專利名稱：嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)的制作方法
專利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種基于32位微處理器，開(kāi)發(fā)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。
二背景技術(shù)：
現(xiàn)有嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是主要以學(xué)習(xí)嵌入式系統(tǒng)軟件為主要目的的通用裝置。該裝置采用單板結(jié)構(gòu)，將32位CPU、存儲(chǔ)器、以太網(wǎng)接口、RS232串行通訊接口、USB接口等集成在一塊電路板上。因電路板面積小、集成的器件多，在仿真過(guò)程中對(duì)硬件測(cè)試較為困難；該裝置沒(méi)有設(shè)計(jì)測(cè)量控制部件，無(wú)法直接進(jìn)行測(cè)量控制應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，限制了嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)在測(cè)控領(lǐng)域開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用；該裝置也沒(méi)有設(shè)計(jì)產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間和用于參數(shù)存儲(chǔ)的部件，而它們對(duì)于一個(gè)實(shí)用的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)往往是不可缺少的。
三
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的發(fā)明目的在于克服上述背景技術(shù)中的不足之處，提供一種基于32位微處理器的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它采用CPU核心電路板和外設(shè)電路板雙板結(jié)構(gòu)，具有硬件構(gòu)造的開(kāi)放性和靈活性，也便于CPU的升級(jí)。該裝置設(shè)計(jì)有測(cè)量控制部件，可直接進(jìn)行測(cè)量控制應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，支持嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)；該裝置設(shè)計(jì)有產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間和用于參數(shù)存儲(chǔ)的部件，以便于構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)。
為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)解決方案如下一種基于32位微處理器開(kāi)發(fā)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括CPU核心模塊、測(cè)控模塊、通訊模塊、人機(jī)對(duì)話設(shè)備控制模塊、產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間及用于參數(shù)存儲(chǔ)的輔助應(yīng)用模塊組成。其特征在于采用雙電路板結(jié)構(gòu)，CPU核心模塊為一塊電路板，其它模塊在另一塊電路板上。
上述CPU核心模塊是由32位微處理器、4M×16動(dòng)態(tài)RAM、1M×16閃爍存儲(chǔ)器組成的32位嵌入式基本系統(tǒng)。
上述測(cè)控模塊由AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器、I/O擴(kuò)展芯片及其外圍電路組成，其中，AD轉(zhuǎn)換器包括串行AD和并行AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器是串行DA轉(zhuǎn)換器，I/O擴(kuò)展芯片是串行接口I/O擴(kuò)展芯片。串行AD轉(zhuǎn)換器、串行DA轉(zhuǎn)換器和串行接口I/O擴(kuò)展芯片與CPU的SPI接口相連，并行AD轉(zhuǎn)換器與CPU的數(shù)據(jù)總線相連。
上述通訊模塊由以太網(wǎng)接口芯片、RS232串行通訊接口芯片、USB接口芯片以及外圍電路組成。以太網(wǎng)接口芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線與CPU的地址和數(shù)據(jù)總線相連，它通過(guò)一個(gè)隔離變壓器與RJ45連接器相連。RS232串行通訊接口芯片連接CPU的UART端口與DB-9連接器。USB接口芯片與CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線相連。
