（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于嵌入式linux智能遙控器系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì).pdf

江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 紅外遙控仍然是現(xiàn)今家用電器的主流控制方式，但一對一的遙控和完 全鍵盤的操作方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代家庭的家電控制需求，對可以存儲多 種遙控器代碼或者能進(jìn)行代碼學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)家電控制的多功能遙控器的研究一 直以來是遙控器開發(fā)的趨勢。為進(jìn)一步滿足現(xiàn)代家庭的家電控制需求，與 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)結(jié)合，開發(fā)具有自學(xué)習(xí)紅外遙控代碼功能帶有l(wèi) c d 觸摸 屏遙控器具有一定的實(shí)用意義。 通過對遙控器的深入研究，提出了基于嵌入式l i n u x 的智能遙控器系 統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)硬件平臺采用a r m 體系結(jié)構(gòu)的$ 3 c 2 4 1 0 a 處理器，根據(jù)系 統(tǒng)需求設(shè)計(jì)存儲器電路和系統(tǒng)通信電路以及人機(jī)接口電路。系統(tǒng)軟件平臺 采用嵌入式l i n u x 系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了紅外功能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用軟件。論文著重研究 了幾個方面：嵌入式l i n u x 系統(tǒng)基于紅外功能的移植，主要包括建立交叉 開發(fā)環(huán)境、移植b o o t l o a d e r 、l i n u x 2 6 內(nèi)核的配置和針對目標(biāo)板的移植、 根文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與移植；對紅外控制信號學(xué)習(xí)過程進(jìn)行了深入的研究，詳 細(xì)分析了紅外通信編程，設(shè)計(jì)了基于網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動的紅外器件z h x i o i o 的 驅(qū)動程序、紅外控制信號的學(xué)習(xí)子程序、接收來自用戶的觸摸屏按鍵控制 請求和發(fā)送相應(yīng)紅外控制信號控制紅外設(shè)備的控制程序；深入研究了 o t e m b e d d e d ，設(shè)計(jì)了遙控器系統(tǒng)的嵌入式g u i 和觸摸屏驅(qū)動程序。在完成 系統(tǒng)各項(xiàng)的設(shè)計(jì)后，對系統(tǒng)軟硬件集成應(yīng)用進(jìn)行了測試。 在本課題的軟硬件環(huán)境下，對各相關(guān)程序進(jìn)行了必要的測試分析。測 試結(jié)果表明：系統(tǒng)與主機(jī)通信順利；紅外驅(qū)動在系統(tǒng)開啟時可以正確有效的 驅(qū)動紅外器件；紅外代碼學(xué)習(xí)和遙控功能都能正確實(shí)現(xiàn)，界面相對友好。 系統(tǒng)還可以根據(jù)需要對軟件進(jìn)行二次開發(fā)，增加其他的娛樂功能，市場應(yīng) 用前景較好。 關(guān)鍵詞：嵌入式l i n u x ，紅外通信，$ 3 c 2 410 a ，驅(qū)動程序，q t e m b e d d e d 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t i n f r a r e dr e m o t ec o n t r o li ss t i l lt h em a i nw a yt oc o n t r o lt h ec u n e n th o m ee l e c t r i c a p p l i a n c e b u to n er e m o t ec o n t r o l l e rc 鋤o n l yc o n t r o lo n ea p p l i a n c ea n d1 1 8 0t h ek e y b o a r d c o m p l e t e l y i tc a n ta d a p tt h ea p p l i c a t i o nr e q u e s to fc u r r e n tf a m i l y s ot h ei n v e s t i g a t i o nt o d e v e l o pak i n do fi n f r a r e dr e m o t ec o n t r o l l e rw h i c hc a ns a v em a n ym a n i f o i di n f r a r e dc o d e0 1 c a nl e a r nt h ei n f r a r e dc o d eo ft h eo t h e rr e m o t ec o n t r o l l e ri sa l w a y st h ee m p h a s i sa n dt r e n do f t h er e m o t ec o n t r o l l e rd e v e l o p m e n t i no r d e rt os a t i s f yt h en e e do ft h ec u r r e n tf a m i l y , i ti s a d v a n t a g e o u st od e v e l o pt h er e m o t ec o n t r o l l e rb a s e do ne m b e d d e dl i n u xw i ll c d t o u c h s c t e e nw h i c hc a nl e a r nt h ei n f r a r e dc o d eo ft h eo t h e rr e m o t ec o n t r o l l e ri t s e l f t h r o u g hi n d e p t hs t u d y i n gi nt h em u l t i f u n c t i o n a lr e m o t ec o n t r o l l e r , t h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dt h ed e s i g no ft h ei n t e l l i g e n tr e m o t ec o n t r