基于DSP的智能串口屏设计.doc

1、江西理工 大学 应用科学学院毕业设计 1 摘 要 自 20 世纪 60 年代以来，数字信号处理日渐成为一项成熟技术，并在多项应用领域逐渐取代模拟信号处理系统。 DSP 技术设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点。以 DSP 为核心的控制器在控制过程中需要将许多参数显示给客户，同时有的参数针对可编程控制器需要在线修改，因此可以选着具有人机交互能力的人机界面触摸屏解决这一问题。接触屏一般是针对可编程控制器（ PLC）所设计的，不能与 DSP 直接通信，触摸屏要与 DSP 通信需要开发相应的应用程序。 本文论述了基于 DSP 的嵌入 式系统中智能串口和 155

2、3 总线扩展的研究与实现。在硬件设计方面，首先研究了 TMS320C6713 DSP 处理器的芯片架构及应用开发实例，详细地论述了 DSP扩展模块的硬件电路设计。然后通过研究通用 UART芯片 SC16C654 的 FIFO 功能，围绕 DSP 和单片机进行了智能串口的硬件设计。最后，在研究 EP-H31580 1553 总线芯片的基本功能和读写时序的基础上，完成了 1553 总线模块的硬件设计。在软件设计方面，首先进行了智能串口的数据通信协议设计，并围绕协议进行了软件设计。然后设计了 DSP 初始化模块的相关程序，并完成了扩展存储器的软件测试。最后进行了 1553 总线的联机调试。 关键词：

3、 数字信号处理；人机界面触摸屏； 数字信号处理器（ DSP） 串口 张恒：智能串口屏设计 2 Abstract Since the nineteen sixties, digital signal processing has become a mature technology, and in a number of application areas gradually replacing the analog signal processing system.DSP device having a flexible, accurate, strong anti-interference

4、capability, small device size, speed, stable performance and easy to upgrade etc.With DSP as the core controller in control process needs many parameters displayed to the customer, at the same time some parameters for programmable controller on-line modification, thus can choose a human-machine inte

5、raction interface touch screen to solve this problem.The touch screen is generally directed to the programmable controller (PLC) are designed, not with the DSP direct communication, touch screen and DSP communication requires the development of the corresponding application. The research and impleme

6、ntation about intelligent serial and 1553 bus expansion,which is on the basis of DSP embedded system, is presented in this thesis. Hardware:The architecture and application of TMS320C6713 is studied and the hardware designof DSP expansion is discussed. According to doing some research on the FIFOfun

7、ction of SC16C654, hardware has been designed based on DSP and SCM. At last,1553 bus circuit design has been finished on the basis of studying the basic functionand timing of 1553 chip EP-H31580.Software: The protocol of intelligent serial wasdesigned at first, on which software design has been fini

8、shed. The work which is aboutthe programming of DSP initialization and testing of memory expansion also has beenfinished. At last, the task is to debug the 1553 bus circuit which can be communicatedwith PC. Keywords: digital signal processing; man-machine interface touch screen; UniversalAsynchronou

9、s Receiver /Transmitter (UART) 江西理工 大学 应用科学学院毕业设计 3 目 录 摘 要 _ 1 Abstract _ 2 前 言 _ 5 第一章 绪论 _ 6 1.1 触摸屏原理 _ 6 1.2 触摸屏的分类 _ 6 1.3 触摸屏显示器技术简介 _ 8 第二章 数字信号控制器 _ 9 2.1 DSP 的特 点及基本结构 _ 9 2.3TMS320C6713 概述 _ 10 2.4 DSP 系统的软硬件开发流程 _ 11 2.5 CCSv4 概述 _ 12 第三章 系统硬件电路设计 _ 14 3.1 DSP 扩展模块硬件电路设计 _ 14 3.1.1 DSP 扩

10、展总体结构 _ 14 3.1.2MS320C6713 内部结构 _ 14 3.1.3 DSP 复位电路设计 _ 15 3.1.4. 上电复位 _ 16 3.1.5 按键复位 _ 17 3.1.6 FLASH 存储器扩展 _ 18 3.1.7 DSP 的 JTAG 电路设计 _ 19 3.2 智能串口模块硬件电路设计 _ 20 3.2.1 智能串口总体结构 _ 20 3.2.2 单片机及硬件电路扩展 _ 21 3.2.4 SC16C654 及硬件电路设计 _ 22 3.2.5 串口光电隔离电路设计 _ 23 第四章 系统的软件设计 _ 24 张恒：智能串口屏设计 2 4.1 智能串口模块协议设计

