第1章概述1.1課題背景嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以現(xiàn)代計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，能夠根據(jù)用戶需求(功能、可靠性、成本、體積、功耗、環(huán)境等)靈活裁剪軟硬件模塊的專用計算機系統(tǒng)。要點概括：以應(yīng)用為中心：強調(diào)嵌入式系統(tǒng)的目標(biāo)是滿足用戶的特定需求。就絕大多數(shù)完整的嵌入式系統(tǒng)而言，用戶打開電源即可直接享用其功能，無需二次開發(fā)或僅需少量配置操作。專用性：嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用場合大多對可靠性、實時性有較高要求，這就決定了服務(wù)于特定應(yīng)用的專用系統(tǒng)是嵌入式系統(tǒng)的主流模式，它并不強調(diào)系統(tǒng)的通用性和可擴展。這種專用性通常也導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)是一個軟硬件緊密集成的最終系統(tǒng)，因為這樣才能更有效地提高整個系統(tǒng)的可靠性并降低成本，并使之具有更好的用戶體驗。以現(xiàn)代計算機技術(shù)為核心：嵌入式系統(tǒng)的最基本支撐技術(shù)，大致上包括集成電路設(shè)計技術(shù)、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)、嵌入式操作系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)技術(shù)、資源受限系統(tǒng)的高可靠軟件開發(fā)技術(shù)、系統(tǒng)形式化規(guī)范與驗證技術(shù)、通信技術(shù)、低功耗技術(shù)、特定應(yīng)用領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析、信號處理和控制優(yōu)化技術(shù)等，它們圍繞計算機基本原理，集成進特定的專用設(shè)備就形成了一個嵌入式系統(tǒng)。軟硬件可裁剪：嵌入式系統(tǒng)針對的應(yīng)用場景如此之多，并帶來差異性極大的設(shè)計指標(biāo)要求(功能性能、可靠性、成本、功耗)，以至于現(xiàn)實上很難有一套方案滿足所有的系統(tǒng)要求，因此根據(jù)需求的不同，靈活裁剪軟硬件、組建符合要求的最終系統(tǒng)是嵌入式技術(shù)發(fā)展的必然技術(shù)路線。1.2課題現(xiàn)狀經(jīng)過近幾年的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)（Embeddedsystem）已經(jīng)成為電子信息產(chǎn)業(yè)中最具增長力的一個分支。隨著手機、PDA、GPS、機頂盒等新興產(chǎn)品的大量應(yīng)用，嵌入式系統(tǒng)的市場正在以每年30%的速度遞增（IDC預(yù)測），嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計也成為軟硬件工程師越來越關(guān)心的話題。綠色環(huán)保節(jié)能是全球化的熱潮，而嵌入式計算機系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強的產(chǎn)品，低功耗設(shè)計不僅是綠色環(huán)保的要求，也是嵌入式計算機系統(tǒng)體積和質(zhì)量的約束。隨著市場對嵌入式計算機系統(tǒng)在體積和性能方面要求的不斷提升，小體積、高性能與有限的電池能量之間的矛盾日益突出，系統(tǒng)低功耗設(shè)計是解決這一矛盾的有效手段?；贏RM的嵌入式計算機系統(tǒng)在保證系統(tǒng)性能的情況下通過硬件和軟件兩方面低功耗的設(shè)計來最大限度地降低嵌入式計算機系統(tǒng)的功耗。在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計中，低功耗設(shè)計（Low-PowerDesign）是許多設(shè)計人員必須面對的問題，其原因在于嵌入式系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強的產(chǎn)品中去，而這些產(chǎn)品不是一直都有充足的電源供應(yīng)，往往是靠電池來供電，所以設(shè)計人員從每一個細(xì)節(jié)來考慮降低功率消耗，從而盡可能地延長電池使用時間。事實上，從全局來考慮低功耗設(shè)計已經(jīng)成為了一個越來越迫切的問題。