o l l e rs y s t e mb a s eo ne m b e d d e dl i n u x i nt h e s y s t e m h a r d w a r ep l a t f o r mw a sb a s e do na r ms 3 c 2 4 1 0 am p u t h ep e r i p h e r a lm o d u l e s e x p a n d i n gf o rt h es y s t e ma r em e m o r i z e rm o d u l e ，s y s t e mc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dt h e i n t e r f a c em o d u l ef o rp e o p l et ou s et h ec o n t r o l l e r s o f t w a r ep l a t f 0 1 t nw a so nt h eb a s i so f e m b e d d e dl i n u x t h ee m p h a s e so ft h ep a p e ra r et h ef o l l o wf i e l d t h er e p l a n t a t i o no f e m b e d d e dl i n u xw i t hi n f r a r e d p r o t o c o l s t a c ki n c l u d e s ：c o n s t r u c t i n g c r o s s d e v e l o p i n g s o f t w a r ea n dh a r d w a r ee n v i r o n m e n tf o rt h i ss u b j e c t ；c o m p i l i n gc r o s s - d e v e l o p i n gt o o lc h a i n f o ra r mb a s e do n “c r o s s t o o l ”：a n a l y z i n gb o o t l o a d e r ss t a r t u pp r o c e s s ，t r a n s p l a n ti t ： t a k i n gl i n u x2 6 13a si n s t a n c ea n dr 印l a n t i n gl i n u xk e r n e lt os 3 c 2 4 10 aa f t e re x p l a i n i n g t h e o r e t i c a l l yt h ep r o c e s so fl i n u xt r a n s p l a n t ，m a k i n gl i n u x2 6k e r n e lw o r kn o r m a l l yo nt h e h a r d w a r ep l a t f o r mf o rt h i ss u b j e c t ；i n t r o d u c i n gt h es t r u c t u r eo fl i n u xr o o tf i l es y s t e ma n dt h e f h ss t a n d a r dt h a tl i n u xr o o tf i l es y s t e ms h o u l db ec o m p l i e d , p r e s e n t i n gv a r i o u st y p eo f l i n u xf i l es y s t e me s p e c i a lt h et y p eb e f i t t i n gt h ee m b e d d e ds y s t e m , s t a t i n gd e t a i l e d l yt h e m e t h o d sa n ds t e p st oc r e a t el i n u xr o o tf i l es y s t e m b a s e do na n a l y z i n gt h ei n f r a r e d c o m m u n i c a t i o n sp r o g r a m m i n ga n ds t u d y i n gt h ep r o c e s so ft h ei n f r a r e dc o n t r o l l e rw a y s e l f - l e a r n i n gi n - d e p t h ，i td e s i g n si rs e l f - l e a r n i n gp r o g r a m m e ，t h em o n i t o r i n gp r o g r a m m e w h i c hr e c e i y e st h ec o n t r o lr e q u e s tf r o me m b e d d e dc l i e n ta n ds e n d so u tr e l e v a n ti n f r a r e d c o n t r o ls i g n a lt oc o n t r o li n f r a r e dd e v i c e i td e s i g n st h ee m b e d d e dg u ia n dd r i v e ro ft o u c h s c r e e nt h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h eq t e m b e d d e d a f t e rf o r m i n ga ne n t i r ee m b e d d e dl i n u x s y s t e mp l a t f o r m ，t h ep a p e rt e s t st h et e a m w o r kw o r ko ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r m f i n a l l y , t h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mp l a t f o r ma n dt h ep r o g r a mt oc a p t u r ea n dc o m p r e s s v i d e oa r et e s t e d 。