上述人機(jī)對(duì)話設(shè)備控制模塊由18線的LCD顯示器和LED顯示鍵盤接口芯片組成。LCD顯示器的引腳與CPU的LCD控制器端口相連。LED顯示鍵盤接口芯片的一端接至CPU的SPI接口，另一端連接LED數(shù)碼管顯示器和鍵盤。
上述產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間及用于參數(shù)存儲(chǔ)的輔助應(yīng)用模塊使用串行EEPROM芯片，它與CPU的SPI接口相連。
上述CPU核心模塊的數(shù)據(jù)總線、控制總線連接至包括含放大、變換、輸出驅(qū)動(dòng)等電路的開(kāi)放式擴(kuò)展區(qū)，其它功能模塊中的模擬量I/O線、數(shù)字量I/O線也連接至此擴(kuò)展區(qū)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有的優(yōu)點(diǎn)和效果如下1提供一種基于32位微處理器的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它采用CPU核心電路板和外設(shè)電路板雙板結(jié)構(gòu)，具有硬件構(gòu)造的開(kāi)放性和靈活性，也便于CPU的升級(jí)；2該裝置設(shè)計(jì)有測(cè)量控制部件，可直接進(jìn)行測(cè)量控制應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，支持嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)；3該裝置設(shè)計(jì)有產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間和用于參數(shù)存儲(chǔ)的部件，以便于構(gòu)成一個(gè)實(shí)用的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)。
四

圖1 本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2 本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；圖3 CPU核心模塊電路圖；圖4 CPU核心模塊與其它相互獨(dú)立的功能模塊連接圖；
圖5 以太網(wǎng)接口、RS232串行通訊接口及LCD圖形顯示接口電路圖；圖6 A/D、D/A、I/O及EEPROM測(cè)量控制接口電路圖；圖7 16鍵鍵盤和6位LED數(shù)碼管顯示電路圖。
五具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明如圖1和圖2，以“MC68EZ328”為中心的CPU核心模塊101是由32位微處理器(MC68EZ328或MC68VZ328)、4M×16動(dòng)態(tài)RAM(K4E661612D)、1M×16閃爍存儲(chǔ)器(HY29LV800)組成的32位嵌入式基本系統(tǒng)，它們組成一塊電路板。該單元中固化了嵌入式Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)，它主要具有管理系統(tǒng)平臺(tái)和總線，讀寫功能模塊內(nèi)容，控制時(shí)序等功能。與“MC68EZ328”CPU核心模塊101相連接的測(cè)控模塊、通訊模塊、人機(jī)對(duì)話設(shè)備控制模塊、產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間及用于參數(shù)存儲(chǔ)的輔助應(yīng)用模塊等位于另一塊電路板上，包括USB接口單元201，用來(lái)連接測(cè)控系統(tǒng)的USB外部設(shè)備；以太網(wǎng)接口單元202，用來(lái)將測(cè)控系統(tǒng)連接到內(nèi)部局域網(wǎng)或外部Internet上；RS232接口單元203，用來(lái)對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)和調(diào)試；電源電路204，提供本開(kāi)發(fā)平臺(tái)電源；系統(tǒng)擴(kuò)展區(qū)205、207，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輸入被測(cè)信號(hào)的調(diào)理和輸出控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)以及各種測(cè)量控制任務(wù)的擴(kuò)展；測(cè)量控制模塊206；LCD顯示單元208；6位數(shù)碼管電路209以及16鍵的鍵盤電路210等主要單元電路。每個(gè)單元電路的測(cè)量信號(hào)輸入端，控制信號(hào)輸出端均以接線端子預(yù)留，同時(shí)數(shù)據(jù)、地址、控制三總線接入到“MC68EZ328”CPU核心模塊，由CPU對(duì)其輸入/輸出進(jìn)行控制。
