嵌入式教学

图9.4 电源原理图
14
9.2.2系统板（应用板）的组成与工作原
系统板起两方面的作用，一方面对核心板提供支持。 如为核心板供电，提供外设到核心板的连接，另一方面 为各种外设提供了接口。系统板主要集成有RJ-45网络 接口、USB 主／从设备接口、串行接口、LCD显示器接 口、CF卡接口、键盘等接口电路。同时，还有包含有一 些相应的控制转换电路（如可编程器件CPLD）和电源管 理部分。核心板和母板之间采用标准SIMM插槽连接，外 设和系统板之间采用相应的外设接口连接。其中可编程 器件CPLD采用的是Altera公司的EPM3032ATC44-10的 CPLD芯片。CPLD器件可以实现高速的FIFO或者利用其灵 活的可编程性，可以作为核心板与外部其他功能模块的 通用接口（如实现了一个IDE接口）。因为S3C2410本身 没有CF卡（半导体辅助存储器中的一种）接口，所以为 了连接CF卡，必须采用转换接口。实际系统中采用了总 15 线接口的IDE接口转换为CF卡接口。
系统板上的网络接口芯片采用 CS8900网络 接口芯片。 CS8900 芯片是 Cirrus Logic 公司生 产的一种局域网处理芯片，它的封装是100-pin TQFP，内部集成了在片RAM、10BASE-T收发滤波 器，并且提供8位和16位两种接口。本系统中采 用 16 位接口方式。以太网接口原理图如图 9-6 所 示 ， 图 中 HR601627 是 一 种 脉 冲 变 压 器 ， 在 CS8900的前端对网络信号进行脉冲波形变换。
· 图9.1a硬件平台示意图
扫描仪 RS232 USB
Audio S3C2410 以太网网卡 CS8900
SDRAM NAND FLASH CF Card
LCD显示器
键盘
6
2） FlashROM程序存储器 在核心板中，微处理器采用的是基于ARM920T核的 S3C2410微处理器。系统的程序存储器采用的是NAND Flash，芯片的型号是Samsung公司的K9F1208，容量为 64MB，NAND FlashROM 接口电路原理如图9-2所示。 它按页进行自动编程，每一页大小为528（512+16） 字节，编程的典型时间为200µs。擦除则按照块进行， 每一块的大小为16K字节，典型的擦除时间为2ms。它在 页面中读取单个数据的时间为50ns。K9F1208总共有48 个引脚，起作用的只有8根I／O口线、读写控制线和电 源线等。I／O口是地址、命令输入和数据输出／输入的 复用端口。K9F1208还提供了ECC错误纠正码，实现坏区 检测以及实时映射，这样它具有高达10万次的编程／擦 除周期，数据保存长达10年。在S3C2410内部集成有 NAND Flash控制器，可以在硬件上直接与NAND Flash相 连。在盘点机中，NAND Flash被用作装载操作系统镜像 7 以及大容量的数据存储，同时也是系统启动存储器。
3
实物图片
便携式盘点设备外观
4
9.2
பைடு நூலகம்
硬件平台的设计
嵌入式设备的硬件架构一般都是以嵌入式微处理 器为核心，通过处理器接口扩展以及系统硬件的支持， 把众多的外设单元集成到整个系统中，并通过 CPLD 等逻辑转换器件和其它硬件电路完成对外设模块进行 读写和控制操作。 物流盘点机系统硬件原理框图如图9-1abc所示， 硬件部分主要包含有核心板，系统板和专用键盘及 LCD显示器三个部分。 1）系统核心板简介 核心板是整个系统的核心，集成了盘点机系统的 微处理器、SDRAM单元、NAND Flash单元以及它们所 需要的辅助部件，如晶体振荡器（12MHZ和32KHZ两 组），电源模块等等。核心板图和PCB板图如图 5 9.1b,c所示。
18
S3C2410中集成了3.3V TTL 电平的串行接 口，可以直接使用。为了与标准RS232C串行设备 通信，采用了一块SP3243芯片用于电平的转换， 构成了一个比较完整的串口。 在盘点机的实际应用中，需要外接串行口的 条形码扫描仪，该扫描仪采用标准串口9针D型插 座，工作时需要通过串口第九针外接5V电源。为 了方便使用该款扫描仪，设计时对串行接口进行 了改进，在串口第九针上采用电子开关叠加可控 的5V电源。在作为标准串口使用时，5V电源和第 九针断开。当外接扫描仪时第九针接入5V电源， 驱动扫描仪正常工作。串口第九针是否接入5V电 源在串口驱动程序中实现，应用程序通过串口设 置系统调用函数来控制，接口电路如图 9-8 所 19 示。
图 9-8 串行接口电路
20
本系统中所用的设备较多，其中很多设备需要 复位信号来保证正常可靠的复位。为此，在系统 板上设计了复位信号模块，该模块采用电阻、电 容和二极管构成一个简单适用的复位电路，在此 基础上采用74HC17芯片进行波形调整、信号取反 继而生成符合设备需要的高、低电平两组复位信 号，供整个系统使用。复位电路的原理图见图99所示 。 S3C2410处理器片内集成有USB接口，故系 统板只是简单的将此信号引出。
21
图9.8 复位电路原理图
22

