基于ARM嵌入式處理器的片上系統(tǒng)解決方案

0 引言

8位的51單片機(jī)長(zhǎng)期占據(jù)著微控制器(MCU)的主流市場(chǎng)，但隨著技術(shù)與需求的發(fā)展，32位微控制器應(yīng)用增長(zhǎng)率也在不斷攀升。目前，基于ARM內(nèi)核的32位微處理器在市場(chǎng)上處于領(lǐng)導(dǎo)地位。

基于ARM嵌入式處理器的片上系統(tǒng)解決方案可應(yīng)用于企業(yè)應(yīng)用、汽車系統(tǒng)，家庭網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線技術(shù)等市場(chǎng)領(lǐng)域。ARM CortexTM系列提供了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的體系結(jié)構(gòu)來(lái)滿足以上各種技術(shù)的不同性能要求，基于ARM架構(gòu)有3個(gè)分工明確的系列：A系列面向復(fù)雜的尖端應(yīng)用程序，用于運(yùn)行開(kāi)放式的復(fù)雜操作系統(tǒng);R系列針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng);M系列專為低成本控制和微控制器應(yīng)用開(kāi)發(fā)。Cortex-M3是基于ARM架構(gòu)的處理器，是專門(mén)為了在微控制器等對(duì)功耗和成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)高系統(tǒng)性能而設(shè)計(jì)的，它簡(jiǎn)化了可編程的復(fù)雜性，使ARM架構(gòu)成為各種應(yīng)用方案的良好選擇。

Luminary Micro公司(已被TI公司收購(gòu))StelIaris提供一系列的微控制器是首款基于ARM Cortex-M3的控制器，它們?yōu)閷?duì)成本尤其敏感的嵌入式微控制器應(yīng)用方案帶來(lái)了高性能的32位運(yùn)算能力。這些具備領(lǐng)先技術(shù)的芯片使用戶能夠以傳統(tǒng)的8位和16位器件的價(jià)位來(lái)享受32位的性能。其中，LM3S811微控制器正是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用方案而設(shè)計(jì)的，包括測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、工廠自動(dòng)化、建筑控制、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療器械、火警安防以及電力能源等。

TH12864等圖形點(diǎn)陣液晶顯示器以其工作電壓低、功耗低、壽命長(zhǎng)、不產(chǎn)生電磁輻射污染、可以顯示復(fù)雜的文字及圖形等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在各種儀器儀表、電子設(shè)備和家用電器等領(lǐng)域。

本文嘗試將基于ARM的LM3S811微控制器與TH12864顯示模塊相結(jié)合的技術(shù)應(yīng)用。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 LM3S811主控芯片

本次系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的主控芯片選擇TI公司LM3S811芯片，其電源電壓為3.3 V，最高時(shí)鐘頻率50 MHz，64 kHz的單周期FLASH;3個(gè)32位通用定時(shí)器，可分成6個(gè)16位定時(shí)器使用;一組同步串行接口(SSI)，2個(gè)異步串行接口(UART);4通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，1組模擬比較器和I2C接口;3個(gè)脈寬調(diào)制信號(hào)(PWM)模塊，32個(gè)通用輸入輸出管腳(GPIO)及硬件看門(mén)狗等。LM3S811系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

1.2 TH12864顯示模塊

本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的顯示模塊選擇帶中文字庫(kù)的TH12864，其電源電壓為3.3 V。TH12864液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo)GB2312碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)(16×16點(diǎn)陣)、128個(gè)字符(8×16點(diǎn)陣)及64×256點(diǎn)陣顯示RAM(GDRAM)?？商峁?位并行及串行2種連接方式，具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫(huà)面移位、睡眠模式等。其中TH12864的管腳功能如下：

1：VSS，地(GND);2：VDD，電源;3：V0，背光調(diào)節(jié);4：CS，片選信號(hào);5：STD，串行數(shù)據(jù);6：SCLK，串行時(shí)鐘;14：DB0-DB7，并行數(shù)據(jù);15：PSB，串并口選擇，串行模式為低電平有效;17：/RST，復(fù)位;19：LEDA，背光正極;20：LEDK，背光負(fù)極。

1.3 LM3S811主控芯片與TH12864顯示模塊的連接

為節(jié)約系統(tǒng)硬件資源以便其他用途，故選擇TH12864顯示模塊為串行模式。則主控芯片LM3S811只需要占用3個(gè)GPIO管腳即可，保留PWM等用于小車驅(qū)動(dòng)等，選擇與比較器和I2C復(fù)用的PB2，PB4和PB6，如圖2所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為底層驅(qū)動(dòng)程序、中層實(shí)現(xiàn)程序和上層應(yīng)用程序。軟件以IAR集成開(kāi)發(fā)環(huán)境為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用C語(yǔ)言編寫(xiě)，便于維護(hù)和移植。下面是部分源程序。

2.1 底層驅(qū)動(dòng)部分

底層驅(qū)動(dòng)程序完成的功能是實(shí)現(xiàn)TH12864的硬件時(shí)序。

程序如下：

驅(qū)動(dòng)程序先預(yù)處理3個(gè)字節(jié)要發(fā)送數(shù)據(jù)的具體內(nèi)容，片選后，依次循環(huán)，按時(shí)鐘信號(hào)發(fā)送每個(gè)字節(jié)的每一位，其中延時(shí)不能省略。

2.2 中層實(shí)現(xiàn)程序

中層實(shí)現(xiàn)程序完成主要功能是，按照TH12864的用戶指令集，用底層驅(qū)動(dòng)程序發(fā)送指令，完成初始化、顯示、清除、設(shè)定等功能。例如初始化程序：

從前兩句可以看出LM3S811在設(shè)置GPIO時(shí)，比普通51單片機(jī)設(shè)置要簡(jiǎn)單許多，無(wú)需記憶眾多的寄存器，由于廠家提供了Stellaris外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)，只要調(diào)用相應(yīng)API接口函數(shù)即可，簡(jiǎn)化了編程的復(fù)雜性，對(duì)于新學(xué)者也可以迅速上手編程工作。

2.3 上層應(yīng)用程序

在底層驅(qū)動(dòng)程序和中層實(shí)現(xiàn)程序的基礎(chǔ)上，程序移植方便?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)需求完成字符、漢字和圖片等實(shí)際顯示內(nèi)容。

此次系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了開(kāi)機(jī)圖片顯示，歡迎詞和小車狀態(tài)的循環(huán)動(dòng)態(tài)顯示，速度顯示及電子秒表等功能。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本次系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試和驗(yàn)證，完成并實(shí)現(xiàn)了基于ARM單片機(jī)的小車顯示系統(tǒng)功能。實(shí)現(xiàn)了LM3S811對(duì)于TH12864顯示模塊的控制，其底層驅(qū)動(dòng)程序可以供大家參考。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在硬件方面，LM3S811的主頻較高，運(yùn)算能力較強(qiáng)，外設(shè)資源豐富。在軟件方面，由于廠家提供了Stellaris外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)函數(shù)，降低了編程的難度，可以快速上手工作。此外，本系統(tǒng)也可以推廣應(yīng)用到其他小型儀表或設(shè)備顯示系統(tǒng)。