圖3 給出了基本系統(tǒng)組成存儲(chǔ)器包括兩片單電源擦寫512K×16位數(shù)據(jù)寬度的FLASH，共2M字節(jié)，占用片選CSA0/CSA1。一片4M×16位數(shù)據(jù)寬度的EDO DRAM(Extended Data Output DRAM，擴(kuò)展數(shù)據(jù)輸出動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器)占用CSC0/CSD0/CSD1。FLASH和DRAM的A0地址線直接選中字地址，應(yīng)將A0接至MC68EZ328的A1。K4E661612D(EDO DRAM)選址方式為13行×9列，是行列地址分時(shí)復(fù)用(行地址在前，列地址在后)的，使用13根地址線，即A0-A12，應(yīng)將它們分別接至MC68EZ328的A1-A13。
圖4 則給出了CPU核心模塊與其它相互獨(dú)立的功能模塊連接圖，MC68EZ328是MC68EC000內(nèi)核32位處理器、智能外設(shè)模塊和典型系統(tǒng)接口邏輯的組合。MC68EC000 32位處理器體系結(jié)構(gòu)提供了32位地址線，16位數(shù)據(jù)線；16個(gè)32位的數(shù)據(jù)和地址寄存器；共四組八個(gè)片選信號(hào)，片選信號(hào)CSA0作為引導(dǎo)設(shè)備的片選，用于連接系統(tǒng)引導(dǎo)用ROM或者FLASH。片選信號(hào)CSC0、CSC1和CSD0、CSD1可編程為DRAM專用的片選信號(hào)，內(nèi)部有完整的DRAM控制模塊?？偩€接口信號(hào)主要有數(shù)據(jù)總線16條，地址總線24條，以及專用控制信號(hào)，如LCD、SPI、UART等。大多總線信號(hào)都與通用的I/O口復(fù)用，共有7個(gè)多功能可設(shè)置的并行端口，所有端口都可以設(shè)置內(nèi)部上拉或者下拉，I/O端口通過(guò)內(nèi)部寄存器編程選擇。
圖5 以太網(wǎng)接口、RS232串行通訊接口及LCD圖形顯示接口電路圖中主要由CS8900A工業(yè)用以太網(wǎng)控制器組成10M以太網(wǎng)接口。在BOOTSTRAP模式下該接口用來(lái)下載程序，燒寫FLASH；在NORMAL模式下，則可用來(lái)進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)通信。該接口占用了CPU外部中斷5，即IRQ5。MC68EZ328與CS8900A-CQ3的字節(jié)序不一樣，前者用Big Endian，后者則用Little Endian(即高字節(jié)位于高地址，低字節(jié)位于低地址)，電路中通過(guò)硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)交換，即MC68EZ328的D8-D15接CS8900A的SDO-SD7，MC68EZ328的D0-D7接CS8900A的SD8-SD15。CS8900A映射至20位地址空間，限制在1M字節(jié)地址空間，CS8900A的復(fù)位端RESET為高電平有效。CS8900A與RJ45網(wǎng)絡(luò)插座通過(guò)隔離變壓器相連，對(duì)于電源3.3V的CS8900A，要求與其匹配的隔離變壓器的扎數(shù)比必須為1∶2.5(TXD)和1∶1(RXD)。在RS232串行通訊接口中MAX232芯片完成TTL←→EIA雙向電平轉(zhuǎn)換，它連接MC68EZ328的UART與DB-9連接器，電路中已經(jīng)做了收發(fā)線交換，可以直接與PC的COM1或COM2口相連，TXD和RXD用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，CTS和RTS則用于實(shí)現(xiàn)串行通訊中的傳輸控制。
LCD顯示模塊采用PDA160160，是一160×160點(diǎn)陣的圖形液晶顯示模塊，采用EL(場(chǎng)致發(fā)光)背光，藍(lán)綠色，為FSTN白底黑字或黑底白字的顯示形式。MC68EZ328對(duì)通用LCD有著良好的支持，無(wú)需單獨(dú)配備顯示存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)通過(guò)周期性DMA傳輸方式直接從系統(tǒng)內(nèi)存(即DRAM)中存取，其起始地址在寄存器LSSA(LCD Screen Starting Address)中設(shè)定，該電路設(shè)置在0×400處，安排在中斷向量表(占據(jù)DRAM前1K字節(jié))之后。LCD控制器內(nèi)的隊(duì)列緩沖在DMA時(shí)鐘周期內(nèi)將顯示數(shù)據(jù)從內(nèi)存中讀出來(lái)，并將其送入光標(biāo)邏輯模塊。輸入與較快的DMA時(shí)鐘同步，而輸出則與相對(duì)較慢的LCD像素時(shí)鐘同步。圖像存儲(chǔ)模式為1-bit模式，即每個(gè)像素占用1位，每字節(jié)可存儲(chǔ)8個(gè)像素。LCD數(shù)據(jù)線為4位，LCD顯示模塊共支持16個(gè)灰度級(jí)，可通過(guò)寄存器LGPMR來(lái)選用，其中全黑全白兩級(jí)必選。LCD的對(duì)比度可用8比特PWM(脈沖寬度調(diào)制器)來(lái)調(diào)節(jié)。