嵌入式計算機系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于便攜式和移動性較強的產(chǎn)品中，而這些產(chǎn)品的低功耗設(shè)計的目標(biāo)是在滿足用戶對性能需求的前提下，盡可能降低系統(tǒng)的能耗，延長設(shè)備的待機時間[基于ARM處理器的嵌入式計算機系統(tǒng)主要通過低功耗微處理器選擇、接口驅(qū)動電路的設(shè)計、電源供給電路設(shè)計、動態(tài)電源管理等來實現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗。該系統(tǒng)已經(jīng)在產(chǎn)品應(yīng)用，系統(tǒng)性能穩(wěn)定，功耗很小。第2章總體設(shè)計方案2.1設(shè)計要求用觸摸屏做人機接口，在觸摸屏上完成十進制的四則運算（加、減、乘、除），按鍵時觸摸屏有相應(yīng)，觸摸屏顯示運算數(shù)據(jù)及結(jié)果。2.2方案論證采用LPC2138作為系統(tǒng)控制器。LPC2138是NXP恩智浦基于ARM7內(nèi)核的一款芯片，該CPU支持實時仿真和嵌入式跟蹤，將該微控制器與32kB、64kB、128kB、256kB和512kB的嵌入式高速Flash存儲器相結(jié)合。128位存儲器接口和獨特的加速架構(gòu)使得32位代碼可在最高時鐘速率下執(zhí)行。對代碼大小要求嚴(yán)格的應(yīng)用程序，可選用的16位Thumb模式以最小的性能損失換取超過30%的代碼壓縮。LLPC2138最小系統(tǒng)電源電路觸摸屏模塊晶振電路復(fù)位電路串口通信圖2.1總體框圖

第3章硬件設(shè)計3.1嵌入式系統(tǒng)介紹嵌入式系統(tǒng)由硬件和軟件組成．是能夠獨立進行運作的器件。其軟件內(nèi)容只包括軟件運行環(huán)境及其操作系統(tǒng)。硬件內(nèi)容包括信號處理器、存儲器、通信模塊等在內(nèi)的多方面的內(nèi)容。相比于一般的計算機處理系統(tǒng)而言，嵌入式系統(tǒng)存在較大的差異性，它不能實現(xiàn)大容量的存儲功能，因為沒有與之相匹配的大容量介質(zhì)，大部分采用的存儲介質(zhì)有E-PROM、EEPROM等，軟件部分以API編程接口作為開發(fā)平臺的核心。3.2主要單元電路設(shè)計3.3.1LPC2138參數(shù)采用小型LQFP64封裝。32KB的RAM,512KB的FLASH，16個10位A/D通道，1個10位D/A通道。LPC2131是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STMCPU的微控制器，并帶有32kB、64kB、512kB的嵌入的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb?模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。較小的封裝和極低的功耗使LPC2131/2132/2138可理想地用于小型系統(tǒng)中，如訪問控制和POS機。寬范圍的串行通信接口和片內(nèi)8/16/32kB的SRAM使LPC2131/2132/2138非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、軟modem、聲音辨別和低端成像，為它們提供巨大的緩沖區(qū)空間和強大的處理功能。多個32位定時器、1個或2個10位8路ADC、10位DAC、PWM通道和47個GPIO以及多達(dá)9個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)?！咎匦浴俊裥⌒蚅QFP64封裝的16/32位ARM7TDMI-S微控制器?！?/16/32kB片內(nèi)靜態(tài)RAM?！衿瑑?nèi)Boot裝載軟件實現(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用中編程（ISP/IAP）。扇區(qū)擦除或整片擦除的時間為400ms，1ms可編程256字節(jié)。●EmbeddeDICE?RT和嵌入式跟蹤接口可實時調(diào)試（利用片內(nèi)RealMonitor軟件）和高速跟蹤執(zhí)行代碼?！?個（LPC2132/2132）或2個（LPC2138）8路10位A/D轉(zhuǎn)換器共包含16個模擬輸入，每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至2.44us。●1個10位D/A轉(zhuǎn)換器，可提供不同的模擬輸出（LPC2132/2138）?！?個32位定時器/計數(shù)器（帶4路捕獲和4路比較通道）、PWM單元（6路輸出）和看門狗?！駥崟r時鐘具有獨立的電源和時鐘源，在節(jié)電模式下極大地降低了功耗?！穸鄠€串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM和SSP（具有緩沖功能，數(shù)據(jù)長度可變）。●向量中斷控制器?？膳渲脙?yōu)先級和向量地址?！穸噙_(dá)47個5V的通用I/O口（LQFP64封裝）?！?個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳?！