11、及软件实现 _ 24 4.1.1 智能串口协议设计 _ 24 4.1.2 DSP 发送数据流程 _ 26 4.1.3 单片机发送数据流程 _ 27 4.1.4 单片机接收数据流程 _ 29 4.1.5 DSP 接收数据流程 _ 29 4.2 DSP 扩展模块软件测试 _ 29 4.2.1 PLL 倍频设计 _ 30 4.2.2 EMIF 初始化设置 _ 31 4.2.3 FLASH 存储器软件测试 _ 32 4.2.4 SDRAM 存储器软件测试 _ 34 第五章 串口屏的应用设计 _ 35 5.1 触控配置 _ 35 5.2 触控界面设计 _ 36 5.3 系统配置和外设 _ 38 5.4

12、产品设计 _ 39 第六章 结论与展望 _ 40 结 论 _ 41 参考文献 _ 42 致谢 _ 43 江西理工 大学 应用科学学院毕业设计 5 前 言 随着信息时代的进步，信息技术的发展作为信息显示的液晶显示的应用领域，也在不断扩展。十几年前，液晶显示开始大规模从“笔段型显示”转向“点阵型显示”仪器，仪表产品中也只有那些号称智能仪表的产品才能使用。时至今日，液晶显示已经深入到了人类生存的各个领域。凡是需要使用显示的地方或产品，几乎没有不使用液晶显示的。虽然有些产品可能以前就使用液晶显示，但是今天使用的液晶显示产品 无论从技术上还是从质量上或功能上都有了质的提高和飞跃。液晶显示应用技术的发展是

13、和液晶显示应用领域的扩大密不可分。 由于计算机硬件成本的降低， HMI产品将以平板 PC计算机为 HMI 硬件的高端产品为主，因为这种高端的产品在处理器速度、存储容量、通讯接口种类和数量、组网能力、软件资源共享上都有较大的优势，是未来 HMI 产品的发展方向。 HMI 是 Human Machine Interface 的缩写 ， “ 人机接口 ” ，也叫人机界面。人机界面（又称用户界面或使用者界面）是系统和用户之间进行交互和信息交换 的媒介 ， 它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。 人机界面产品由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括处理器、显示单元、输入单元、通讯接口、数据 存储

14、单元 等，其中处理器的性能决定了 HMI产品的性能高低，是 HMI 的核心单元 。 张恒：智能串口屏设计 2 第一章 绪论 1.1 触摸屏原理 触摸屏包含上下叠合的两个透明层，四线和八线触摸屏由两层具有相同表面电阻的透明阻性材料组成，五线和七线 触摸屏由一个阻性层和一个导电层组成，通常还要用一种弹性材料来将两层隔开。当触摸屏表面受到的压力 (如通过笔尖或手指进行按压 )足够大时，顶层与底层之间会产生接触。所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表X 坐标和 Y 坐标的电压。 1.2 触摸屏的分类 根据工作原理不同，触摸屏被分为不同种类，比较常见的包括电阻式触摸屏、电容式触摸屏和红外式触摸屏等

15、等。 电阻式触摸屏 电阻式触摸屏是一种多层的复合薄膜，由一层玻璃或有机玻璃作为基层，内表面涂有一层透明的 ITO（氧化铟）导电层，上面再盖有一层外表面硬化处理、光滑防刮的塑料 层，它的内表面也涂有一层 ITO，在两层导电层之间有许多细小的透明绝缘子把它们隔开。当手指接触屏幕使之凹陷时，两层 ITO 导电层之间出现一个接触点，传感器侦测到接通点后，由集成电路进行 A/D 转换，并得到触摸点的 Y 轴和 X 轴的坐标。根据引出线数多少，电阻式触摸屏分为四线式、五线式、八线式等种类，有的基层直接使用导电玻璃或者有机导电薄膜。电阻式触摸屏的价格比较低廉，能在较为恶劣的环境下工作，并且利于大规模生产，因