碭et a s k sa b o u tt h i sp a p e ra r ec o n c l u d e d , a n dd i s c u s s i n gt h eq u e s t i o n sn o t y e tb es o l v e di nt h i ss c h e m ea n ds e v e r a lr e s e a r c hd i r e c t i o n st oi m p r o v et h i ss c h e m e t h et e s t r e s u l t sf o rt h es y s t e r ns h o wt h a tt h ec o m m u n i c a t i o no ft h ea i m b o a r da n dt h eh o s ti sa l lr i g h t ； t h ed r i v e ro fz h x l0 10c a nb eu s i n gc o r r e c t l ya f t e rs y s t e mi ss t a r t ：i n f r a r e ds e l f - l e a r na n d r e m o t ec o n t r o l l i n gc a nb er e a l i z ee f f e c t i v e t h ei n t e r f a c ef o rc l i e n ti sf r i e n d l y i ti sa l s oc a n d e v e l o pa g a i nf o ro t h e re n t e r t a i n m e n tn e e d ，s ot h ef o r e g r o u n df o rf a m i l ya p p l i c a t i o ni sg o o d k e yw o r d s ：e m b e d d e dl i n u x ，i n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ，$ 3 c 2 4 10 a ，d r i v e r , q t e m b e d d e d n 江蘇大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué) 校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查 閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部內(nèi)容或部分內(nèi)容編入 有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本 學(xué)位論文。 保密口在年解密后適用本授權(quán)書。 本學(xué)位論文屬于 不保密 學(xué)位論文作者簽名：主弛氏 導(dǎo)師簽名： 降屑 簽字日期：文部年男月弓j 日簽字日期：魂弼牌g 月刁j 日 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研 究工作所取得的成果除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論文不包含任何其 他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的 個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明本人完全意識到本聲明的法律結(jié) 果由本人承擔(dān) 學(xué)位論文作者簽名：互抄風(fēng) 山0 年帛 月多1 e t 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 研究背景 近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，人們的生活水平得到了極大 的提高。家用電器早已鋪天蓋地的進(jìn)入了尋常百姓家，遙控器裝置已經(jīng)必不可少。由于 紅外線遙控器具有體積小、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，因而被家用電器廣泛采用。但是不 同品牌家用電器的紅外線遙控器采用了不同的編碼方式，導(dǎo)致這些遙控器不能相互通 用，這給人們的生活帶來了諸多不便。為了減少家庭中遙控器的數(shù)目，已經(jīng)有廠家設(shè)計(jì) 和生產(chǎn)了稱為多功能遙控器的紅外線遙控裝置【l 】。常見的多功能遙控器有以下幾個類型： ( 1 ) 固定碼遙控器( 即通常所謂的萬能遙控器) ：這類遙控器通常采用專用a s i c 或單片機(jī) 來實(shí)現(xiàn)，具有接收、存儲和發(fā)送紅外線編碼的功能。通過把某些電器的遙控器紅外代碼 固化在存儲器中或者對不同普通遙控器發(fā)出的紅外線編碼進(jìn)行學(xué)習(xí)和存儲【2 列】，可以對 多個家用電器進(jìn)行遙控，從而可以減少家庭中遙控器的數(shù)目。它把各個生產(chǎn)商產(chǎn)品的碼 表收集起來寫到不可更改的芯片中去，這樣就可以去控制那些采用同一核心技術(shù)的電 器，如同一機(jī)芯的彩電。然而對于不同類別的電器卻是無能為力的( 如彩電的多功能遙 控器不能控制冰箱) ，對于新出的同類產(chǎn)品同樣也不能適用?？梢?，萬能遙控器并不是 真正的萬能。( 2 ) 代碼型遙控器。它是采用設(shè)備碼和命令碼統(tǒng)一各種遙控編碼，要求“同 化不同遙控器發(fā)射信號的差異，如載波頻率，數(shù)字o 和l 的表示，幀結(jié)構(gòu)，幀間結(jié)構(gòu)。 將編碼特點(diǎn)用一串二進(jìn)制位表示出來形成設(shè)備碼，對應(yīng)于具體設(shè)備的遙控器。代碼型遙 控器用軟件的方式對這些統(tǒng)一的編碼進(jìn)行解釋，驅(qū)動一個個命令碼按指定設(shè)備碼格式加 以“封裝”，形成所需要的遙控信號，達(dá)到控制家電的目的。它的缺點(diǎn)是只適合賓館等 電器種類少、數(shù)量多的大型用戶，不適合種類多而數(shù)量相當(dāng)有限的一般用戶。( 3 ) 學(xué)習(xí)型 遙控器。它可以記錄各種不同類型的遙控器的編碼波形，而對編碼的細(xì)節(jié)不予理會，只 是需要配置較大容量的存儲器，存儲器的內(nèi)容是可以隨時在“學(xué)習(xí) 中改寫的，通用性 大大提高。 當(dāng)前，多功能學(xué)習(xí)型遙控器的研究趨勢是避免不同的家用電器使用一種的遙控器按 鍵，造成混淆和誤操作；增加存儲空間，使遙控器在家庭的范圍內(nèi)做到海量存儲代碼； 采用相對比較先進(jìn)的處理器，便于增加其他豐富的家庭娛樂功能。 1 2 研究目的與意義 目前國外( 主要是歐美市場) 多功能遙控器技術(shù)較為先進(jìn)，通常這些遙控器能夠控制 很多種類的的紅外設(shè)備，同時還具有一般遙控器所不具備的先進(jìn)功能。如典型的l o g i t e c h 的h a r m o n y8 5 5 學(xué)習(xí)型遙控器，這類遙控器在設(shè)計(jì)上已經(jīng)采用l c d 進(jìn)行輔助控制，即 可以顯示當(dāng)前控制的設(shè)備，全部有背光，可以在黑暗下使用。