裢ㄟ^片內(nèi)PLL可實現(xiàn)最大為60MHz的CPU操作頻率，PLL的穩(wěn)定時間為100us?！衿瑑?nèi)晶振頻率范圍：1~30MHz。●2個低功耗模式：空閑和掉電?！窨赏ㄟ^個別使能/禁止外部功能和降低外部時鐘來優(yōu)化功耗?！裢ㄟ^外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒?！駟蝹€電源供電，含有上電復(fù)位（POR）和掉電檢測（BOD）電路：－CPU操作電壓范圍：3.0~3.6V（3.3V+/－10%），I/O口可承受5V的最大電壓3.3.2ADS7843參數(shù)ADS7843是4線電阻觸摸屏轉(zhuǎn)換接口芯片。它是一款具有同步串行接口的12位取樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器。在125KHz吞吐速率和2.7V電壓下的功耗為750uW，而在關(guān)閉模式下的功耗僅為0.5uW。因此ADS7843以其低功耗和高速率等特性，被廣泛應(yīng)用在采用電池供電的小型手持設(shè)備上。ADS7843采用SSOP-16引腳封裝形式。溫度范圍是-40℃~+80℃。ADS7843具有兩個輔助輸入（1N3、1N4），可設(shè)置為8位或12位模式。該電路的工作電壓在2.7~5.25V之間。基準(zhǔn)電壓vref介于1V~+Vcc。該電路的基準(zhǔn)電壓確定了轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，輸出數(shù)據(jù)中每個數(shù)字位代表的模擬電壓等于基準(zhǔn)電壓除以4096。平均基準(zhǔn)輸入電流由ADS7843的轉(zhuǎn)換率來確定。3.3.3ARM7TDMIARM9TARM7TDMI內(nèi)核是ARM核系列中32位通用內(nèi)核中的一個產(chǎn)品，它采用三級流水線結(jié)構(gòu)，指令的執(zhí)行分成取指、譯值和執(zhí)行3個階段。運算器能夠?qū)崿F(xiàn)32位整數(shù)運算。內(nèi)核不但能夠執(zhí)行32位高效ARM指令，同時還支持簡潔的16位Thumb指令集以提高代碼密度。ARM7TDMI名稱的含義為：ARM7：ARM系列具有32位運算能力的內(nèi)核，它采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)長度可以是8位，16位和32位，而指令長度是32位。T：內(nèi)含16位壓縮指令集Thumb，由于32位RISC型處理器的指令代碼利用率較低，ARM為了彌補不足，在新型ARM架構(gòu)（V4T版以上，成熟架構(gòu)由V3版發(fā)展到V6版）定義了16位的Thumb指令集，Thumb指令集比通常的8位和16位CISC/RISC處理器具有更好的代碼密度，而芯片面積只增加6%，可使程序存儲器更小。D：支持片內(nèi)調(diào)試，該內(nèi)核包含用于調(diào)試的硬件結(jié)構(gòu)，可使CPU進入調(diào)試模塊，可以方便地進行斷點觀察點設(shè)置、單步調(diào)試和多步調(diào)試d）M：采用增強型乘法器。AARM7TDMI指令集包含2個32位×32位的乘法指令和2個乘法累加MAC指令，該結(jié)構(gòu)使得指令的執(zhí)行比其他類型的ARM7內(nèi)核減小了許多機器周期。I：內(nèi)含嵌入式ICE（）InputCheckingEquipment輸入校驗設(shè)備，輸入校正裝置宏單元，ARM架構(gòu)的處理器芯片都嵌入了EmbeddedICE－RT邏輯塊，便于通過JTAG接口來仿真調(diào)試RAM架構(gòu)芯片。3.3.4LCD技術(shù)參數(shù)LCD（LiquidCrystalDisplay的簡稱）液晶顯示器。LCD的構(gòu)造是在兩片平行的玻璃基板當(dāng)中放置液晶盒，下基板玻璃上設(shè)置TFT（薄膜晶體管），上基板玻璃上設(shè)置彩色濾光片，通過TFT上的信號與電壓改變來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動方向，從而達(dá)到控制每個像素點偏振光出射與否而達(dá)到顯示目的。LCD已經(jīng)替代CRT成為主流，價格也已經(jīng)下降了很多，并已充分普及。優(yōu)點：（1）由于CRT顯示器是靠偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的電磁場來控制電子束的，而由于電子束在屏幕上又不可能絕對定位，所以CRT顯示器往往會存在不同程度的幾何失真，線性失真情況。而LCD由于其原理問題不會出現(xiàn)任何的幾何失真，線性失真，這也是一大優(yōu)點。（2）與傳統(tǒng)CRT相比液晶在環(huán)保方面也表現(xiàn)的不錯，這是因為LCD內(nèi)部不存在象CRT那樣的高壓元器件，所以其不至于出現(xiàn)由于高壓導(dǎo)致的x射線超標(biāo)的情況，所以其輻射指標(biāo)普遍比CRT要低一些。