制和效率水平。供电电压范围.~.,可以利用电池供电。西南 交通大学硕士研究生学位论文 第 页 支持三种低功耗模式,时钟控制灵活,可以对需要使用的时钟单独使能, 达到功耗优化的目的。 .出色的处理能力。采用先进的.内核,拥有高达 的和的,支持扩展外部,芯片整体处理能力很强。 .高集成度。芯片高度集成,只需添加少量的外围电路就可以组成系统。 芯片的集成还体现在强大的电源管理和多样的时钟选择。 .优秀外设配置。片上几乎囊括所有常见的外设:模数/数模转换器, 、、等个通信接口,个快速端口, 个定时器。这 些外设分布在两条高级外设总线, 上,其中高 速总线可以达到的工作频率。 .开发方便。公司为了帮助开发者实现产品快速研发,编写了整套的软件函 数支持库,降低了程序开发周期和成本。使用公司的集成开发环境, 配合仿真器等,可以实现程序的编写、编译、调试、烧录等功能集于一身。 .较高的性价比。一片的最高配置芯片只需元人民币,与 芯片相当,与/位单片机的差距也在不断缩小,同等价格下达到更高 性能,尤其对于成本敏感的设计,具有很高的性价比。 图描述了内部结构图,图.是芯片的实物图,。 接门总线 矩阵 个通道 垒旦里墨笙堂垡匝 ???????桥 一至 霍运 山 ~善~啪~一~一 请求 图 芯片内部结构图第 页 西南交通大学硕士研究生学位论文 图. 芯片实物图 固件函数库提供的例程同时也是很好的编程框架,设计者可以在这些框架 下加入自己的功能实现函数,快速实现编程。图描述了固件函数库的文件 体系结构。 图吲件函数库文件体系结构 函数库为每一个外设命名,命名都与外设的实际名称相近,如时钟定时器命 名 为,模数转换器命名为等。初始化一个外设的步骤是用代替外 ,然后对该结构体中需要修改的结 设名称:定义一个初始化结构体 构成员赋值,调用 函数来初始化外设,最后调用 使能外设。程 序段如下: ??,,?一, 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ?, ?, 库函数的宏定义往往是有实际意义的,使得程序编写具有很强的可阅读 性, 易于维护。 . 本章小结 本章首先讨论了嵌入式系统的一般开发流程,然后引出本系统设计的硬件结 构和 软件结构,并对这些结构进行了初步剖析。作为系统的核心的微控制器的选 择尤为重 要,全面介绍了微控制器的内核架构和特点,选择了意法半导体公司的 为主控芯片,最后简要介绍单片机的资源、结构和基于函数 库的编程方法及应用领域。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 第章系统硬件设计 系统硬件制作完成后不可能大幅更改,所以初期的设计工作显得尤为重要,不仅 要设计各个功能模块,还要利用工具做仿真测试,以提高设计的成功率,批量产品可 以先生产样板进行调试验证。按照模块化的设计思想,系统硬件核心采用 微控制器,各个外围模块完成特定的功能。本章将详细介绍系统硬件的各组成模块。 . 最小系统设计 本系统设计调试时采用焊接一部分就调试一部分的策略,这样容易确定错误,提 高调试效率,首先设计调试的就是的最小系统。 最小系统,即最小硬件系统,指微控制器可以正常工作的所需最少的电路组成的 系统。一般由主控制器芯片,电源电路,晶体振荡器电路和调试接口等组成。图. 是本系统的最小可运行系统电路原理图。 图. 最小系统原理图 系统外部提供晶振经内部电路给系统实时时钟提供时钟信号,的晶 振经内部倍频后可作为系统主时钟信号。电源引脚和地线引脚分别连接 到电源信号和接地点上,为了便于调试系统,引出接口,方便系统调试。当系 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 统掉电时,后备的纽扣电池为芯片的实时时钟和备份寄存器供电。 备份寄存器是个位的寄存器区域,容量为,可以用来存储用户应用程序数 据。当电源被切断,维持供电,备份寄存器不会丢失数据。当系统发生复位湖 综合从待机模式中被唤醒时,备份区域也不会被复位。 系统执行总是从逻辑地址的 开始,在的内存映射中,不同的 启动器件可以被映射到程序开始的地方,这样就有不同的启动模式。支持三 种 不同的启动模式,选择的方式是通过设置、管脚的电压值,具体的电 平与模式对应关系如表.所示。 表. 启动模式选择 用户设置的、的电压值在系统时钟的第个上升沿被锁存,每次 复位后都会更新这两个管脚的值,以此确定系统的启动模式。本系统采用的 是用户闪 存存储器启动方式,所以在图.中管脚被接地。 ..电源系统设计 系统的电源供给不仅包括传感器电源、电源还包含扩展的芯片基准 电源。 