h a r m o n y8 5 5 內(nèi)置了 a d v a n c e du n i v e r s a lr e m o t e 功能，預(yù)設(shè)多種家居娛樂影音器材的操控項(xiàng)目，只需按一個 鍵便可以進(jìn)入自選的家居娛樂模式，使用了可更換的3 7 v 充電池，電容量達(dá)到9 3 0 m a h ， 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 即使彩色l c d 比較耗電，但仍可長時間使用。內(nèi)置t i l t 傾斜感應(yīng)器，只要有所移動， 都可立即回到操作的狀態(tài)。但是這些遙控器價格一般都比較貴。如羅技 h a r m o n y 8 8 5 $ 1 2 8 t 引，r t i 的t 2 c 通用萬能遙控器$ 7 9 9 等，使用不便且不兼容一些國產(chǎn) 品牌的家電。而在國內(nèi)市場，遙控器絕大部分是單一型的遙控器，也就是一個遙控器控 制一個紅外設(shè)備，這與我國經(jīng)濟(jì)狀況和消費(fèi)習(xí)慣有關(guān)。多功能遙控器只是單一型的遙控 器的補(bǔ)充，因此多功能遙控器的銷量是相對很少的。但正如西方的情況，我國也會經(jīng)歷 從使用單一型遙控器走向多功能遙控器，尤其是在信息化迅速發(fā)展的情況下，多功能遙 控器有著廣闊的需求和發(fā)展空間。啟動這一塊市場的關(guān)鍵是使多功能遙控器確實(shí)好用， 能夠完全替代單一型遙控器的功能以及更為人性化控制功能【6 ，7 】。 本論文的目的設(shè)計(jì)一個可以分析并獲取各類紅外家電設(shè)備的紅外控制信號并存儲 智能遙控器系統(tǒng)。它可以通過觸摸屏按鍵的發(fā)出控制命令，通過分析其控制目的，從學(xué) 習(xí)型遙控器的紅外線收發(fā)器端口發(fā)送紅外控制信號給相應(yīng)的紅外設(shè)備來實(shí)現(xiàn)對紅外家 電設(shè)備的控制。該遙控器能通過紅外代碼學(xué)習(xí)，可以實(shí)現(xiàn)對多個家用電器設(shè)備的控制； 能實(shí)現(xiàn)不同家電控制具有不同的觸膜屏控制界面，便于操作；采用當(dāng)前流行的嵌入式 l i n u x 操作系統(tǒng)和a r m 9 處理器，其他家庭娛樂功能的開發(fā)上也有一定的優(yōu)勢，有較好 的市場前景。 1 3 論文的主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排 論文的目標(biāo)是設(shè)計(jì)一個基于嵌入式l i n u x 的智能遙控器系統(tǒng)。通過代碼學(xué)習(xí)可以實(shí) 現(xiàn)對多個家用電器設(shè)備的控制功能，并在q t e m b e d d e d 研究的基礎(chǔ)上，對遙控器的人機(jī) 界面進(jìn)行了一定的設(shè)計(jì)。本文主要研究的內(nèi)容： 1 ) 通過對系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的分析，選擇三星的s 3 c 2 1 4 0 a 處理器作為硬件的核心部件， 并設(shè)計(jì)了可擴(kuò)展的外圍硬件電路，進(jìn)行了p c b 制板。 2 ) 采用了高度模塊化和易于向其他平臺移植的l i n u x 系統(tǒng)。通過對嵌入式l i n u x 系 統(tǒng)分析，實(shí)現(xiàn)了l i n u x 系統(tǒng)在$ 3 c 2 4 1 0 a 平臺上的移植。 3 ) 根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)了紅外器件的驅(qū)動；通過對紅外遙控原理的深入分析， 提出了智能遙控器系統(tǒng)的紅外學(xué)習(xí)和家電控制的實(shí)現(xiàn)方案。 4 ) 通過對q t e m b e x i d e d 的深入研究，對智能遙控器系統(tǒng)人機(jī)交互界面進(jìn)行了一定 的設(shè)計(jì)。 全文共分成六章，各章的內(nèi)容安排如下： 第一章介紹學(xué)習(xí)型紅外遙控器的研究背景、目的及意義，概述了本文設(shè)計(jì)的主要內(nèi) 容及實(shí)現(xiàn)的功能。 第二章給出了智能遙控器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架，其中包含硬件框架和軟件結(jié)構(gòu)，并 對各個部分的具體設(shè)計(jì)進(jìn)行了簡單的介紹。 第三章首先完成了智能遙控器系統(tǒng)的硬件平臺的搭建，在p r o t d9 9s e 中設(shè)計(jì)完成 硬件平臺的各個具體部分原理圖和總體p c b 圖。研究了嵌入式l i n u x 的發(fā)展和應(yīng)用于本 文設(shè)計(jì)的優(yōu)勢。完成了嵌入式l i n u x 系統(tǒng)交叉開發(fā)環(huán)境的建立、b o o t l o a d e r 的設(shè)計(jì)與移 2 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 植、基于紅外功能的內(nèi)核移植、文件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和移植等開發(fā)所涉及的重要環(huán)節(jié)。 第四章給出了智能遙控器系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)各個部分的設(shè)計(jì)過程及結(jié)果。首先是開發(fā) l i n u x 系統(tǒng)紅外器件的驅(qū)動；其次是軟件實(shí)現(xiàn)紅外信號的學(xué)習(xí)和存儲的相關(guān)程序和調(diào)用 已學(xué)習(xí)的紅外遙控器代碼實(shí)現(xiàn)的紅外設(shè)備的控制。設(shè)計(jì)遙控器人機(jī)交互界面，給出了觸 摸屏的驅(qū)動程序流程。 第五章通過對嵌入式開發(fā)平臺軟硬件的功能測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本功能的可用 性。在此基礎(chǔ)上對該系統(tǒng)的紅外驅(qū)動程序和紅外控制通信的應(yīng)用程序進(jìn)行測試和數(shù)據(jù)分 析，完成了紅外驅(qū)動和控制程序的測試。并和學(xué)習(xí)型遙控器h a r m o n y8 8 5 在各個方面進(jìn) 行了比較。 第六章對論文的工作進(jìn)行總結(jié)，從三個方面對現(xiàn)有的學(xué)習(xí)遙控器的功能提出了進(jìn)一 步發(fā)展的建議。 3 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 第二章智能遙控器系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 2 1 智能遙控器系統(tǒng)總體框架 本論文研究的智能遙控器系統(tǒng)的總體框架如圖2 1 所示。 