（3）LCD與傳統(tǒng)CRT相比最大的優(yōu)點還是在于耗電量和體積，對于傳統(tǒng)17寸CRT來講，其功耗幾乎都在80W以上，而17寸液晶的功耗大多數(shù)都在40W上下，這樣算下來，液晶在節(jié)能方面可謂優(yōu)勢明顯。3.3.5觸摸屏電路設(shè)計典型觸摸屏的工作原理一般由三部分組成，兩層透明的阻性導(dǎo)體層、兩層導(dǎo)體之間的隔離層及電極。觸摸屏工作時，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)某一層電極加上電壓時，會在該網(wǎng)絡(luò)上形成電壓梯度。如有外力使得上下兩層在某一點接觸，則在電極未加電壓的另一層可以測得接觸點處的電壓，經(jīng)過Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換知道接觸點處的坐標(biāo)。比如，在底層的電極（Ｙ＋，Ｙ－）上加上電壓，則在底層導(dǎo)體層上形成電壓梯度，當(dāng)有外力使得上下兩層在某一點接觸，在頂層就可以測得接觸點處的電壓，再根據(jù)該電壓與電極（Ｘ＋）之間的距離關(guān)系，知道該處的Ｙ坐標(biāo)。然后，將電壓切換到（Ｘ＋，Ｘ－）頂層電極上，并在底層測量接觸點處的電壓，從而知道Ｘ坐標(biāo)。觸摸屏控制器工作原理ＡＤＳ７８４３由多個模擬開關(guān)組成的供電一測量電路網(wǎng)絡(luò)和１２位的Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器組成，其最高轉(zhuǎn)換速率達(dá)到１２５ｋＨｚ．Ｘ＋、Ｙ＋、Ｘ一、Ｙ一是轉(zhuǎn)換器模擬輸入端．觸摸屏工作時，上下導(dǎo)體層相當(dāng)于電阻網(wǎng)絡(luò)．當(dāng)在Ｘ電極對上施加一確定的電壓，而Ｙ電極對上不加電壓時，在Ｘ平行電壓場中，觸點處的電壓值可以在Ｙ＋（或Ｙ一）電極上反映出來，通過測量Ｙ＋電極對地的電壓大小，便可得知觸點的Ｘ坐標(biāo)值．同理，當(dāng)在Ｙ電極對上加電壓，而Ｘ電極對不加電壓時，通過測量Ｘ＋電極的電壓，便可得知觸點Ｙ坐標(biāo).圖3.12ARM7TDMI-S模塊圖3.3.6觸摸屏接口電路設(shè)計圖3.2觸摸屏接口原理圖VCLK是LCD控制器和LCD驅(qū)動器之間的像素時鐘信號VLINE是LCD控制器和LCD驅(qū)動器之間的行同步脈沖信號VFRAME是LCD控制器和LCD驅(qū)動器之間的幀同步信號。VM是LCD驅(qū)動器的AC信號。VD[3∶0]和VD[7∶4]是LCD像素點數(shù)據(jù)輸出端口。第4章軟件設(shè)計4.1軟件總體設(shè)計程序開始首先對所有的參數(shù)進行初始化，給結(jié)果的存放賦值并對顯示緩沖區(qū)清空，然后開始掃描判斷觸摸屏是否有鍵按下，如果有鍵按下，讀取坐標(biāo)值，判斷坐標(biāo)值所代表的鍵值是什么鍵被按下，如果是數(shù)字鍵按下，則判別是哪個數(shù)字鍵按下然后把數(shù)值送顯示程序顯示：如果是清零鍵被按下，則把當(dāng)前狀態(tài)清零處理；如果是功能鍵（“+”“-”“*”“/”“=”）被按下，則判斷是“=”鍵還是運算功能鍵，若是“=”，則計算結(jié)果，送觸摸屏顯示；所示其他運算功能鍵，則根據(jù)上次功能鍵和輸入的數(shù)據(jù)計算結(jié)果，然后保存結(jié)果和功能鍵，顯示緩沖，等待下次數(shù)值的輸入。圖4.1整體流程圖4.2觸摸屏函數(shù)調(diào)用設(shè)計圖4.2觸摸屏函數(shù)調(diào)用

第5章系統(tǒng)調(diào)試5.1電路的調(diào)試調(diào)試是指系統(tǒng)的調(diào)整、改進與測試。測試是在電路組裝后對電路的參數(shù)與工作狀態(tài)進行測量，調(diào)整則是在測試的基礎(chǔ)上對電路的某些參數(shù)進行修正，使?jié)M足設(shè)計要求。在進行調(diào)試前應(yīng)擬訂出測試項目、測試步驟、調(diào)試方法和所用儀器等，做到心中有數(shù)，保證調(diào)試工作圓滿完成。5.1.1調(diào)試方法調(diào)試方法原則有兩種。第一種是邊安裝邊調(diào)試的方法。它是把復(fù)雜的電路按原理框圖上的功能分成單元進行安裝和調(diào)試，在單元調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴大安裝和調(diào)試的范圍，最后完成整機調(diào)試。這種方法在新設(shè)計的電路中比較常用。第二種方法是在整個電路系統(tǒng)全部焊接完畢后，實行一次性調(diào)試。這種方法比較適用于電路相對來說比較簡單，系統(tǒng)不復(fù)雜的電路調(diào)試。5.1.2調(diào)試步驟各單元電路調(diào)試好以后，并不見得由它們組成的整體電路性能一定會好，因此還要進行整體電路調(diào)試。整體電路調(diào)試主要是觀察和測量動態(tài)性能，把測量的結(jié)果與設(shè)計指標(biāo)逐一對比，找出問題及解決辦法，然后對電路及其參數(shù)進行修正，直到全部電路的性能完全符合設(shè)計要求為止。

