專利名稱：嵌入式測控系統開發平臺的制作方法
專利說明
一、技術領域本實用新型涉及一種基于32位微處理器，開發嵌入式測控系統的嵌入式測控系統開發平臺。
二背景技術：
現有嵌入式系統開發平臺，是主要以學習嵌入式系統軟件為主要目的的通用裝置。該裝置采用單板結構，將32位CPU、存儲器、以太網接口、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，在仿真過程中對硬件測試較為困難；該裝置沒有設計測量控制部件，無法直接進行測量控制應用的開發，限制了嵌入式系統開發平臺在測控領域開發中的應用；該裝置也沒有設計產生實時時間和用于參數存儲的部件，而它們對于一個實用的嵌入式測控系統往往是不可缺少的。
三
發明內容
本實用新型的發明目的在于克服上述背景技術中的不足之處，提供一種基于32位微處理器的嵌入式測控系統開發平臺，它采用CPU核心電路板和外設電路板雙板結構，具有硬件構造的開放性和靈活性，也便于CPU的升級。該裝置設計有測量控制部件，可直接進行測量控制應用的開發，支持嵌入式測控系統的應用開發；該裝置設計有產生實時時間和用于參數存儲的部件，以便于構成一個實用的嵌入式測控系統。
為達到上述目的，本實用新型采用的技術解決方案如下一種基于32位微處理器開發嵌入式測控系統的嵌入式測控系統開發平臺，包括CPU核心模塊、測控模塊、通訊模塊、人機對話設備控制模塊、產生實時時間及用于參數存儲的輔助應用模塊組成。其特征在于采用雙電路板結構，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動態RAM、1M×16閃爍存儲器組成的32位嵌入式基本系統。
上述測控模塊由AD轉換器、DA轉換器、I/O擴展芯片及其外圍電路組成，其中，AD轉換器包括串行AD和并行AD轉換器，DA轉換器是串行DA轉換器，I/O擴展芯片是串行接口I/O擴展芯片。串行AD轉換器、串行DA轉換器和串行接口I/O擴展芯片與CPU的SPI接口相連，并行AD轉換器與CPU的數據總線相連。
上述通訊模塊由以太網接口芯片、RS232串行通訊接口芯片、USB接口芯片以及外圍電路組成。以太網接口芯片的地址總線和數據總線與CPU的地址和數據總線相連，它通過一個隔離變壓器與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的數據總線、地址總線和控制總線相連。
上述人機對話設備控制模塊由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數碼管顯示器和鍵盤。
上述產生實時時間及用于參數存儲的輔助應用模塊使用串行EEPROM芯片，它與CPU的SPI接口相連。
上述CPU核心模塊的數據總線、控制總線連接至包括含放大、變換、輸出驅動等電路的開放式擴展區，其它功能模塊中的模擬量I/O線、數字量I/O線也連接至此擴展區。
與現有技術相比，本實用新型具有的優點和效果如下1提供一種基于32位微處理器的嵌入式測控系統開發平臺，它采用CPU核心電路板和外設電路板雙板結構，具有硬件構造的開放性和靈活性，也便于CPU的升級；2該裝置設計有測量控制部件，可直接進行測量控制應用的開發，支持嵌入式測控系統的應用開發；3該裝置設計有產生實時時間和用于參數存儲的部件，以便于構成一個實用的嵌入式測控系統。
四
圖1 本實用新型的結構示意圖；圖2 本實用新型的結構框圖；圖3 CPU核心模塊電路圖；圖4 CPU核心模塊與其它相互獨立的功能模塊連接圖；
圖5 以太網接口、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測量控制接口電路圖；圖7 16鍵鍵盤和6位LED數碼管顯示電路圖。
五具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步詳細的說明如圖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動態RAM(K4E661612D)、1M×16閃爍存儲器(HY29LV800)組成的32位嵌入式基本系統，它們組成一塊電路板。該單元中固化了嵌入式Linux內核和文件系統，它主要具有管理系統平臺和總線，讀寫功能模塊內容，控制時序等功能。與“MC68EZ328”CPU核心模塊101相連接的測控模塊、通訊模塊、人機對話設備控制模塊、產生實時時間及用于參數存儲的輔助應用模塊等位于另一塊電路板上，包括USB接口單元201，用來連接測控系統的USB外部設備；以太網接口單元202，用來將測控系統連接到內部局域網或外部Internet上；RS232接口單元203，用來對測控系統的軟件進行開發和調試；電源電路204，提供本開發平臺電源；系統擴展區205、207，實現系統輸入被測信號的調理和輸出控制信號的驅動以及各種測量控制任務的擴展；測量控制模塊206；LCD顯示單元208；6位數碼管電路209以及16鍵的鍵盤電路210等主要單元電路。每個單元電路的測量信號輸入端，控制信號輸出端均以接線端子預留，同時數據、地址、控制三總線接入到“MC68EZ328”CPU核心模塊，由CPU對其輸入/輸出進行控制。