應(yīng)用軟件：遙控器人機(jī)交互界面、紅外學(xué)習(xí)和控制 軟 操作系統(tǒng)：嵌入式l i n u x f 勺核、根文件系統(tǒng) 件 設(shè)備驅(qū)動程序 系統(tǒng)引導(dǎo)：b o o t l o a d e r 弓 導(dǎo)程序 刪9 處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 硬 嵌入式外圍設(shè)備接口 件 z h x l 0 1 0 | ll c d 觸摸屏| | 存儲器| l 其他 j 圖2 1 遙控器總體框架 整個嵌入式智能遙控器系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分。在硬件部分，嵌入式微處理器 是整個系統(tǒng)的核心，嵌入式外圍設(shè)備則包括f l a s h 、s d r a m 等存儲器件和各種通信接 口。通過l c d 接口接入液晶屏外設(shè)，顯示控制界面。通過觸摸屏接口，實(shí)現(xiàn)遙控器控 制按鍵功能。同時設(shè)有r s 2 3 2 、j t a g 、l a n 等用于開發(fā)調(diào)試的接口在軟件部分，引 導(dǎo)程序與嵌入式l i n u x 內(nèi)核、根文件系統(tǒng)一起形成嵌入式系統(tǒng)的基本運(yùn)行環(huán)境，對應(yīng)用 層的用戶應(yīng)用程序作必要的支持。在這里，應(yīng)用程序就是遙控器人機(jī)交互界面、紅外學(xué) 習(xí)和控制程序。 2 2 智能遙控器系統(tǒng)硬件組成 智能遙控器系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 2 所示。 3 5 t f r l c d l q 0 8 0 v 3 d g 0 1 t s c 2 3 0 1 t o u c hs c r e e n 紅外收發(fā)模塊 z 丑1 0 1 0 o 巴 暑 = 烏 a r m 9 2 0 t s 3 c 2 4 1 0 a j i 翮lc s 8 9 0 0 a s p o r ti i o m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 l l t - h 6 4 ms d r a m k 9 f 1 2 0 8 6 4 mn a n df l a s h 圖2 2 硬件組成框圖 嵌入式微處理器方面，r i s c 思想的提出從簡化指令集的角度降低了微處理器的開 發(fā)難度和成本，同時提高微處理器的并行度【引。a r m 體系的設(shè)計(jì)是基于r i s c 思想的， 5 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 其代碼密度性能介于其他多數(shù)r i s c 微處理器和c i s c 微處理器之間。后來引入的t h u m b 指令集則大大提高了代碼密度。a r m 微處理器特點(diǎn)：體積小、低功耗、低成本、高性 能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 雙指令集【9 , 1 0 ，能很好地兼容8 1 6 位器件；大量使 用寄存器，指令執(zhí)行速度更快；大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成；尋址方式靈活簡單， 執(zhí)行效率高：指令長度固赳u 】。 由于a r m 架構(gòu)的微處理器主要用于嵌入式系統(tǒng)，因此a r m 構(gòu)架在設(shè)計(jì)中十分注 意低電壓、低功耗處理，設(shè)計(jì)中是通過降低電源電壓；減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當(dāng)某個功能 電路不需要時，禁止門翻轉(zhuǎn)；減少門的數(shù)目，即降低芯片的集成度；降低時鐘頻率來實(shí) 現(xiàn)的。a r m 還采用了其他一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面 積。 智能遙控器系統(tǒng)的主要硬件：( 1 ) 處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 主頻：2 0 3 m h z ( 2 ) 存儲器采用 6 4 m b 動態(tài)存儲器s d r a mh y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 和6 4 m b 的靜態(tài)存儲器n a n df l a s h k 9 f 1 2 0 8 ：( 3 ) 通訊模塊：系統(tǒng)進(jìn)行紅外學(xué)習(xí)和控制的基于u a r t 2 端口的紅外收發(fā)模塊； 一個e t h e r n e t 接口，1 0b a s et ，支持低功耗模式；基于u a r t o 的r s 2 3 2 串口。( 4 ) 人機(jī) 接口模塊：采用分辨率為6 4 0 * 4 8 0 的t f t c o l o r l c d 和四線電阻式觸摸屏( t o u c hs c r e e n ) 。 這種模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以降低硬件調(diào)試難度，同時也是基于硬件平臺的可重用性考 慮。 2 3 智能遙控器系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 嵌入式智能遙控器系統(tǒng)軟件框架如圖2 3 所示，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括嵌入式l i n u x 系 統(tǒng)平臺構(gòu)建、驅(qū)動程序設(shè)計(jì)和應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)三大部分。嵌入式l i n u x 系統(tǒng)平臺構(gòu)建， 即建立嵌入式交叉開發(fā)環(huán)境、b o o t l o a d e r 的設(shè)計(jì)和移植和根文件系統(tǒng)的移植、嵌入式 l i n u x 內(nèi)核的移植、根文件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)l l z 】；驅(qū)動程序的設(shè)計(jì)指的是紅外器件z h x l 0 1 0 在 l i n u x 系統(tǒng)下的驅(qū)動程序設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序設(shè)計(jì)包括紅外學(xué)習(xí)和控制程序和基于 q t e m b e d d e d 的遙控器人機(jī)界面的程序的設(shè)計(jì)。 