16、此成为发展最早、用途最为广泛的触摸屏。目前全球生产的触摸屏中，电阻式触摸屏占 90%以上。在手机领域，电阻式 触摸屏也有应用，比如此前广受欢迎的 HTC Touch Diamond 等等。不过，电阻式触摸屏较大的缺点是不能实现多点同时触摸，这也限制了它在高端智能手机和游戏机中的应用 2） 电容式触摸屏 电容式触摸屏又可以细分为表面式和投射式两种，表面式电容触摸屏多用于 ATM 机和街机等大型设备，而投射式电容触摸屏多用于手机。电容式触摸屏是在玻璃屏幕上镀有一层透明的薄膜导体层，在导体层外再附加了一块保护玻璃，由于在触摸屏四边镀有狭长的电极，因此在导电体内形成了一个低电压交流电场。当用户触摸屏幕

17、时，由于人体电场的原因，手指与导 体层间形成一个耦合电容，四边电极发出的电流会流向触点，而电流强弱与手指到电极的距离成正比，位于触摸屏幕后的处理器便会根据电流的比例及强弱，准确算出触摸点的位置。投射式电容触摸屏则更进一步将表面分为许多个小的单元，每个单元都拥有独立的引线。当手指触摸屏幕时，根据电容的变化，传感器和处理芯片可以 “绘制 ”出电容量的变化图，从而实现多点触控。电容式触摸屏的双层结构能保护导江西理工 大学 应用科学学院毕业设计 7 体及传感器，更有效地防止环境因素对触摸屏造成影响，就算屏幕沾有污秽、尘埃或油渍，依然可以准确算出触摸位置。台湾 Higgstec 公司曾展示了它的电容 式

18、触摸屏在沸水中煮过仍可正常工作。不过，电容式触摸屏的成本较高，而且不易实现手写输入。随着高端智能手机，特别是 iPhone 这样支持多点触摸的智能手机的流行，电容式触摸屏的出货量出现了飞速增长。仅仅在 2007 年，用于手机的电容式触摸屏就出货 2350 万片。据日本富士凯美莱总研集团预计，在今年年内，用于手机的电容式触摸屏出货量将超过电阻式触摸屏，达到 5000 万片，是 2006 年的大约 8 倍。除了数量上升外，电容式和电阻式触摸屏的价格在 2007 2008年度内也分别下降了 23%和 30%，更促进了触摸屏的普及。 3） 红外 式触摸屏 红外式触摸屏分为光感应型和热感应型。光感应型由

19、装在触摸屏外框上的红外线发射与接收感测元件构成，在框的四边排列了红外线发射管及接收管，在屏幕表面形成一个红外线网。用户以手指触摸屏幕某一点，便会挡住经过该位置的两条红外线，传感器即可算出触摸点位置。因为红外触摸屏不受电流、电压和静电干扰，所以适宜某些恶劣的环境条件。它安装方便、不需要任何控制器，可以用在各档次的设备上。不过，由于只是在普通屏幕上增加了框架，因此在使用过程中架框四周的红外线发射管及接收管很容易损坏，而且由于边框部分必须嵌入受光及发光元件， 因此会使得边框部分增粗，不利于机身的轻薄化。 热感应型红外触摸屏的用途更广泛一些，它是靠感应手指的热辐射红外线工作的。不过，它仅仅能检测到热的

20、物体，如果寒冬在室外使用的话，由于手指温度太低，它很有可能出现被 “冻住 ”而失灵的情况。使用热感应型红外式触摸屏的手机也有一些，比如三星的滑盖手机 SGH-E900 和 SGH-U600。 4） 声波识别式触摸屏 声波识别式触摸屏包括声脉冲识别触摸屏和表面波识别触摸屏，通过识别表面连续或脉冲声波的变化来确定触摸位置。它由触摸屏、声波发生器、反射器和声波接收器组成，触摸屏部分只是 一块纯粹的强化玻璃，没有任何贴膜和覆盖层。玻璃屏的对角各安装了垂直和水平方向的超声波发射器和相应的超声波接收器。超声波发射器能沿着屏幕表面发送高频超声波，当手指触及屏幕时，触点上的声波波形即发生变化，由此确定坐标位置