總結(jié)通過這次課程設(shè)計，我擺脫了理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合，鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，提高我查閱文獻資料、設(shè)計規(guī)范以及其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌握，對局部的聚會，以及對細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗得到了積累，這是我們都希望看到的也正是我們進行課程設(shè)計的目的所在。在做計算器時，第一步關(guān)鍵是要將觸摸屏校準(zhǔn)，使用觸摸屏實驗程序，通過超級終端將坐標(biāo)打印出來，從而去調(diào)整TchScr_Xmax,TchScr_Xmin,TchScr_Ymax,TchScr_Ymin四個坐標(biāo)值，使得觸摸屏與LCD顯示屏能夠正確的對應(yīng)在坐標(biāo)對應(yīng)的過程中，首先要確定實際觸摸屏的X、Y坐標(biāo)方向，以及程序中的X、Y坐。標(biāo)方向是不是已經(jīng)和實際坐標(biāo)對應(yīng)起來，否則容易出現(xiàn)后面按鍵時出現(xiàn)按鍵錯位。運算時候要注意數(shù)據(jù)類型本設(shè)計是ARM的觸屏計算器，在ARM的軟件與硬件設(shè)計中，由于ARM與觸摸屏是通過串口進行數(shù)據(jù)。幫硬件的設(shè)計主要分為兩個模塊，一個ARM串口通信模塊和觸摸屏模塊。本次設(shè)計成功的用ARM控制觸摸屏模塊，由于其人機界面，給日常生活帶來了高效便捷的操作界面。

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附錄程序清單_keyboardcal_key[]={//鍵盤初始化的按鍵位置設(shè)置{'F',15,68,59,105},//OFF{'B',75,72,116,107},//BACK{'C',131,69,174,108},{'+',185,69,229,107},{'7',18,117,58,154},//BACK{'4',17,116,59,203},//ENTER{'1',16,212,58,249},{'0',16,206,58,297},{'8',78,115,115,154},{'5',74,164,116,202},{'2',74,212,115,249},{'K',74,259,116,299},//+/-{'9',131,114,174,155},{'6',131,163,174,201},{'3',132,211,173,249},{'.',131,260,174,298},{'-',185,115,227,154},{'/',185,162,227,201},{'*',185,211,227,249},{'=',185,260,227,298}};char*device="/dev/touchscreen/0raw";intscreen_tp_fd;voidinit_handpad()//觸摸屏初始化函數(shù){screen_tp_fd=open(device,O_RDONLY);if(screen_tp_fd==-1){printf("Unabletoopentouchscreen");exit(0);}}typedefstruct{//觸摸屏使用的獲取信息結(jié)構(gòu)體unsignedshortpressure;unsignedshortx;unsignedshorty;}TS_RET_HANDPAD;intget_handpad(int*x,int*y)//從點擊操作上獲取信息的函數(shù){inti=0,x_sum=0,y_sum=0;intxa[3],ya[3];//take3timestouchscreenpointfor(i=0;i<3;){TS_RET_HANDPADcBuffer;read(screen_tp_fd,&cBuffer,sizeof(TS_RET_HANDPAD));if(cBuffer.pressure){xa[i]=cBuffer.x;ya[i]=cBuffer.y;i++;}}*x=get_average_num(xa[0],xa[1],xa[2]);*y=get_average_num(ya[0],ya[1],ya[2]);return1;}voidchar_get_index(_keyboard*pButton,inttotal,int*x,int*y)//判斷按鍵區(qū)域，并且返回按鍵對應(yīng)的信息{inti;for(i=1;i<=total;i++){if(*x>pButton[i].startx&&*x<pButton[i].endx)if(*y>pButton[i].starty&&*y<pButton[i].endy){i