9.2.3专用键盘的设计
盘点机的输入信号则采用外接的串口键盘手动输入 和串口条形码扫描仪读入方式。串口键盘为自行设计的， 适合盘点业需要的专用键盘，键盘采用了一款16位低功 耗单片机——MSP430进行管理。 使用盘点机的目的是为了提高盘点效率，对于盘点 人员而言，使用最多的就是扫描仪和键盘。扫描仪上只 有一个按键，使用简单。由于键盘的效率对于提高盘点 的效率非常重要，所以在盘点机系统中设计一款最合适 盘点使用的键盘是提高盘点效率的重要一环。盘点机是 一款便携式设备，键盘不可能做得很大，另一方面为了 便于盘点人员实现盲打，按键的大小不能太小，特别是 频繁使用的按键还应该比计算机标准键盘略大。在这种 情况下，按键的个数就有所限制，经过大量实践，最终 的键盘设计采用了31键的方案。其中字母和数据键在一 般情况下作为数字键使用，配合Shift按键输入字母， 23 图9-10为键盘部分的框图。
第9章开发应用实例
9.1 概述 9.2 物流盘点机硬件系统的设计 9.3 物流盘点机软件系统的设计
1
9.1 概述
随着现代物流业仓储、超市等行业的快速发 展，物品流动的速度越来越快，仓储库存周期也 越来越短。这样物流仓储盘点行业的压力也越来 越大，传统的人工盘点方式已经不能适应现代物 流的发展。为了解决这一问题，国际上一些物流 先进国家已经采用专业的盘点设备 —— 盘点机， 用于物流盘点。 我们在设计时采用了目前流行的嵌入式微处 理器作为系统核心部件。其微处理器选型是采用 韩国三星公司生产的S3C2410微处理器，操作系统 采用了Windows CE .NET 4.2嵌入式操作系统。整 个系统的硬件部分主要分为三个大的模块：核心 板、系统板和专用键盘及 LCD显示器。

同时，为了使用方便，键盘上还设置了系统休眠、 唤醒按键，与键盘接口一起通过排线接入系统板。键盘 所用的控制器为MSP430F149，这是TI公司推出的一种具 有16位RISC结构、超低功耗的工业级混合信号控制器。 这些控制器被设计为可用电池工作，而且可以有很长使 用时间的应用。 CPU 中的 16 个寄存器和常数发生器使 MSP430微控制器能达到最高的代码效率，灵活的时钟源 可以使器件达到最低的功率消耗，数字控制的振荡器 （DCO）可使器件从低功耗模式迅速唤醒，在少于6µs的 时间内激活到活跃的工作方式。程序中使用MSP430F149 的外部中断 I/O 口作为键盘扫描的信号线，经过编码后， 通过片内内置的串口输出到系统板。该芯片在1.8-3.6V 电压， 1MHz 的时钟条件下运行，耗电电流在 0.1-400µA 之间（因不同的工作模式而不同）。 CPU 平时至于节电 模式，按键时触发中断信号， CPU 立即被唤醒，处理完 键盘事件后，CPU再次进入省电模式。
16
图9.6
CS8900网络接口原理图。
17
系 统 采 用 了 一 款 专 用 显 示 器 ——192×64 型 LCD 显示器。该显示器是一种图形点阵液晶显示 器，它主要由行驱动器、列驱动器及 192×64 全 点阵液晶显示器组成。可完成图形显示，也可以 显示 12×4 个 ( 16×16 点阵 ) 汉字，采用 3.3V 电 源供电，与处理器接口采用 8 位并行输入输出数 据总线和8条控制线。S3C2410处理器内部集成了 LCD 控制器，但是该控制器不支持用户选定的显 示器，只能采用其他方式接入该款显示器，实际 采用的是直接挂接到处理器的通用 I/O 口上的方 式。
图9.1b 核心板部分的示意图
核心板是整个系统的核心，集成了盘点机 系统的处理器，SDRAM单元，NAND Flash单 元以及它们所需要的辅助部件
8
图9.1c 核心板PCB图（6层）
9
图9-2 NAND FlashROM的原理图
10
3) SDRAM随机存储器 SDRAM被用来运行操作系统以及各类数据的 缓存，图9-3是核心板 SDRAM 接口部分的原理图， 系统采用两片HY57V561620 16M×16Bit SDRAM芯 片，共同组成32Bit数据宽度，64MB内存。 HY57V561620是一款4Banks×4M×16Bit的 SDRAM芯片，采用3.3V电源供电，比较适合嵌入 式系统。SDRAM与其它的RAM相比，有许多独特的 优点，容量大，功耗低，速度快，最快可以工作 在166MHz频率下，通常存储时间为10ns。在高速 存储系统中SDRAM是必不可少的外部存储设备。 SDRAM通过S3C2410片内的SDRAM控制器来管理， 11 SDRAM挂接在BANK6上。
24