遙控器 紅外學(xué)習(xí)和控制程序，遙控器界面 系統(tǒng)軟件a r ml i n u xk e r n e l 驅(qū)動程序j f f s 2 文件系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 系統(tǒng)引導(dǎo)程序b o o t l o a d e r 2 3 1 嵌入式l in u x 系統(tǒng) 圖2 3 遙控器軟件結(jié)構(gòu)框圖 1 ) b o o f l o a d e l b o o f l o a d e r 是在系統(tǒng)加電后、嵌入式操作系統(tǒng)運(yùn)行之前執(zhí)行的一段小程序。它的作 用是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)軟硬件環(huán)境，為調(diào) 用操作系統(tǒng)內(nèi)核做好準(zhǔn)備。 2 ) 嵌入式l i n u x 內(nèi)核的移植 嵌入式l i n u x 的開發(fā)和研究是操作系統(tǒng)領(lǐng)域中的一個熱點(diǎn)，目前已經(jīng)開發(fā)成功的嵌 6 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 入式系統(tǒng)中，大約有一半使用的是l i n u x 。論文中的系統(tǒng)移植跟一般的系統(tǒng)移植的區(qū)別 在于要包含模塊化設(shè)計(jì)的紅外網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動的移植和包含紅外通信協(xié)議的l i n u x 內(nèi)核的移 植。 3 ) 根文件系統(tǒng) 根文件系統(tǒng)是l i n u x 系統(tǒng)的一個重要組成部分。它提供l i n u x 內(nèi)核運(yùn)行所必需的庫 文件、設(shè)備文件、系統(tǒng)配置文件等。嵌入式l i n u x 支持的文件系統(tǒng)有數(shù)十種之多，根據(jù) 嵌入式l i n u x 系統(tǒng)的特點(diǎn)和本論文所設(shè)計(jì)的硬件平臺，本課題采用j f f s 2 文件系統(tǒng)。 2 3 2 驅(qū)動程序 設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動程序?yàn)閼?yīng)用程序屏 蔽了硬件的細(xì)節(jié)。應(yīng)用程序看來，硬件設(shè)備只是一個設(shè)備文件，應(yīng)用程序可以像操作普 通文件一樣對硬件設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)備驅(qū)動程序是內(nèi)核的一部分，它完成以下的功能f 1 3 】： 1 ) 對設(shè)備初始化和釋放； 2 ) 把數(shù)據(jù)從內(nèi)核傳送到硬件和從硬件讀取數(shù)據(jù)； 3 ) 讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)和回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)； 4 ) 檢測和處理設(shè)備出現(xiàn)的錯誤。 論文在深入研究了l i n u x 系統(tǒng)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動開發(fā)的流程及關(guān)鍵函數(shù)的基礎(chǔ)上，對 紅外器件z h x l 0 1 0 的紅外驅(qū)動程序的進(jìn)行了設(shè)計(jì)，完成系統(tǒng)對紅外設(shè)備的啟動、打開、 讀寫、關(guān)閉、命令操作等過程的控制。 2 3 3 應(yīng)用程序 應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)包括兩部分，嵌入式人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)和紅外學(xué)習(xí)、遙控功能的實(shí) 現(xiàn)。 1 ) 嵌入式設(shè)計(jì)：嵌入式人機(jī)交互界面的使用使系統(tǒng)更人性化，方便用戶的操作， 并提供界面，接收用戶命令，執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。 2 ) 紅外學(xué)習(xí)、遙控功能：即能學(xué)習(xí)其他遙控器的代碼并存儲到指定位置，通過檢 測用戶家電控制界面觸摸屏按鍵輸入控制需求實(shí)現(xiàn)紅外設(shè)備的控制。如上圖2 4 所示。 最后根據(jù)系統(tǒng)的架構(gòu)和模塊化的設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)、編寫各個模塊及其子模塊具體程序。 2 4 本章小結(jié) 本章首先描述了智能遙控器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架，硬件開發(fā)平臺的主要構(gòu)成，闡述 了基于該硬件平臺的依據(jù)和優(yōu)勢。在硬件平臺的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了基于嵌入式l i n u x 系統(tǒng) 的應(yīng)用軟件框架，并解釋了幾個重要模塊的功能。 7 江蘇大學(xué)碩士學(xué)住論文 第三章智能遙控器系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和l i f u x 系統(tǒng)移植 31 智能遙控器系統(tǒng)硬件原理圖設(shè)計(jì) 整個系統(tǒng)的原理圖和印刷電路板圖都是在p r o t e l 9 9 s e 環(huán)境中設(shè)計(jì)完成的。 在設(shè)計(jì)和繪制原理圖時，我們采用模塊化和層次化的設(shè)計(jì)方法i “l(fā) ： ”首先有一個整體規(guī)劃，這就是系統(tǒng)的頂層原理圖，確定系統(tǒng)有哪幾部分組成， 相互之間如何連接，分別需要哪些信號和多大的電源供應(yīng)。 2 ) 然后細(xì)化到各個部分，同樣注意連接方式，使用具有明確含義的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識予以 標(biāo)記。 本系統(tǒng)頂層原理圖如下圖3 1 所示( 各個部分的具體電路見本章后面章節(jié)) 。 圖3 1 系統(tǒng)頂層原理圖 31 處理器$ 3 0 2 4 1 0 a 在系統(tǒng)的硬件平臺開發(fā)中，最重要的部件是微處理器( m p u ：m i c r op r o c e s su n i t1 。 其上集成相應(yīng)的寄存器和程序指令集，用戶可以通過m p u 來完成嵌入式系統(tǒng)中程序的 執(zhí)行和運(yùn)算功能。 