21、。如果在 CRT 等坚固表面上使用的话，甚至不需要玻璃基板，直接将 CRT 表面当作基板即可。声波识别触摸屏不受温度、湿度等环境因素影响；分辨率高，无论用笔、指甲或手指肚都可以识别；有极好的防刮性，寿命长；透光率高，能保持清晰透亮的图像质量；没有漂移，只需安装时一次校正，而且有第三轴（即压力轴）响应。它 适合在公共场所的 POS 机、售货亭等处使用。 5） 电磁感应式触摸屏 张恒：智能串口屏设计 2 电磁感应触摸技术是较早应用于便携式 IT 产品的技术，它的特征是需要一 “笔 ”，而不是手指。这支笔能够发射电磁波，通过接收装置感应到笔在屏幕上方的位置，就可进行定位。在其它触摸屏的精度问题尚未解

22、决时，早期的 PDA、电子词典与手写板等都使用了这种方式。直到今天，电磁感应式触摸屏还在手机和平板电脑上发挥作用。电磁感应式触摸屏造价低，结构简单，利于手写输入文字，还可以和其它触摸屏集成在一起，因此广受欢迎。比如惠普 TouchSmart TX2 平板电脑就采用 了电磁感应 +电容式触摸屏，电磁感应笔进行手写输入，电容式触摸则主要用于图形界面操作。联想 ThinkPad X200T 也有类似的电磁感应 +多点触摸的型号，此外很多 GPS、上网本和 MID 也同样拥有电磁感应式触摸屏 。 1.3 触摸屏显示器技术简介 触摸屏显示器（ Touch Screen）可以让使用者只要用手指轻轻地碰计算

23、机显示屏上的图符或文字就能实现对主机操作，这样摆脱了键盘和鼠标操作，使人机交互更为直截了当。主要应用于公共场所大厅信息查询、领导办公、电子游戏、点歌点菜、多媒体教学、机票 /火车票预售等。产品主要分 为 电容式触摸屏，电阻式触摸屏 和表面声波触摸屏三类。触摸屏显示器 主要组件触摸屏和显示器集成设备而且具有输入输出设备的功能，按照 4线触摸屏、 6 线触摸屏、 8 线触摸屏、红外线式触摸屏、表面声波触摸屏、电容式触摸屏。触摸屏显示器也分有 CRT 触摸屏显示器和 LCD 触摸屏显示器的基本两种触摸屏显示器。触摸屏显示器外形同普通显示器没有明显差别，只是比普通显示器多出了一条触摸屏信号线。安装时注

24、意触摸屏显示器必须装相应触摸屏驱动程序才能正常使用，否则不能启动触摸屏操作。 以下是触摸屏显示器的安装技术介绍 :拆卸显示器的目的在于使 CRT的前表面完全袒露和取下显示器前罩 ,以便安装触摸屏 2） 拆卸显示器注意事项 (触摸屏 ) 取出 CRT 时，一定不要抓拿或碰撞 CRT 的管颈及电子枪 (触摸屏 )，因为电子枪是玻璃结构，非常容易被碰坏，所以取出 CRT 后必须要考虑到电子枪的安全，一般是 CRT 显示面朝上放置于塑料桶中。 3） 修整显示器前罩拆下 CRT 和显示器前罩后，试着把触摸屏放进拆下的显示器前罩，一般 前罩内部设计了一些加强筋，这些加强筋主要在生产过程中脱模时有用，如果妨

25、碍触摸屏的放入或者觉得长期使用可能会伤及触摸屏边上的导线，就应该用斜口钳将其削掉（削剪后最好将切口打磨圆滑，因为切口太锋利可能会伤及触摸屏边上的导线，如空间允许等等，可以用泡沫双面胶贴住切口 )。 4） 粘贴防尘条在显示器前罩内贴上防尘条有两个作用： 1.防止压坏换能器。某些显示器如 PHILIPS 前罩可视框高度不够，如果不贴防尘条装入触摸屏会使换能器被压坏，从而导致触摸屏无法使用，这种现象在纯平显示器上犹为突出，江西理工 大学 应用科学学院毕业设计 9 贴上防尘条可以为换能器垫出 空间，从而解决这一问题。 2.防止外界灰尘进入触摸屏条纹区。触摸屏条纹上如果灰尘堆积太多会导致触摸反应迟钝、局