图9-10为键盘部分的框图
4＊８矩 阵键盘
MSP430 F149
串行键 盘接口
25
系统 板图
10M以太网 网卡CS8900
条形码扫描仪 RS232接口
网络传输 RJ45接口
电源模块 MAX603
JTAG调试 接口
键盘 RS232接口
LCD显示器 接口
26

系统的软件系统主要包括嵌入式操作系统选型、定制及裁减、 硬件驱动程序和用户应用程序方面。 9.3.1操作系统的定制与实现 Window CE 具有良好的图形交互界面，便于开发调试上层图形 应用程序，所以本便携式盘点机的操作系统选用了Windows CE。 Microsoft Windows CE .NET 是支持多平台的、可定制的32位嵌 入式操作系统。支持多线程、完全抢占执行和多任务。不仅适用 于工业上的嵌入式设备，同时支持高度便携性的个人计算设备， 如掌上电脑、PDA 和移动通信设备等。Windows CE .NET在设计 上采用完全的模块化结构，可以根据硬件平台和应用目的灵活的 进行定制。对于应用程序的开发者来说，Windows CE .NET 提供 了同 Windows 环境相似的各种开发环境。Microsoft Win32 API、 ActiveX 控件、消息队列、COM 接口、ATL 和MFC，这对于提高 编程者的效率和从其他 Windows 平台上移植成功的应用程序很 有好处。Windows CE .NET 内建了对多媒体、通信（TCP/IP、 SNMP、TAPI 等）和安全的支持，并且提供了Windows 用户熟悉 的常用的应用程序。Windows CE 通过 ActiveSync 实现了目标 27 设备同台式计算机之间的通信。
2

在核心板上集成了微处理器、 64MB SDRAM 和 64MB NAND Flash 模块及部分支持电路。在系统板上设计有 与核心板连接的接口，同时又集成有显示器接口，以 太网接口， USB 接口，串口， CF 卡和 IrDA 条形码扫描 接口等各种外设及以相应的控制部件，另外还有电源 管理与转换等一些附属电路。 31键的专用键盘是采用 超低功耗的 MSP430单片机作为控制器来对键盘进行编 解码，通过自定义的串行键盘口接入系统板。显示部 分是采用192*64 LCD字符型显示器。 本章首先介绍了系统硬件部分设计及工作原理， 在软件部分介绍了 Windows CE操作系统的移植和定制， 驱动程序和支持软件的编制。盘点机除了支持常用的 设备，还需要支持串口条形码扫描仪，CF卡等设备。
图9-3核心板SDRAM部分的原理电路图
12
4）核心板电源 图9-4是核心板电源部分的原理电路图。图中，采用 MIC5207 电源芯片将来自系统板的 3.3V 电压转换为两组 1.8V电压供给处理器内核使用。核心板上还有一些辅助 电路，包括上拉电阻，滤波电容，以及供处理器使用的 主时钟晶振，供外设适用的辅助时钟晶振等，它们一起 构成了ARM的最小硬件系统板。系统所使用的S3C2410处 理器是一款 FBGA 封装的高速处理器，运行时钟频率为 203MHz，这种FBGA封装的高速处理器需要使用多层电路 板设计。本系统核心板工作在高速信号下，为了布线方 便，减少干扰，采用了六层电路板设计，第二层为接地 面，四层为电源面，其他各层为信号层。核心板通过标 准 144 芯 SIMM 插座与母板连接。核心板是一个最小的 ARM9硬件系统板，具有较好的通用性，可以作为不同产 13 品开发设计的基础。