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的微處理器芯片選擇主要取決于應(yīng)用領(lǐng)域、用戶需求、成本以及 開發(fā)難易程度等因素【l ”。本論文設(shè)計(jì)的智能遙控器系統(tǒng)是采用高速采樣和直接再生的方 法直接實(shí)現(xiàn)遙控器學(xué)習(xí)和控制功能。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)紅外線遙控器的載波頻率不超過 1 0 0 k h z ，一般在3 8 k h z 左右，因此用2 0 0 k i t z 定時采樣的結(jié)果，可以再生出原來的脈 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 沖序列。因此，c p u 的工作頻率需要遠(yuǎn)大于2 0 0 k h z ，否則容易產(chǎn)生很大的誤差。 針對上述設(shè)計(jì)需求及未來智能遙控器系統(tǒng)擴(kuò)展的需要，本文采用基于a r m 9 2 0 t 內(nèi) 核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微處理器$ 3 c 2 4 1 0 a 。它的低功耗、精簡和出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì) 使得它非常適用于手持式設(shè)備以及對成本、功耗敏感的應(yīng)用場合，能滿足智能遙控器系 統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種功能的處理器需求。作為$ 3 c 2 4 1 0 a 芯片的c p u 內(nèi)核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 t r i s c 微處理器采用0 1 3 u m c m o s 標(biāo)準(zhǔn)單元結(jié)構(gòu)。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存儲管 理單元( m m o ) 和高速緩存三部分組成，采用a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u s a c h i t e c t u r e ) 架構(gòu)。其中，m m u 可以管理虛擬內(nèi)存，高速緩存由獨(dú)立的1 6 k b 地址和1 6 k b 數(shù)據(jù)高速c a c h e 組成。s 3 c 2 4 1 0 a 可以從n o rf l a s h 啟動或者n a n df l a s h 啟動 1 6 , 1 7 1 ， 應(yīng)用方便。 另外，處理器提供了一套比較完整的通用系統(tǒng)的外圍設(shè)備控制器，并且使得這個系 統(tǒng)消耗最小。片上集成的功能主要包括以下幾個方面：存放系統(tǒng)和各種相關(guān)程序的 n a n df l a s h 控制器、芯片選擇邏輯和s d r a m 控制器的系統(tǒng)管理器；支持s t n 和t f t 帶有觸摸屏的l c d 控制器；p l l 時鐘產(chǎn)生電路和4 通道帶p w m 功能的定時器和一個 內(nèi)部時鐘( r t c ) ，一個看門狗計(jì)數(shù)器；具有m o d e m 、紅外收發(fā)( i r d a ) 功能的3 通 道的u a r t ，；8 通道l o 位a d c 模塊；i i c 總線接口，i i s 總線接口；1 1 7 個通用i o 口 和2 4 個外部中斷源。 3 1 2 遙控器硬件擴(kuò)展 3 1 2 1 存儲器擴(kuò)展 智能遙控器系統(tǒng)需要存儲空間足夠大。如果一個紅外線指令持續(xù)的時間為8 0 m s ，按 照2 0 0 k h z 的頻率進(jìn)行采樣，一個指令的采樣結(jié)果將產(chǎn)生1 6 k b i t 的二進(jìn)制代碼。假設(shè)一 個家庭需要1 6 個遙控器，每個普通遙控器有3 2 個按鍵，那么，智能遙控器系統(tǒng)需要1 6 x3 2x1 6 k = 8 m 比特的存儲空間?？紤]到嵌入式l i n u x 的內(nèi)核和文件系統(tǒng)也要占用一定 的存儲空間，本課題選用了6 4 m 的n a n df l a s h 作為存儲器，實(shí)現(xiàn)靈活的參數(shù)配置及 存儲1 引。 由于程序不能在n a n df l a s h 中直接運(yùn)行，所以需要s d r a m 配合。系統(tǒng)采用6 4 m s d r a m 作為動態(tài)存儲器，實(shí)現(xiàn)程序的動態(tài)運(yùn)行、系統(tǒng)的調(diào)度、應(yīng)用程序等多種功能。 具體設(shè)計(jì)中采用了系統(tǒng)采用了n a n df l a s hk 9 f 1 2 0 8 和s d r a m h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h ，如下圖3 2 和圖3 3 所示。 1n a n df l a s h 芯片k 9 f 1 2 0 8 的擴(kuò)展 f l a s h 是一種可擦寫，掉電后信息不丟失的存儲器。它具有低功耗、大容量、擦 寫速度快、可整片或分扇區(qū)在系統(tǒng)編程等特點(diǎn)，并且可由內(nèi)部嵌入的算法完成對芯片的 操作，因而在各種嵌入式系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。f l a s h 主要有n o rf l a s h 和 n a n df l a s h 兩種。 n o r f l a s h 的特點(diǎn)是芯片內(nèi)執(zhí)行，這樣應(yīng)用程序可以直接在f l a s h 內(nèi)運(yùn)行，不必 再把代碼讀到系統(tǒng)r a m 中。n o rf l a s h 的傳輸效率很高，在l 4 m b 的小容量時具 1 0 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 有很高的成本效益，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。n a n df l a s h 結(jié)構(gòu)能提供極高的存儲單元密度，并且寫入和擦除的速度也很快。n a n df l a s h 的單 元尺寸幾乎是n o rf l a s h 的一半，由于生產(chǎn)過程更為簡單，n a n df l a s h 結(jié)構(gòu)可以 在給定的模具尺寸內(nèi)提供更高的容量，也就相應(yīng)地降低了成本。 另外從耐用性來看，n a n df l a s h 中每個塊的最大擦寫次數(shù)是一百萬次，而n o r f l a s h 的擦寫次數(shù)是十萬次，因此n a n df l a s h 更具優(yōu)勢。 