王 丹，張海濤（.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽　003；.中國(guó)人民解放軍95979部隊(duì)，沈陽　0045）

?

基于LPC2294處理器的嵌入式演示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 丹1，張海濤2
（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽110032；2.中國(guó)人民解放軍95979部隊(duì)，沈陽110045）

摘 要：隨著嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，基于ARM的嵌入式技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，研究基于ARM的嵌入式系統(tǒng)已成為一個(gè)熱點(diǎn)。LPC2294是一款以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的處理器，片上集成了豐富的接口電路，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制、POS機(jī)、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器等。設(shè)計(jì)一個(gè)基于LPC2294處理器的嵌入式演示系統(tǒng)，首先介紹該芯片的基本功能，然后闡述了基于該芯片的嵌入式演示系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括電源、時(shí)鐘、JTAG及其他接口電路設(shè)計(jì)，最后描述了該演示系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)，包括啟動(dòng)代碼和應(yīng)用程序設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；LPC2294處理器；ARM處理器；硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì)

1 引 言

嵌入式系統(tǒng)是基于嵌入式處理器，由硬件和軟件組成的專用系統(tǒng)，按照嵌入式處理器的不同，嵌入式系統(tǒng)可以分為基于單片機(jī)的嵌入式系統(tǒng)、基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)、基于ARM的嵌入式系統(tǒng)等。本文設(shè)計(jì)的演示系統(tǒng)是基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，核心芯片是LPC2294［1］，是NXP公司生產(chǎn)的一款基于ARM7TDMI-S［2］的32位MCU。

2 LPC2294芯片功能簡(jiǎn)介

LPC2294支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤，片上集成256KB高速Flash，16KB SRAM，多個(gè)通用GPIO口，外部存儲(chǔ)器控制器，2個(gè)通用定時(shí)器，1個(gè)看門狗定時(shí)器，1個(gè)RTC，8通道10位A/D，4個(gè)CAN控制器，2個(gè)UART接口，2個(gè)SPI接口，1個(gè)I2C接口，多個(gè)PWM通道及外部中斷。

3 演示系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LPC2294芯片包括豐富的外圍接口，很適合構(gòu)建一個(gè)低功耗高性能的嵌入式演示系統(tǒng)［3-4］，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1電源設(shè)計(jì)

LPC2294芯片需要雙電源供電，內(nèi)核電源1.8V，I/O電源3.3V。演示板外接電源供電5V，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117-3.3/SOT223將5V電壓轉(zhuǎn)為3.3V電壓，用于I/O供電，電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117-1.8/SOT223將3.3V電壓轉(zhuǎn)為1.8V電壓，用于內(nèi)核供電。

3.2時(shí)鐘設(shè)計(jì)

該芯片最大工作時(shí)鐘為60MHz，選取的外部晶振頻率為14.7456MHz，芯片內(nèi)部PLL四倍頻后提供給ARM7內(nèi)核作為工作時(shí)鐘。通過VPB分頻器四分頻后作為APB總線上的外設(shè)時(shí)鐘。

3.3JTAG接口設(shè)計(jì)

JTAG接口電路用來實(shí)現(xiàn)芯片的調(diào)試下載功能，演示版通過20針的JTAG接口連接到PC機(jī)上。

3.4GPIO設(shè)計(jì)

GPIO最典型簡(jiǎn)單的應(yīng)用是外接LED和按鍵，GPIO輸出高低電平可以控制LED燈的亮滅，按鍵可以給GPIO輸入高低電平，實(shí)現(xiàn)GPIO輸入功能的演示。

3.5UART設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)

芯片內(nèi)置兩個(gè)串口控制器，為了與PC主機(jī)進(jìn)行通信，需要MAX3232芯片進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，其電路連接如圖2所示。

3.6CAN接口設(shè)計(jì)

該芯片上集成了四個(gè)CAN控制器，為了在CAN總線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，需要外接PCA82C250T芯片，將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)，其電路連接如圖3所示。

圖2 串口連接

圖3 CAN接口連接

3.7EMC接口設(shè)計(jì)

LPC2294芯片內(nèi)部集成了一個(gè)外部存儲(chǔ)器控制器EMC，用來進(jìn)行外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展，該演示系統(tǒng)通過EMC接口連接一塊SRAM芯片IS61LV51216-12T，其電路連接如圖4所示，一塊Nor Flash芯片SST39VF1601，其電路連接如圖5所示。

圖4 SRAM連接

圖5 Nor Flash連接

3.8I2C接口設(shè)計(jì)

該芯片包括一個(gè)I2C接口，通過該接口連接一塊EEPROM芯片AT24C02，其連接如圖6所示。

圖6 I2C接口連接

3.9SPI接口設(shè)計(jì)

