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應(yīng)用設(shè)計(jì)

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基于ARM嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

基于ARM嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用

2010/9/17 0:00:00

1.引言

     由于網(wǎng)絡(luò)與通訊的高速發(fā)展,帶動(dòng)了信息家電、信息工業(yè)的潮流,嵌入式系統(tǒng)己經(jīng)成為不可或缺的產(chǎn)品,而且它的發(fā)展方向是功能越來(lái)越強(qiáng)大.綜合數(shù)字處理能力、管理能力、控制能力通訊能力為一體的系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心.以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ) 。軟硬件可剪裁 ,適用于對(duì)功能 、可靠性、成本 、體積功耗嚴(yán)格要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的最大特點(diǎn)在于能夠根據(jù)特定用戶(hù)的需求 。對(duì)軟硬件進(jìn)行合理剪裁 。具有功耗低 、體積小集成度高等特點(diǎn),有利于整個(gè)系統(tǒng)的小型化.提高系統(tǒng)的智能化和網(wǎng)絡(luò)化程度。

    現(xiàn)有成熟的指紋識(shí)別系統(tǒng)依賴(lài)于 PC平臺(tái).這就極大的限制了指紋識(shí)別設(shè)備的使用范圍,并且提高了系統(tǒng)成本。也有相當(dāng)一部分嵌入式系統(tǒng)采用51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)的CPU.這些系統(tǒng)存在著性能差、人機(jī)界面簡(jiǎn)單、改進(jìn)余地不大等問(wèn)題。由于ARM處理器具有低功耗、低成本、高性能、小體積的優(yōu)點(diǎn).故基于ARM嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究具有重要的目的和意義。

2.系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

    嵌入式系統(tǒng)的架構(gòu)可以分為四個(gè)部分:處理器 、存儲(chǔ)器、輸入輸出和軟件。

    首先.嵌入式系統(tǒng)最核心的部分就是嵌入式處理器。當(dāng)前世界上具有嵌入式功能特點(diǎn)的處理器 已經(jīng)超過(guò)了1000多種 ,3O多個(gè)系列。不同的處理器有其 不同的功能和優(yōu)勢(shì)。但是低成本、低功耗、高性能是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的特殊要求。

    其次,存儲(chǔ)器也是構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的重要部分。本系統(tǒng)就需要外擴(kuò) Flash。雖然存儲(chǔ)器的選擇依賴(lài)于處理器的選擇.但是就功能需求來(lái)說(shuō),需要考慮容量大的,性能穩(wěn)定的存儲(chǔ)器。就 Flas來(lái)說(shuō),還需要考慮 Flash的擦除等軟件操作是否方便。

    最后,要結(jié)合實(shí)際情況和處理器的功能 。確定系統(tǒng)的外田設(shè)備。

3.ARM介紹

    ARM是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè) .該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器 、相關(guān)技術(shù)及軟件。ARM3位體系結(jié)構(gòu)目前被公認(rèn)為是業(yè)界領(lǐng)先的32位嵌人式 RISC微處理器結(jié)構(gòu) ,所有 ARM處理器共享這一體系結(jié)構(gòu)。技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域.比如嵌人控制、消費(fèi),教育類(lèi)多媒體 、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等 。

4.嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

    根據(jù)方案設(shè)計(jì) ,考慮到用戶(hù)的需求 、成本問(wèn)題和開(kāi)發(fā)的難易程度等 .本系統(tǒng)采用Philips公司生產(chǎn)的 32位 高性能嵌人式處理器LPC2104芯片 .它帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真的ARM7TDMI—CPU,并嵌人了128KB高速Flash存儲(chǔ)器和16K SRAM.CPU操作頻率可達(dá)6OMHz。由于其非常小的尺寸和極低的功耗.很適合于將小型化和低功耗作為主要要求的應(yīng)用系統(tǒng) .系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖 1所示。

 

     J]rAG調(diào)試是采用最多的一種調(diào)試方式 .它是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試接口.用于測(cè)試和系統(tǒng)未正常工作前的下載。它可以通過(guò)現(xiàn)有的JTAG邊界掃描與 ARM CPU核進(jìn)行通信.屬于完全非插人式(不占片上資~)iat試。調(diào)試主機(jī) PC負(fù)責(zé)對(duì) ARM源程序進(jìn)行編詳聯(lián)接,然后使用

調(diào)試程序(如AXD調(diào)試器)進(jìn)行JTAG調(diào)試。

    蜂鳴器電路,實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能和指示指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作狀況。

    LPC211M要使 用兩組電源 ,I/0 訂供電電源為 3-3V,內(nèi)核供電電源為 1.8V,故采用 TPPMO110電源芯片 ,。其輸入 電源為5V。

    看門(mén)狗時(shí)鐘 電路通過(guò)I℃ 總線與處理器通訊 .本系統(tǒng)采用X1228芯片 .可實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗作,H。當(dāng)芯片電壓偏高或偏低時(shí) ,復(fù)位電路 .也可以存一些數(shù)據(jù)。在使用 I℃ 之前.設(shè)置 I/O連接到 IZC總線.然后設(shè)置通訊的速率,再使能主 I℃,即可發(fā)送,接收數(shù)據(jù) 。

    鍵盤(pán)采用掃描方式 .總共設(shè) 置六 個(gè)按鈕 ??煞謩e 實(shí)現(xiàn)上移 、下移 、左移 、右移、進(jìn)入 、退出的功能 。