k 9 f 1 2 0 8 是s a m s u n g 公司生產(chǎn)的大容量、高可靠n a n df l a s h 存儲器。該芯片存 儲容量為6 4 m 8 b i t ，對5 2 8 字節(jié)一頁的寫操作所需時間的典型值是2 0 0 i t s ，而對1 6 k 字節(jié)一塊的擦除操作典型值也僅需2 m s 。每一頁中的數(shù)據(jù)讀出速度也很快，平均每個字 節(jié)只需5 0 n s 。8 位i o 端口采用地址、數(shù)據(jù)和命令復(fù)用的方法。這樣既可以減少引腳數(shù)， 還可使接口電路簡潔。$ 3 c 2 4 1 0 a 的內(nèi)部集成有n a n df l a s h 控制器，能自動執(zhí)行寫 操作和擦除功能，包括必要的脈沖產(chǎn)生，內(nèi)部校驗(yàn)等，完全不用考慮外部控制器的使用， 簡化了器件的編程控制難度，可與k 9 f 1 2 0 8 方便連接，具體連接如圖3 2 所示。 姒 瞻錯1 2 0 5 l i 教 4 4t d 4 a i 矗 1 0 7 l 餅 嘎，l w a 6 秈 ， 職) 5 q z l o a 了 5 1 f c e ，一 霄瘸wv i il 0 直- _ a 4 c l e l a t a 3 尹) t a 2 p v e ， l a t d a 瑚 r e d 3 j _ c jf svc o j 【 2n n df a s h 擴(kuò)展電路圖 f 1 2 0 8 引腳定義如表3 1 所示。 1k f 1 2 0 8 引腳功能 0 0 i 0 7輸入輸出端，芯片未選中為高阻態(tài) e 鎖存使能 e 鎖存使能 選擇控制端 輸出控制，有效時數(shù)據(jù)送到i 0 總線上 0 口控制，命令、地址或數(shù)據(jù)在上升沿鎖存 護(hù) a 器件的狀態(tài)，o 為忙，1 為閑，開漏輸出 c 端 s s r a m 芯片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t h 的擴(kuò)展 江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文 與f l a s h 存儲器相比較，s d r a m 不具有掉電保持?jǐn)?shù)據(jù)的特性，但其操作都是由 時鐘作為同步，存取速度高于f l a s h 存儲器，數(shù)據(jù)吞吐量更大，且具有讀寫的屬性。 s d r a m 在系統(tǒng)中主要用作程序的運(yùn)行空間，當(dāng)系統(tǒng)啟動時，m p u 首先從復(fù)位地址o x o 處讀取啟動代碼，在完成系統(tǒng)的初始化后，程序代碼調(diào)入s d r a m 中運(yùn)行，以提高系統(tǒng) 的運(yùn)行速度。同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在s d r a m 中。 本文設(shè)計(jì)中使用兩片三星的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 芯片構(gòu)建3 2 位、6 4 m b 的s d r a m 存儲器系統(tǒng)。每片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 的存儲容量為1 6 組x1 6 m ( 3 2 m b ) ，工作電壓為 3 3 v ，時鐘頻率為1 3 3 m h z 。常見的封裝為5 4 腳t s o p ，兼容i m 盯l 接口，支持自動 刷新( a u t o r e f r e s h ) 和自刷新( s e l f - r e f r e s h ) ，16 位數(shù)據(jù)寬度。h y 5 7 v 5 6l6 2 0 b t - h 的管腳說 明見表3 2 所示。 表3 2h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 引腳說明 引腳描述功能 s c l k 時鐘芯片時鐘輸入 s c k e 時鐘使能片內(nèi)時鐘信號控制 n s c s片選禁止或使能c l k 、c k e 和d q m 外的所有輸入信號 b a o 、隊(duì)1 塊地址選擇用于片內(nèi)4 個組的選擇 a 1 2 一a 0 地址總線行地址：a 1 2 一a 0 ，列地址：c a 8 c a 0 ，自動預(yù)充電標(biāo)志：a 0 n s r a s 行地址所存用于行地址鎖存 n s c a s列地址所存用于列地址鎖存 n w e 寫使能用于寫使能 ， l d q m u d q m數(shù)據(jù)i o 屏蔽在讀模式下控制輸出緩沖，在寫模式下屏蔽輸入數(shù)據(jù) d 0 1 5 。d 0 0數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)輸入輸出引腳 v d d v s s電源地內(nèi)部電路及輸入緩沖電源地 v d d o v s s o電源地輸出緩沖電源地 s d r a m 的控制信號較多，根據(jù)h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 管腳說明實(shí)現(xiàn)兩片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 并聯(lián)構(gòu)建3 2 位的s d r a m 存儲器系統(tǒng)。將這兩片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 作為一個整體配置到s 3 c 2 4 1 0 a 的存儲器控制接口s r a m s d r a m b a n k 6 ，7 的任一位置，本系統(tǒng)中配置到s r a m s d r a mb a n k 6 ，地址空間為0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 到0 x 3 0 f f f f f f 。即將$ 3 c 2 4 1 0 a 的n s c s 0 ：n g c s 6 信號端接至兩片h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 b t - h 的n s c s 端。具體連接如圖3 3 所示。 1 2 圖3 3s d r a m 擴(kuò)展電路圈 3 1 2 2 人機(jī)交互模塊 對于智能遙控器系統(tǒng)硬件平臺的設(shè)計(jì)，從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，考慮到該嵌入式系統(tǒng)要具 有良好的用戶接口，論文設(shè)計(jì)了l c d 顯示模塊、觸摸屏模塊。智能遙控器系統(tǒng)的l c d 用 于顯示邏輯鍵，用戶可以通過在按鈕上定義不同的按鍵說明、綁定不同的紅外編碼，實(shí) 現(xiàn)在不同場合下不同的控制功能。 由于$ 3 c 2 4 1 0 a 內(nèi)部已經(jīng)集成了l