電路中LCD與MC68EZ328通過(guò)一個(gè)18線的帶狀電纜插座相連接。其各引腳的定義為1)GND(VSS)信號(hào)地；2)LFLM(FLM)LCD幀起始標(biāo)識(shí)信號(hào)，即幀脈沖，直接從CPU引出；3)LLP(CL1)數(shù)據(jù)鎖存脈沖，即行脈沖，低跳變時(shí)有效，直接從CPU引出；4)LCLK(CL2)數(shù)據(jù)移位脈沖，即位脈沖，低跳變時(shí)有效，直接從CPU引出；5)LACD(M)液晶電極極性翻轉(zhuǎn)信號(hào)；6)3.3V(VDD)邏輯電源；7)EL-ONEL背光開(kāi)關(guān)信號(hào)，接PDO，并通過(guò)10K電阻接地；8)LCD-VEELCD電源，由配套的電源模塊提供(-14.5V左右)；9)LD3(D3)以下四位為L(zhǎng)CD數(shù)據(jù)線；10)LD2(D2)；11)LD1(D1)；12)LDO(D0)；13)LEFT(TP_L)觸摸屏左移信號(hào)；14)UPPER(TP_U)觸摸屏上移信號(hào)；15)RIGHT(TP_R)觸摸屏右移信號(hào)；16)DOWN(TP_D)觸摸屏下移信號(hào)；17)GND(VSS)信號(hào)地；18)GND(VSS)信號(hào)地。
圖6 A/D、D/A、I/O及EEPROM測(cè)量控制模塊電路，由SPI器件串行ADC(AD7706)、串行DAC(AD5320)、串行EEPROM(X5045)、串行I/O擴(kuò)展芯片(MAX6957)和并行ADC(AD7492)組成本平臺(tái)的測(cè)量控制模塊。AD7706是用于低頻測(cè)量的3通道16位串行A/D轉(zhuǎn)換器。它利用∑-Δ技術(shù)，可以直接接收來(lái)自傳感器的低電平信號(hào)，然后產(chǎn)生串行數(shù)字輸出。AD5320是微功耗滿幅度12位串行D/A轉(zhuǎn)換器。它的串行時(shí)鐘速率可高達(dá)30MHZ，由電源電壓作為基準(zhǔn)，可提供最寬的動(dòng)態(tài)輸出范圍。AD7492是低功耗單通道12位高速并行A/D轉(zhuǎn)換器。它的轉(zhuǎn)換速率可高達(dá)1.25MSPS，使用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓和內(nèi)部時(shí)鐘，優(yōu)化了印刷電路板空間。X5045是512K×8位可編程EEPROM，可與三線SPI接口兼容。一片X5045包含三個(gè)功能看門狗時(shí)鐘，電壓管理和EEPROM。MAX6957帶有20/28個(gè)GPIO端口，每個(gè)端口可被設(shè)置為輸入口、輸出口或用作共陽(yáng)極LED的段驅(qū)動(dòng)?？煞奖愕挠糜贗/O口的擴(kuò)展。根據(jù)SPI協(xié)議，當(dāng)/CS為高電平時(shí)，即SPI芯片未選中時(shí)，其輸出端必須處于高阻態(tài)，否則多個(gè)SPI芯片不能協(xié)調(diào)工作。對(duì)于沒(méi)有三態(tài)輸出控制的SPI芯片，必須專門設(shè)計(jì)三態(tài)緩沖電路，圖6中由于SPI芯片MAX6957內(nèi)部不帶三態(tài)門，它的Dout端經(jīng)過(guò)三態(tài)門74LS125再與MC68EZ328的SRXD相接，而AD7706則可直接連接。
圖7 16鍵鍵盤和6位LED數(shù)碼顯示電路圖，MAX6954是串行LED顯示和鍵盤接口電路，它最多可驅(qū)動(dòng)16個(gè)7段(或8個(gè)14段/16段)單色共陰極LED。它還帶有5根I/O擴(kuò)展線，最多可接32個(gè)鍵(4行×8列鍵盤)。串行時(shí)鐘速率可高達(dá)26MHZ。圖7電路中擴(kuò)展了6位數(shù)碼管和16鍵鍵盤，如同圖6中的SPI芯片MAX6957，MAX6954是沒(méi)有三態(tài)輸出控制的SPI芯片，其Dout端經(jīng)過(guò)74LS125三態(tài)門與MC68EZ328的SRXD相接。
本實(shí)用新型可支持的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目有(1)存儲(chǔ)器擴(kuò)展；(2)SPI總線器件擴(kuò)展；(3)并行A/D(AD7492)擴(kuò)展；(4)串行→并行I/O擴(kuò)展；(5)USB接口擴(kuò)展；(6)LCD圖形用戶界面擴(kuò)展；(7)LED數(shù)碼管電路、鍵盤電路擴(kuò)展；(8)引導(dǎo)裝載程序設(shè)計(jì)；(9)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)；(10)應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。以測(cè)量控制模塊中D/A轉(zhuǎn)換輸出的實(shí)現(xiàn)為例，AD5320是單通道12位電壓輸出數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它采用3線串行接口，可以與SPI接口兼容。