    LCD液晶JI豐I來(lái)顯示門(mén)禁開(kāi)啟的 ID號(hào)、姓名 、用戶(hù)信息、時(shí)間 .本系統(tǒng)采SMG12864B點(diǎn)陣型的液晶屏 。使用前要進(jìn)行初始化.控制器內(nèi)部設(shè)有 1個(gè)數(shù)據(jù)地址頁(yè)指針(指令碼為 B8H+頁(yè)碼)和 1個(gè)數(shù)據(jù)地址列指針(指令碼為40H+~ll碼),用戶(hù)通過(guò)它們來(lái)訪問(wèn)內(nèi)部的全部 512字節(jié)RAM。

    F1ash存儲(chǔ)器以其低 成本 。高 可靠 性的讀寫(xiě) .非易失性 ??刹翆?xiě)性和操作簡(jiǎn)便而成為一系列程序代碼(應(yīng)用軟件)和數(shù)據(jù)f用戶(hù)文件1存儲(chǔ)的理想媒體。從而廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。本系統(tǒng)選用的是 SAMSUNG公司的 K9F6408u0b芯片 .用于存儲(chǔ)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要有指紋庫(kù)數(shù)據(jù),用戶(hù)信息,出入記錄庫(kù)等。其 8位串行口可作為地址和數(shù)據(jù)復(fù)用,又可作命令的輸入弓l腳,根據(jù)時(shí)序采用分時(shí)循環(huán)。

    通訊模塊是本文的主要工作。LPC2104有 兩個(gè) UAlit.具有基本相同的寄存器.分別實(shí)現(xiàn)與上位機(jī) PC和指紋識(shí)別模塊通訊。由于采用 RS232協(xié)議.因此需要 RS232電平轉(zhuǎn)換電路。

    由于LPC2104數(shù)據(jù)處理的操作只針對(duì)寄存器的內(nèi)容。而不直接對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作.操作起來(lái)比較簡(jiǎn)單 .發(fā)送數(shù)據(jù)只要把數(shù)據(jù)寫(xiě)到發(fā)送緩沖區(qū)即可。接收數(shù)據(jù)采片{的是 FrQ中斷,其中UART0具有最高優(yōu)先級(jí) 。當(dāng)接收緩 沖區(qū)接收到 數(shù)據(jù)時(shí) 。就會(huì)產(chǎn)生中斷 .執(zhí)行中斷程序。

    系統(tǒng)中采用 RS232的電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX3232。具有兩路RS232電平轉(zhuǎn)換 .可實(shí)現(xiàn)與兩個(gè) 串口進(jìn)行通訊 。MAX3232芯片的TTL/CMOS輸人輸 出信號(hào)與 LPC2104的 UART輸人輸出連 接 .MAX3232輸人輸出 IZl與串日 9針連接 器相 連。接線 圖如圖2所示。在使用 UART0時(shí),先要設(shè)置TXD0、RXD0管腳連接。然后設(shè)置串El的波特率及工作模式。即可進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送及接收。

 

  

5.嵌入指紋識(shí)別模塊及其軟件設(shè)計(jì)

    整個(gè)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)完后.通過(guò)UARTO串121嵌入指紋識(shí)別模塊與系統(tǒng)進(jìn)行通訊本系統(tǒng)采用的是中正公司的SM一60指紋識(shí)別模塊,較適用于低功耗場(chǎng)合。該模塊采用光學(xué)指紋傳感器,由高性能 DSP處理器和 FLASH等芯片構(gòu)成.具有指紋圖像處理模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能,通過(guò)各種指令的組合實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能。

    根據(jù)指紋識(shí)別模塊的協(xié)議 。編寫(xiě)系統(tǒng)的程序 。主要分為通訊和管理兩個(gè)部分 ,一方面是發(fā)送指令幀 、接收數(shù)據(jù)及其校驗(yàn) ,另一方面。朋戶(hù)信息添加到數(shù)據(jù)庫(kù)和門(mén)禁開(kāi)啟的用戶(hù)記錄(如號(hào) 、姓名、用戶(hù)信息和開(kāi)啟時(shí)間)存人數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)鍵盤(pán)和 LCD液晶顯示 。進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)顯示和控制操作 ,同時(shí)在液晶屏菜單上進(jìn)行選擇,實(shí)現(xiàn)增加或刪除指紋庫(kù) ,及修改個(gè)人信息,并在 LPC210單片機(jī)的命令下 .能夠完成指紋錄人 、圖像處理 、特征提取 、模板生成、模板存儲(chǔ)、指紋比對(duì)(1:1)或指紋搜索(1:N)等功能。其總體流程圖如圖3所示。當(dāng)有手指或鍵盤(pán)按下時(shí),則執(zhí)行相應(yīng)的程序。

 

6,結(jié)論

     通過(guò)ARM 公司的ADS軟件進(jìn)行仿真 .能夠仿真實(shí)現(xiàn)指紋設(shè)備所應(yīng)該具有的功能 。最后 .把程序固化到LPC2104的Flash芯片中 .可實(shí)現(xiàn)脫機(jī)值守工作 。因此,基于ARM嵌入式系統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng) .能夠滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)低價(jià)格、高性能 、小型化和低功耗的要求 .應(yīng) 該可以說(shuō)小型化和嵌入式是今后<

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