該芯片的SPI接口與74HC595芯片連接，74HC595芯片實(shí)現(xiàn)串并轉(zhuǎn)換，驅(qū)動(dòng)1個(gè)七段數(shù)碼管顯示，電路連接如圖7所示。

圖7 SPI接口連接

3.10A/D應(yīng)用設(shè)計(jì)

該芯片包括有8路10位A/D，演示系統(tǒng)中將可調(diào)電阻連接到其中的A/D通道上，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，改變A/D的輸入電壓，實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。

3.11PWM控制蜂鳴器

PWM輸出端與蜂鳴器輸入端連接，通過脈沖控制蜂鳴器鳴笛。

3.12硬件演示板

硬件演示板經(jīng)過原理圖設(shè)計(jì)、PCB版圖設(shè)計(jì)、PCB制板、焊接、調(diào)試等工作后，最后實(shí)現(xiàn)該演示系統(tǒng)的硬件演示板，其實(shí)物如圖8所示。

圖8 硬件演示板實(shí)物圖

4 演示系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)［5-6］

4.1ARM軟件開發(fā)環(huán)境

4.1.1 軟件程序編譯、鏈接

該演示系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境使用的是ARM公司的集成開發(fā)軟件ADS［7］（ARM Developer Suite）。ADS由命令行開發(fā)工具、ARM實(shí)時(shí)庫、GUI開發(fā)環(huán)境（Code Warrior和AXD）、實(shí)用程序等組成。CodeWarrior集成開發(fā)環(huán)境（IDE）為管理和開發(fā)提供了簡(jiǎn)單多樣化的圖形用戶界面。ADS的CodeWarrior IDE為演示系統(tǒng)的軟件開發(fā)提供了ARM匯編語言、C語言的程序匯編、編譯、鏈接平臺(tái)。

4.1.2 軟件程序調(diào)試

軟件調(diào)試是軟件開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，軟件開發(fā)的主要時(shí)間和精力都用于代碼調(diào)試，整個(gè)演示系統(tǒng)的調(diào)試包括PC機(jī)、仿真器、演示板三個(gè)部分。PC機(jī)上運(yùn)行調(diào)試工具AXD，仿真器為Multi-ICE［8］（Multi-processor in-circuit emulator），演示板上運(yùn)行軟件程序，三者之間的連接關(guān)系如圖9所示。

圖9 調(diào)試環(huán)境示意圖

該項(xiàng)目采用的調(diào)試手段如下：

（1）使用AXD軟件調(diào)試

（2）通過LED或串口顯示調(diào)試

4.1.3 軟件程序下載

LPC2294片內(nèi)集成了256KB的Flash存儲(chǔ)器，可以存放代碼，而大容量代碼則存放在外部Nor Flash中。ADS編譯鏈接后生成可執(zhí)行文件*.axf文件，通過ADS提供的fromELF工具，將ARM的可執(zhí)行文件轉(zhuǎn)換成*.hex或者*.bin格式的映射文件。然后通過Flash downloader工具把映像文件下載到LPC2294的內(nèi)部Flash或演示板上的Nor Flash存儲(chǔ)器中。

4.2演示系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

演示系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)包括兩個(gè)部分：?jiǎn)?dòng)代碼和應(yīng)用程序。

4.2.1 啟動(dòng)代碼

啟動(dòng)代碼是整個(gè)系統(tǒng)上電后執(zhí)行的第一段軟件代碼，主要完成硬件初始化，為軟件運(yùn)行準(zhǔn)備好硬件環(huán)境。由于啟動(dòng)代碼直接面向處理器內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程，該部分代碼的設(shè)計(jì)由匯編完成。在該演示系統(tǒng)中，啟動(dòng)代碼完成以下工作：

（1）建立中斷異常向量表

異常中斷向量表是用來存放異常處理程序的入口地址。處理器一旦發(fā)生中斷，將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到0x0地址開始的異常中斷向量表中的某個(gè)位置（依據(jù)中斷類型）讀取指令然后運(yùn)行。該演示系統(tǒng)的中斷向量表定義如下：

Reset

LDR PC，ResetAddr

LDR PC，UndefinedAddr

LDR PC，SWI_Addr

LDR PC，PrefetchAddr

LDR PC，DataAbortAddr

DCD 0xb9205f80

LDR PC，［PC，#-0xff0］

LDR PC，F(xiàn)IQ_Addr

為了滿足該芯片有效用戶代碼的判斷標(biāo)準(zhǔn)，0x00000014地址應(yīng)該存放剩余中斷向量校驗(yàn)和的補(bǔ)碼，使所有向量的校驗(yàn)和為0，只有滿足該條件，LPC2294芯片才認(rèn)為該代碼是有效的，這是該芯片的特性，并不適合所有的ARM芯片。