圖3 給出了基本系統組成存儲器包括兩片單電源擦寫512K×16位數據寬度的FLASH，共2M字節，占用片選CSA0/CSA1。一片4M×16位數據寬度的EDO DRAM(Extended Data Output DRAM，擴展數據輸出動態存儲器)占用CSC0/CSD0/CSD1。FLASH和DRAM的A0地址線直接選中字地址，應將A0接至MC68EZ328的A1。K4E661612D(EDO DRAM)選址方式為13行×9列，是行列地址分時復用(行地址在前，列地址在后)的，使用13根地址線，即A0-A12，應將它們分別接至MC68EZ328的A1-A13。
圖4 則給出了CPU核心模塊與其它相互獨立的功能模塊連接圖，MC68EZ328是MC68EC000內核32位處理器、智能外設模塊和典型系統接口邏輯的組合。MC68EC000 32位處理器體系結構提供了32位地址線，16位數據線；16個32位的數據和地址寄存器；共四組八個片選信號，片選信號CSA0作為引導設備的片選，用于連接系統引導用ROM或者FLASH。片選信號CSC0、CSC1和CSD0、CSD1可編程為DRAM專用的片選信號，內部有完整的DRAM控制模塊。總線接口信號主要有數據總線16條，地址總線24條，以及專用控制信號，如LCD、SPI、UART等。大多總線信號都與通用的I/O口復用，共有7個多功能可設置的并行端口，所有端口都可以設置內部上拉或者下拉，I/O端口通過內部寄存器編程選擇。
圖5 以太網接口、RS232串行通訊接口及LCD圖形顯示接口電路圖中主要由CS8900A工業用以太網控制器組成10M以太網接口。在BOOTSTRAP模式下該接口用來下載程序，燒寫FLASH；在NORMAL模式下，則可用來進行各種網絡通信。該接口占用了CPU外部中斷5，即IRQ5。MC68EZ328與CS8900A-CQ3的字節序不一樣，前者用Big Endian，后者則用Little Endian(即高字節位于高地址，低字節位于低地址)，電路中通過硬件來實現交換，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字節地址空間，CS8900A的復位端RESET為高電平有效。CS8900A與RJ45網絡插座通過隔離變壓器相連，對于電源3.3V的CS8900A，要求與其匹配的隔離變壓器的扎數比必須為1∶2.5(TXD)和1∶1(RXD)。在RS232串行通訊接口中MAX232芯片完成TTL←→EIA雙向電平轉換，它連接MC68EZ328的UART與DB-9連接器，電路中已經做了收發線交換，可以直接與PC的COM1或COM2口相連，TXD和RXD用于發送和接收數據，CTS和RTS則用于實現串行通訊中的傳輸控制。
LCD顯示模塊采用PDA160160，是一160×160點陣的圖形液晶顯示模塊，采用EL(場致發光)背光，藍綠色，為FSTN白底黑字或黑底白字的顯示形式。MC68EZ328對通用LCD有著良好的支持，無需單獨配備顯示存儲器，數據通過周期性DMA傳輸方式直接從系統內存(即DRAM)中存取，其起始地址在寄存器LSSA(LCD Screen Starting Address)中設定，該電路設置在0×400處，安排在中斷向量表(占據DRAM前1K字節)之后。LCD控制器內的隊列緩沖在DMA時鐘周期內將顯示數據從內存中讀出來，并將其送入光標邏輯模塊。輸入與較快的DMA時鐘同步，而輸出則與相對較慢的LCD像素時鐘同步。圖像存儲模式為1-bit模式，即每個像素占用1位，每字節可存儲8個像素。LCD數據線為4位，LCD顯示模塊共支持16個灰度級，可通過寄存器LGPMR來選用，其中全黑全白兩級必選。LCD的對比度可用8比特PWM(脈沖寬度調制器)來調節。電路中LCD與MC68EZ328通過一個18線的帶狀電纜插座相連接。其各引腳的定義為1)GND(VSS)信號地；2)LFLM(FLM)LCD幀起始標識信號，即幀脈沖，直接從CPU引出；3)LLP(CL1)數據鎖存脈沖，即行脈沖，低跳變時有效，直接從CPU引出；4)LCLK(CL2)數據移位脈沖，即位脈沖，低跳變時有效，直接從CPU引出；5)LACD(M)液晶電極極性翻轉信號；6)3.3V(VDD)邏輯電源；7)EL-ONEL背光開關信號，接PDO，并通過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LCD數據線；10)LD2(D2)；11)LD1(D1)；12)LDO(D0)；13)LEFT(TP_L)觸摸屏左移信號；14)UPPER(TP_U)觸摸屏上移信號；15)RIGHT(TP_R)觸摸屏右移信號；16)DOWN(TP_D)觸摸屏下移信號；17)GND(VSS)信號地；18)GND(VSS)信號地。