的电源系统包括模拟电源/、~,数字电源/、 两类,芯片内部的电压分配关系如图.所示。其中/为芯片工作 电压,为失效时启用的备用电源;/是外部模拟电压输入引脚,用 于复位控制、温度传感器和电路,十?.为基准电压,一般将/ 分别连接到~对应引脚上。芯片内部配有低电压检测装置,当电压过低时, 控制的启用。 表.给出了本系统的所有的电压要求,系统的电压种类较多,无法统一提供一 个电源,所以采用电压转换芯片满足电压多样的要求。系统需要的电压值有 四种:、 .、、,其中电压由纽扣电池提供,系统采用电压转换芯片实现其他三种 电压之间的转换。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图. 芯片电源框图 表系统电压要求 系统的电源及转换电路如图.所示。系统的总电源是一个的电源,可以由 开关电源、充电电池或者其他稳定的电源提供。的电压经过芯片转换输 出电压供使用,的电压经过芯片..转换为.电压输出供电 路上的芯片使用。 是公司的三端稳压管,输入电压最大允许,输出电压,输出 电流可达.。..是公司的.稳压芯片,输入电压范围.~, 稳压输出.,最大输出电流,芯片均带有限流保护装置和过热保护。西南交通 大学硕士研究生学位论文 第页 ‘: 图.系统电源系统原理图 图.中的电容皆为电源的退耦电容,大容量电解电容肩负着低频交变信号的退 耦、滤波、平滑作用;而小容量电容则可以消除电路网络中的中、高频寄生耦合。 .. 复位与时钟控制 复位与时钟控制是芯片也是系统的重要组成部分。复位控制 负责在系统需要将状态调整到复位状态时,进行复位寄存器等操作。时钟控制 负责整个系统各个不同部分的不同运行速度要求。 ... 复位控制 的复位操作分为三种:系统复位、电源复位和备份区复位。复位操作具体 的引起原因及对系统的影响如表.所示。 系统复位中的外部复位是指引脚上的低电平触发的复位,软件复位通过设 置相应的控制寄存器位实现,而低功耗管理复位是指进入待机模式或者进入停止模式 时引起的复位。 为了避免系统受外部电磁等干扰的影响而产生外部复位,本系统将引脚直 接上拉到高电平,并联滤波电容,采用电源复位中的上电复位。包含独立和窗 狗 系统复位 姜王蒹晶薪善;羞建基丢稿 。包含勰看狗,飘燃篓毳 一位 软件复位 的复位状态 低功耗管理复位 电源复位 她灯鬻外晰有 去簇蓑苫 复位备份区域 备份区复位 。,软件菁筹失效 ... 时钟控制 图 时钟系统框图 系列微控制器时钟系统为了满足不同设备多样的速度要求,设计的比普通西 南交通大学硕士研究生学位论文 第页 更多样,软件设计的难度有所增加,如普通单片机的延迟程序可以通过循环 语句 实现,而在平台上,由于无法获得程序执行当时的时钟频率,就得不到精确的 软件延时,当然,可以使用实现精确延时引。 芯片共有个时钟源:高速外部时钟信号、高速内部时钟信号、 低速外部时钟信号、低速内部时钟信号和;个时钟安全系统, 个时钟输出端口,的时钟系统结构如图.所示。 时钟系统中任意时钟源当不使用时,都可被独立地启动或关闭,达到低功耗的设 计目标。所以在使用到某一时钟源时,一定要先使能该时钟源,否则不能正常使用。 时钟信号并不是上电后立刻可以使用的,需要查询各自的时钟可用标志位判断。本系 统选择外部高速时钟作为系统时钟。 ..系统调试接口 为了提高系统设计的效率,增加一个功能模块后,需要测试这个模块的功能是否 正常,这样就能保证系统总体功能实现。内核.内嵌调试接口, 并支持串行的单线调试, 方式。 标准的接口有根信号线:、、、,分别代表模式选择信 号、时钟信号、数据输入信号和数据输出信号。本系统的接口如图.所示,调 试时直接与图.中的接口连接。 繇般~黔靛鞣黔;蚤了 图. 接口原理图 最初是用来对芯片进行测试,接口还常用于实现 在线编程,对等器件进行编程。编程方式是在线编程.这 样就不需要先对器件编程在将器件固定到电路板上,加快工程进度。 调试方式只需要、两根信号线就可以实现调试功能, 为从主机到目标的时钟信号,为双向数据信号。西南交通大学硕士研究生学 位论文 第页 . 数据采集模块设计 数据采集模块的输入信号为符合采集范围的电信号,信号经过模数转换为与 输入 成正比的数字量,由软件采集到系统内存,存储到本地。 自身带有位精度的,但本系统使用外扩的芯片 来实现数据采集功能。主要基于以下考虑: .动车测试参数测点很多,需要的采集通道也很多,的只有 个采样通道,通道数偏少,一片就有个采样通道,可以扩展两片 芯片,就可以拥有个采样通道,且精度不会降低,都为位 芯片。 .