26、 部触摸失效等问题，贴上防尘条可以有效解决这一问题。 5） 粘贴双面胶。在显像管的可视区外贴上双面胶，待粘贴触摸屏时再将双面胶外层胶纸撕去。 6） 修整显示器后盖。为了观察控制盒的工作状态，建议将控制盒安装在显示器的外部。但如果为了美观可以将控制盒用双面胶粘贴或想办法用螺丝固定在显示器的内部，同时用斜口钳在显示器后盖削出一个可以穿过屏线或串口线的小孔 . 7） 清洁、粘贴触摸屏。用玻璃清洁剂和麂皮 彻底地清洁触摸屏的两个表面，同时清洁显示器的表面。清洁完毕后把触摸屏认真居中对准屏幕粘上，注意在保证换能器安全的前提下尽量使触摸屏的反射条纹在显像管可视区之外，触摸屏有三个换能器的一边朝上，并立刻用

27、耐高温的胶带封紧四边的缝隙，以保证夹缝内不进入灰尘。 如果将显示器前罩平放在工作台上，再将显像管装入显示器前罩，则一定要将显示器前罩下部垫高，使触摸屏不直接接触工作台，因为触摸屏表面为弧形，否则极易在安装时压碎触摸屏！ 橡胶垫圈高度应略微超过触摸屏和双面胶总的高度。 第二章 数字信号控制器 2.1 DSP 的特 点及基本结构 1、 DSP 的主要特点： DSP 处理器作为当今嵌入式系统运用最广泛的处理器之一，主要具备以下优点： （ 1）接口方便： DSP 系统与其他以现代数字技术为基础的系统或设备都是互兼容的。 （ 2）编程方便： DSP 系统中的可编程 DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵

28、活方便地对软件进行修改和升级。 （ 3）稳定性好： DSP 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高。 （ 4）精度高： 16 位数字系统可以达到非常高的精度。 （ 5）可重复性好：模拟系统的性能受元器件参数影响性能变化比较大，而数字系统 基本不受影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产。 张恒：智能串口屏设计 2 （ 6）集成方便： DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。 DSP 系统由于具备突出的优点，因此己经在通信、语音、图像、雷达、生物医学、工业控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 2.2DSP 芯片的基本结构 DSP 芯片，也称数字

29、信号处理器，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数字信号处理算法。根据数字信号处理的要求， DSP芯片一般具有如下主要特点： （ 1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一 次加法。 （ 2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。 （ 3）片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。 （ 4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。 （ 5）快速的中断处理和硬件 I/O 支持。 （ 6）具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。 （ 7）可以并行执行多个操作。 （ 8）支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以并行执行。 为了快速地

30、实现数字信号处理运算， DSP 芯片一般都采用特殊的软硬件结构。下面以TMS320 系列为例介绍 DSP 芯片的基本结构。 TMS320 系列 DSP 芯片的基 本结构包括：哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器和快速的指令周期。这些特点使得 TMS320 系列 DSP 芯片可以实现快速的 DSP 运算，并使大部分运算（例如乘法）能够在一个指令周期内完成。由于 TMS320 系列 DSP 芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器共有的方便灵活的特点。 2.3TMS320C6713 概述 目前 Tl 公司的 DSP 产品主要分为 2 类，一类为定点型的 DSP，一类为浮点型的 DSP。同浮点型

31、 DSP 相比，定点 DSP 型号比较多，如 TMS320C1X、 TMS320C2X、 TMS320C5X、TMS320C62X 等，而且相对于浮点 DSP 价格较便宜。但是由于本系统将用于导航控制，导航系统的算法中主要以多阶的矩阵运算为主，因此，定点 DSP 做浮点运算时，一般只能采用调动浮点库函数、查表法等几种方法进行，调用浮点库函数，虽然计算精度可以保证，但计算速度比较慢，利用查表法计算浮点，计算精度与表格大小有关，一般情况下，查表法的计算精度无法满足精度要求。 Tl 公司的浮点型 DSP 的型号有 TMS320C3X/4X、TMS320C67X 等。因为浮点 DSP 芯片硬件支持浮点格式，所以浮点运算能力强，运算精度也能够满足要求，虽然价格略 高于定点 DSP，但考虑到性能和速度，本系统采用浮点DSP 芯片作为 CPU。 TMS320C67X 系列 DSP 芯片是 TI 最新推出的浮点芯片，它的主频最