圖6 A/D、D/A、I/O及EEPROM測量控制模塊電路，由SPI器件串行ADC(AD7706)、串行DAC(AD5320)、串行EEPROM(X5045)、串行I/O擴展芯片(MAX6957)和并行ADC(AD7492)組成本平臺的測量控制模塊。AD7706是用于低頻測量的3通道16位串行A/D轉換器。它利用∑-Δ技術，可以直接接收來自傳感器的低電平信號，然后產生串行數字輸出。AD5320是微功耗滿幅度12位串行D/A轉換器。它的串行時鐘速率可高達30MHZ，由電源電壓作為基準，可提供最寬的動態輸出范圍。AD7492是低功耗單通道12位高速并行A/D轉換器。它的轉換速率可高達1.25MSPS，使用內部基準電壓和內部時鐘，優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包含三個功能看門狗時鐘，電壓管理和EEPROM。MAX6957帶有20/28個GPIO端口，每個端口可被設置為輸入口、輸出口或用作共陽極LED的段驅動。可方便的用于I/O口的擴展。根據SPI協議，當/CS為高電平時，即SPI芯片未選中時，其輸出端必須處于高阻態，否則多個SPI芯片不能協調工作。對于沒有三態輸出控制的SPI芯片，必須專門設計三態緩沖電路，圖6中由于SPI芯片MAX6957內部不帶三態門，它的Dout端經過三態門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，它最多可驅動16個7段(或8個14段/16段)單色共陰極LED。它還帶有5根I/O擴展線，最多可接32個鍵(4行×8列鍵盤)。串行時鐘速率可高達26MHZ。圖7電路中擴展了6位數碼管和16鍵鍵盤，如同圖6中的SPI芯片MAX6957，MAX6954是沒有三態輸出控制的SPI芯片，其Dout端經過74LS125三態門與MC68EZ328的SRXD相接。
本實用新型可支持的開發項目有(1)存儲器擴展；(2)SPI總線器件擴展；(3)并行A/D(AD7492)擴展；(4)串行→并行I/O擴展；(5)USB接口擴展；(6)LCD圖形用戶界面擴展；(7)LED數碼管電路、鍵盤電路擴展；(8)引導裝載程序設計；(9)驅動程序設計；(10)應用程序設計。以測量控制模塊中D/A轉換輸出的實現為例，AD5320是單通道12位電壓輸出數/模轉換器，它采用3線串行接口，可以與SPI接口兼容。AD5320僅包含6個引腳，與串行接口相關的有DIN(串行數據輸入端)、SCLK(串行時鐘輸入端)、SYNC(輸入控制端，低電平有效，相當于片選)。AD5320的內部帶有一個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)、D11-D0是要轉換的數據。只能對AD5320進行寫操作，用MC68EZ328的標準SPI接口擴展AD5320，參見圖6，其基本操作過程是MC68EZ328片選初始化，AD5320的片選有效，打開并設置MC68EZ328的SPI控制器，MC68EZ328將要轉換的數據通過SPI接口傳送給AD5320，AD5320的片選無效，關閉MC68EZ328的SPI控制器，AD5320經數/模轉換后輸出與該數據對應的電壓量。
權利要求1.一種嵌入式測控系統開發平臺，包括CPU核心模塊、測控模塊、通訊模塊、人機對話設備控制模塊、產生實時時間及用于參數存儲的輔助應用模塊，其特征在于采用雙電路板結構，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動態RAM、1M×16閃爍存儲器組成的32位嵌入式基本系統；上述測控模塊由AD轉換器、DA轉換器、I/O擴展芯片及其外圍電路組成，其中，AD轉換器包括串行AD和并行AD轉換器，DA轉換器是串行DA轉換器，I/O擴展芯片是串行接口I/O擴展芯片，串行AD轉換器、串行DA轉換器和串行接口I/O擴展芯片與CPU的SPI接口相連，并行AD轉換器與CPU的數據總線相連；上述通訊模塊由以太網接口芯片、RS232串行通訊接口芯片、USB接口芯片以及外圍電路組成，以太網接口芯片的地址總線和數據總線與CPU的地址和數據總線相連，它通過一個隔離變壓器與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的數據總線、地址總線和控制總線相連；上述人機對話設備控制模塊由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數碼管顯示器和鍵盤；上述產生實時時間及用于參數存儲的輔助應用模塊使用串行EEPROM芯片，它與CPU的SPI接口相連。
專利摘要本實用新型涉及一種基于32位微處理器開發嵌入式測控系統的嵌入式測控系統開發平臺。它采用CPU核心電路板和外設電路板雙板結構，具有硬件構造的開放性和靈活性，并為應用軟件提供了充分的可設計空間。硬件框架由CPU核心模塊和與CPU核心模塊相連的相互獨立的功能模塊組成。這些功能模塊包括測控模塊、通訊模塊、人機對話設備控制模塊、產生實時時間和用于參數存儲的輔助應用模塊等。另外設計了包括放大、變換、輸出驅動等電路的開放式擴展區，用于系統與前端傳感器信號和后端輸出設備匹配等用途的進一步電路擴展。
文檔編號G06F13/10GK2671026SQ0327944
公開日2005年1月12日 申請日期2003年9月23日 優先權日2003年9月23日
發明者王欣, 羅小彬, 陳家勝 申請人:南京師范大學