的参考电压最高只有.,与一些传感器的输出电压 不兼容,如果增加调理电路使电压兼容则又会产生额外的成本和系统复杂 性; 支持外接参考电压,具有更广的应用范围而不需要增加额外的电路。 .的在芯片内部,信号输入必然占用芯片的通用接口,不 利于系统的多功能扩展和管理;芯片利用自带的总线接 口与微控制器连接,最少只需要根信号线就可以实现如图.所示。 拥有条总线,最高时钟频率可以达到频率, 最高频率也可以达到,完全满足测试信号采样频率的要求。 .可以编程设定为双极性模式,这在动车实验中非常方便测试一些需要 设定极性的参数。 系统数据采集模块原理图如图示。芯片的参考电压由 稳压芯片的输出经过退耦处理后提供,每个模拟输入通道输入的信号经过阻 容低通滤波器滤除高频干扰信号。芯片还预留一个转换通道采集系统电 源电压值,供上位机监控程序判断系统是否正常工作。当然系统电源电压为,超 出芯片转换范围,系统中将电源电压通过三个等值的精密电阻分压后,得到系统电源 电压的三分之一输入到采样通道中如图.中的通道。 .. 转换原理 转换就是将时间连续、幅值连续的模拟信号转换为微机系统可以存储的时间离 散、幅值离散的数字信号的过程。实现这种模数转换功能的集成器件就是模数转换器 ,转换的过程如图所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 眦 一 .,一?, 一 图数据采集模块原理图 图. 转换过程 模拟信号经过脉冲信号控制采样,并被保持电路保存,供量化,通过采用一 定的量化方法将采样的信号转化为量化信号,这时量化值还没有具体意义,最后量化 信号经过编码成为有一定数据格式的数字信号,这样就完成了整个模数转换的过程。 转换按照原理可以分为两种:直接比较型、间接比较型。直接比较型包含连续 比较、逐次逼近等方式,这类转换瞬时比较,抗干扰能力差,但是转换速度快;间接 比较是先把采样值和参考基准都转化为中间物理量进行比较,常用的有双斜式、积分 。。 型、脉冲调宽型等,这类转换方式抗干扰能力强,但是转换速度较慢【 判断的优劣有很多条件,如分辨率、精度、量程、转换时间、线性误差等, 分辨率、精度和转换时间是衡量优劣的重要参数。分辨率是指能够识别的 模拟输入的最小变化量值,与的位数有关,位数越高,分辨率越高;而精度表示 的转换准确程度,即转换结果对应的输入值与实际输入值之问的差距;而转 换的 时间体现了的转换速度。 ..接口总线 器件与微控制器之间的通信是通过总线实现的。串行外设接口, ,是公司推出的一种标准的四线同步双向串行总 西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 线,广泛应用于,,实时时钟,等器件上。总线是高速、全 双工、同步的通信总线,只占用四根芯片管教线,总线的四根信号线分别为: 从设备选择:用作片选信号,让主设备只与选定的从设备通信,避免通信 冲突; 串口时钟:从主设备输出,作为从设备的输入,总线操作的时钟; 主出从入:为主设备时做输出线,为从设备时做输入线; 主入从出:为主设备时做输入线,为从设备时做输出线; 本系统中的与微控制器之间的总线连接如图.所示。 ?。。.一.。。.图. 与微控制器连接图 的接口支持位或位数据传输,支持多主模式,时钟频率多样 且可以编程设定,时钟信号极性和相位、数据传输顺序可编程。系统将的 配置工作在主设备模式,引脚控制片选信号,并将转换完成信号接至控 制器中断引脚,利用中断控制芯片工作。 主设备传输 从设备传输 图 总线时序图 总线的主从设备各有一个双向串行移位寄存器,总线的通信过程就是主从设 备 之间的移位寄存器在总线时钟的控制下进行数据移位传输的过程。图.为在 主设备模式下采用位数据传输时序图。 主设备控制总线系统时钟,当有从设备被选中时即相应的信号变低, 在每一个时钟信号的上升沿或下降沿,可编程设定,主从设备的移位寄存器 进行一 , 位数据的传输,直到所有数据传输结束。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 .. 芯片 芯片是德州仪器, 公司生产的一种串行 位逐次比较型模数转换芯片。具有个转换通道,包含内嵌的三种测试通道, 转换时间?,线性误差不超过?最低位代表的采样值,最高采样频率 可达,完全满足本系统的需求。转换结果数据长度以及传输的起始位是 /都可以编程选择。转换结束后发送完成信号到引脚,可以供控制器捕 获并处理,与控制器连接如图.所示。 是一种逐次比较型模数转换器,输入信号和内部寄存器中的不断增 加的值进行比较,知道寄存器中的值与输入信号相等,则转换完成。逐次比较 型 的原理如图.所示。 