AD5320僅包含6個(gè)引腳，與串行接口相關(guān)的有DIN(串行數(shù)據(jù)輸入端)、SCLK(串行時(shí)鐘輸入端)、SYNC(輸入控制端，低電平有效，相當(dāng)于片選)。AD5320的內(nèi)部帶有一個(gè)16位的輸入移位寄存器D15和D14任意、D13和D12是工作方式選擇位(00是正常方式，01和10是掉電方式，11是三態(tài))、D11-D0是要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。只能對(duì)AD5320進(jìn)行寫操作，用MC68EZ328的標(biāo)準(zhǔn)SPI接口擴(kuò)展AD5320，參見(jiàn)圖6，其基本操作過(guò)程是MC68EZ328片選初始化，AD5320的片選有效，打開(kāi)并設(shè)置MC68EZ328的SPI控制器，MC68EZ328將要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI接口傳送給AD5320，AD5320的片選無(wú)效，關(guān)閉MC68EZ328的SPI控制器，AD5320經(jīng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換后輸出與該數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的電壓量。
權(quán)利要求1.一種嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括CPU核心模塊、測(cè)控模塊、通訊模塊、人機(jī)對(duì)話設(shè)備控制模塊、產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間及用于參數(shù)存儲(chǔ)的輔助應(yīng)用模塊，其特征在于采用雙電路板結(jié)構(gòu)，CPU核心模塊為一塊電路板，其它模塊在另一塊電路板上；上述CPU核心模塊是由32位微處理器、4M×16動(dòng)態(tài)RAM、1M×16閃爍存儲(chǔ)器組成的32位嵌入式基本系統(tǒng)；上述測(cè)控模塊由AD轉(zhuǎn)換器、DA轉(zhuǎn)換器、I/O擴(kuò)展芯片及其外圍電路組成，其中，AD轉(zhuǎn)換器包括串行AD和并行AD轉(zhuǎn)換器，DA轉(zhuǎn)換器是串行DA轉(zhuǎn)換器，I/O擴(kuò)展芯片是串行接口I/O擴(kuò)展芯片，串行AD轉(zhuǎn)換器、串行DA轉(zhuǎn)換器和串行接口I/O擴(kuò)展芯片與CPU的SPI接口相連，并行AD轉(zhuǎn)換器與CPU的數(shù)據(jù)總線相連；上述通訊模塊由以太網(wǎng)接口芯片、RS232串行通訊接口芯片、USB接口芯片以及外圍電路組成，以太網(wǎng)接口芯片的地址總線和數(shù)據(jù)總線與CPU的地址和數(shù)據(jù)總線相連，它通過(guò)一個(gè)隔離變壓器與RJ45連接器相連，RS232串行通訊接口芯片連接CPU的UART端口與DB-9連接器，USB接口芯片與CPU的數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線相連；上述人機(jī)對(duì)話設(shè)備控制模塊由18線的LCD顯示器和LED顯示鍵盤接口芯片組成，LCD顯示器的引腳與CPU的LCD控制器端口相連，LED顯示鍵盤接口芯片的一端接至CPU的SPI接口，另一端連接LED數(shù)碼管顯示器和鍵盤；上述產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間及用于參數(shù)存儲(chǔ)的輔助應(yīng)用模塊使用串行EEPROM芯片，它與CPU的SPI接口相連。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于32位微處理器開(kāi)發(fā)嵌入式測(cè)控系統(tǒng)的嵌入式測(cè)控系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。它采用CPU核心電路板和外設(shè)電路板雙板結(jié)構(gòu)，具有硬件構(gòu)造的開(kāi)放性和靈活性，并為應(yīng)用軟件提供了充分的可設(shè)計(jì)空間。硬件框架由CPU核心模塊和與CPU核心模塊相連的相互獨(dú)立的功能模塊組成。這些功能模塊包括測(cè)控模塊、通訊模塊、人機(jī)對(duì)話設(shè)備控制模塊、產(chǎn)生實(shí)時(shí)時(shí)間和用于參數(shù)存儲(chǔ)的輔助應(yīng)用模塊等。另外設(shè)計(jì)了包括放大、變換、輸出驅(qū)動(dòng)等電路的開(kāi)放式擴(kuò)展區(qū)，用于系統(tǒng)與前端傳感器信號(hào)和后端輸出設(shè)備匹配等用途的進(jìn)一步電路擴(kuò)展。
文檔編號(hào)G06F13/10GK2671026SQ0327944
公開(kāi)日2005年1月12日 申請(qǐng)日期2003年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月23日
發(fā)明者王欣, 羅小彬, 陳家勝 申請(qǐng)人:南京師范大學(xué)