（2）初始化堆棧

ARM7內(nèi)核支持6種操作模式：User Mode、FIQ Mode、IRQ Mode、Supervisor Mode、Abort Mode、Undefined Mode。啟動(dòng)代碼需要為每種模式建立堆棧，這需要初始化每個(gè)模式的堆棧指針。

（3）復(fù)制RW到RAM，將Zi段清零

（4）跳轉(zhuǎn)到C語言程序，執(zhí)行演示程序主代碼。

4.2.2 演示程序開發(fā)

啟動(dòng)代碼對(duì)系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境進(jìn)行基本的初始化工作，在此基礎(chǔ)上，演示程序分別對(duì)各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化，包括模塊驅(qū)動(dòng)、外圍接口電路驅(qū)動(dòng)、特定應(yīng)用場(chǎng)景的功能實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行匯總形成一套完整的演示程序。該演示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能如下：

（1）LED顯示

（2）按鍵控制GPIO輸入，或產(chǎn)生外部中斷

（3）SPI接口控制七段數(shù)碼管顯示

（4）PWM控制蜂鳴器

（5）通過I2C接口讀寫EEPROM

（6）通過UART接口與PC機(jī)進(jìn)行串口通信

（7）CAN接口之間進(jìn)行通信

（8）RTC對(duì)時(shí)間進(jìn)行測(cè)量，并定期產(chǎn)生中斷，串口顯示實(shí)時(shí)時(shí)鐘

（9）Timer定時(shí)產(chǎn)生中斷，串口打印顯示中斷次數(shù)

（10）看門狗產(chǎn)生復(fù)位

（11）通過EMC接口控制SRAM，Nor Flash工作

（12）可調(diào)電阻控制A/D輸入電壓，并由串口顯示轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)

5 結(jié)束語

LPC2294是一款低功耗、高可靠性的嵌入式處理器，具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。本文在深入了解LPC2294功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于該處理器的嵌入式演示系統(tǒng)，詳細(xì)闡述了該系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)過程，文中的硬件平臺(tái)和軟件代碼都通過了功能測(cè)試。此外該系統(tǒng)還具有一定的軟件升級(jí)性，可以移植Linux、WinCE、uC/OS-II、VxWorks、Andrio等嵌入式操作系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)：

［1］NXP Semiconductors.LPC21xx and LPC22xx User manual［DB/OL］.Rev.4，2 May 2012.www.nxp.com.

［2］Advanced RISC Machines Ltd.ARM 7TDMI Data Sheet ［DB/OL］.1995.www.arm.com.

［3］郝新軼.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2002.HAO Xin-tie.Design of Embedded System Based on ARM［D］.ChangChun：JiLin University，2002.

［4］鄭佃好.基于S3C2440的嵌入式系統(tǒng)及VGA輸出設(shè)計(jì)［D］.成都：電子科技大學(xué)，2009.ZHENG Dian-hao.Design of Embedded System Based on S3C2440 and VGA Output［D］.Chengdu：University of Electronic Science and technology，2009.

［5］周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程（第2版）［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.ZHOU Li-gong.ARM Embedded System Essentials（Second Edition）［M］.BeiJing：BeiJing University of Aeronautics and Astronautics Press，2008.

［6］杜春雷.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2003.DU Chun-lei.ARM architecture and programming［M］.BeiJing：Tsinghua University Press，2003.

［7］Advanced RISC Machines Ltd.ARM Developer Suite Version 1.2［DB/OL］.2000.www.arm.com.

［8］Advanced RISC Machines Ltd.Multi-ICE Version 2.2 User Guide［DB/OL］.2000.www.arm.com.

Design of Embedded Demo System Based on Processor LPC2294

Wang Dan1，Zhang Haitao2
（1.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.Army 95979 of Chinese People’s Liberation Army，Shenyang 110045，China）

Abstract：With the rapid development of embedded technology，the ARM-embedded system is used widely.The research on ARM-embedded system becomes one of the most popular directions.LPC2294，based on ARM7TDMI-S，is a processor and integrated with rich interface circuits，which is very well suited for industrial control，medical systems，access control，point-of-sale，communication gateways，protocol converters and embedded soft modems as well as many other general-purpose applications.In this paper，it designs an embedded Demo system based on the processor LPC2294.It firstly introduces the basic function of this chip；secondly describes the hardware design of the embedded demo system based on the chip，including power，clock，JTAG and other interface circuits；lastly presents the software design，including the start code and application program.

Key words：Embedded system；LPC2294 processor；ARM processor；Hardware design；Software design

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.002

中圖分類號(hào)：TN492

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-2279（2016）02-0004-04

作者簡(jiǎn)介：王丹（1982-），女，遼寧省錦州市義縣人，工程師，碩士，主研方向：嵌入式微處理器設(shè)計(jì)、驗(yàn)證。

收稿日期：2015-05-14