行 字 出 图逐次逼近式原理结构图 逐次逼近式的转时间只与位数有关,所以对于位数确定的逐次比较式 ,它的转换时间也是恒定的,有利于软件控制编程。 完成一次转换工作的过程:多路开关根据数据输入端口输入的地址将对 应的通道打开,该通道上的模拟输入就被采样保持电路保存,直到主次逼近模数转换 器完成转换,转换完成的数据通过数据输出端口输出,并将转换完成标志端口相 应的置位。以工作在位数据长度,不使用信号控制采样,在先状态时的 为例,芯片工作具体时序如图.所示。 在图.中,芯片被选中后,在个时钟周期罩,以开始顺序移出上一次 转换的结果,同时,在前四个周期传入用于采样通道选择的四位二进制位,~周期里 面传入四位用于采样参数位数、极性、顺序等设定的二进制位。个时钟周期结 束后,信号变低,芯片开始进行模数转换,转换完成后信号变高,可以进行 下一次转换工作。第页 西南交通大学硕士研究生学位论文 ?一 注??????????????????????????????????????????????????????????一 美: 一凡. 同同同同同同闸同网同网同 一通道选择?’????一采样参数设置??????一 台巫吵??酚正题酚巫诞?园远卿盟垩似 上一次转换结果 ; 队烈?吲 。叱 盼、~一?弘 注:为了尽量降低由片选信号造成的偏差,在.选信号变低到可以接受输入之 间有个建立时间所以,建屯 时间结束之前不能估入通道地址数据。 图。 工作时序图 芯片完成一次模数转换的总时间就由选择的数据长度和转换时间 两部分决定,在图?中,氐。个时钟周期,由此可以计算芯片的采样 频率。 . 数据存储模块设计 系统的数据存储模块负责存储数据采集数据和一些常用的参数配置数据, 闪存存储器和 静态随即存储器。 内部集成了 系统的存储模块关系到数据采集功能成功和系统的正常运行,常用作嵌入式 系统 。 和 的非易失存储设备的有 闪存存储器的特点:内部存储单元采用串联方式组织;代码可以在芯片 . 内执行,可以替代;单元体积较大;擦除操作之前要执行写入操作,单次擦除 时间较长,寿命较短。 闪存存储器的特点:内部存储单元采用并联方式组织,采用复杂的 口传输数据;操作以一定大小的块为单位进行读写操作,适合代替硬盘等用 块管理设 备;擦除单元更小,擦除电路简单,擦写速度较快,广泛用做数码产品的存储 设备。 作为存储 为了存储采集的数据,系统需扩展大容量存储设备,故选用 设备。是韩国海力士公司生产的容量为的非易失性 ,作为本系统的数据存储器。 嵌有灵活的静态存储器控制器,利用简单的电路就可以方便 存储 的扩展外部存储设备。本系统利用的接口扩展了多片 的连接图。 器。图.是的接口与西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 图. 与的连接原理图 ..可变静态存储器控制器 引进了新型的存储器扩展技术,可变静态存储器控制器,。的灵活性体表现在, 通过设置配置寄存器, 能对不同类型的外部存储器件,发出对应的数据、地址、控制信号类型,匹配 不同类型器件的速度】】。也就是说,对外部存储设备提供了统一的接口电路, 在内部通过不同配置实现不同速度设备信号输出,为外部设备信号和内部芯 片信号之 间提供了转换的桥梁。 之所以能够同时支持和两种不同结构完全不同的存储器,是 因为内部同时拥有和/ 两种控制器。图.是在 内部的结构图。内核发出的控制等信号经过转换后,就可以直接控制外 部存储器,使得从逻辑角度看,不同外设对于内核来说都是一样的接口。 为位的微控制器,这就意味着拥有位的数据宽度和位的地 址宽度,所以可以寻址的地址空间,这的地址空间映像已经被内核 定义好,图.就是的内存映像。 系统启动区域被映射到地址开始的地方,其他设备及外设都被映射在不同的 大小的块中,操作设备和操作系统内存统一起来。的占用 ~ 共的内存空间。的空间划分为个,每 又划分为个大小的子,的两个控制器分别控制不同映射空间,具 体的映射空间见图.和表.。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 表 映射空间分配 的四个子分别有自己的片选信号,可以独立扩展一个外部存储设 备,~共用一组控制寄存器。扩展是要根据所要扩展的设备类型选择合适的映 射地址范围,本系统扩展两片 ,分别挂接在和上。 中断伊胁九 游 脯裂 、,,?、, :】 ?【 :】 ‘ 公用信号 ?、 ?. :】 信号 ?:】? ? ,卡信号?图? 中结构西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 ’【 , 图.