毕业设计(论文)-智能时钟控制装置的设计及实现.doc

毕毕 业业 论论 文文 设设 计计 题 目 智能时钟控制装置的设计及实现 学生姓名 学号 1 所在学院 物理与电信工程学院 专业班级 通信工程 1204 班 指导教师 完成地点 陕西理工学院 2016 年 6 月 5 日 I 毕 业 论 文 设 计 任 务 书 院(系)物理与电信工程学院 专业班级 通信 1204 学生姓名 一、毕业论文设计题目 智能时钟控制装置的设计及实现 二、毕业论文设计工作自_2015 _年_12 _月_ 20 日 起至_ 2016 _年 6 月 20 日止 三、毕业论文设计进行地点:物电学院实验室 四、毕业论文设计的内容要求：1、本次毕业设计要求如下：设计一个智能时钟控制装置，要求：能够进行时钟显示，要求能够显示年、月、日、时、分、秒以及星期，并能够快速校准；数字钟能够进行实时温度显示；数字钟可实现整点报时及闹钟功能；该智能时钟控制装置可实现对室内灯光及家用电器的定时开关机功能。2、毕业设计成果要求：程序代码、硬件实物和论文，论文要求计算机打印（A4 纸），论文有不少于 3000 词的相关英文中文翻译。3、毕业设计时间安排：14 周：查阅相关资料，熟悉题目内容，掌握设计原理，提交开题报告；510 周：根据设计原理，进行相应软、硬件设计；1112 周：完善设计功能，整理资料并进行结果测试及分析；1314 周：毕业设计验收；1516 周：撰写、修改、提交毕业论文，毕业答辩。指 导 教 师 系(教 研 室)通信系 系(教研室)主任签名 批准日期 接受论文(设计)任务开始执行日期 学生签名 II 智能时钟控制装置的设计及实现智能时钟控制装置的设计及实现 （陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业 1204 班，陕西 汉中 723001）指导教师：摘要 智能时钟控制装置具有显示时间及温度、闹钟定时等功能，同时可实现对家用电器的智能控制。本设计以 Exynos4412 开发板为整个装置的核心，以触摸屏点击坐标及 DS18B20 数字温度传感器采集的室内温度为输入信息，经控制器处理在 LCD 屏中实时显示时间及温度，并控制灯光模块和步进电机工作，同时，该装置还具有对家用电器的远程控制功能。该装置体积小、成本低、应用广泛，具有较强的应用价值。关键词 智能控制;Exynos4412;DS18B20 V Design and Implementation of Intelligent Clock Control Device Su Fawei(Grade12,Class 4,Major of Communication Engineering，School of Physics and Telecommunication Engineering,Shanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shanxi)Tutor:zhang Wenli Abstract:The control device of intelligent clock has the functions of displaying the time and temperature,timing by the clock,which can also realize the intelligent control of household appliances.The core of this device is the Exynos4412 development board.After processing the coordinates of the touching screen and the obtaining indoor temperature through DS18B20 by processor,the screen of LCD can display the time and the temperature.At the same time,it can control the lighting module and stepper.In addition,this device also has the function of remotely control the household appliances.In short,this device has the advantage of small volume,low cost,wide application,which has the strong practical value in application.Key words:Intelligent clock control;Exynos 4412;DS18B20 VI 目录 引言.1 1.课题研究背景.2 1.1 研究现状.2 1.2 发展前景.2 1.3 应用领域.3 1.4 本文研究内容.3 2.方案论证.4 2.1 设计要求.4 2.2 方案设计.4 2.2.1 单片机方案.4 2.2.3 ARM 方案.4 2.3 方案选择.5 3.硬件设计.6 3.1 系统组成.6 3.2 单元电路的设计.6 3.2.1 Exynos4412 处理器.6 3.2.2 电源电路.6 3.2.3 集成电路.7 3.2.4 蜂鸣器驱动电路.8 3.2.5 灯光控制电路.9 3.2.6 步进电机电路.10 3.2.7 温度采集电路.11 3.2.8 显示电路.12 4.软件设计.13 4.1 主程序设计.13 4.2 子程序的设计.14 4.2.1 主控模块.14 4.2.3 温度采集.17 4.2.3 显示模块.17 4.2.4 触摸功能模块.19 5.系统调试及分析.20 5.1 程序调试.20 5.1.1 开发环境介绍.20 5.1.2 程序的 bug 调试.20 5.2 硬件调试.20 5.3 结果分析.22 结束语.23 致谢.24 参考文献.25 附录 A：外文文献原文.26 附录 B：外文文献译文.34 附录 C：部分程序清单.40 附录 D：元器件清单.44 附录 E：实物图.45 陕西理工学院毕业论文 第 1 页 共 50 页 引言 从现代科技发展来说，随着世界经济和科技爆炸式的发展，嵌入式行业抓住了发展机遇，获得了前所未有的发展，成为了推动国家发展的重要动力。而且随着人们生活水平的不断提高，对生活质量的要求也越来越高。今天，电脑、电话、电视、视听产品已经成为平常百姓家中的必需品。对于人们的生活中来说，时钟是比不可少的一部分，没有时钟，整个人类社会就会无序，人们的生活效率就会很低，人们在安排事情的处理时就会忘记，没有一个准确的时钟，各种各样的事情就会在错误的时间点出现。当人们在工作劳累之后，在安排家中的电器工作时，没有一个很强大功能的控制装置，此时，这就导致了生活中许多的电器无法合理的工作，也就会浪费人们的时间，这就会白白消耗时间，这是很不利的。因此，对电器工作的定时控制装置产生了。在这样的背景下，基于 ARM 的智能时钟控制装置的研究产生了，利用 ARM 可移植操作系统的这一特殊属性，可以同通用计算机一样实现时间的准确性，可以使得人们在对时间的把握更准确。对本次设计来说，主要是使得我们能够将自身所学的知识通过自己的思考后实践检测出处理事件的经验，同时也培养了我们个人的团队意识，一起解决问题，团结合作处理问题。在选题后，经过查阅大量的资料，阅读许多的外文文献，对于这个课题进行详细的研究，结合前人的研究，对于单片机的处理和嵌入式的开发流程对比，结合当前社会所需的智能装置，有了这次的课题研究。本文的目的是准备以嵌入式技术为基础方案，设计一个智能的时钟控制系统装置。该装置将要实现以下功能：(1)实时获取开发板的时钟时间，并经过 ARM 处理器的数据处理在通过 LCD 屏幕的显存而显示出时间。在显示时间时要求将年、月、日、时、分、秒、星期并在整点提醒；(2)整个装置能实现对时间的快速调整；(3)实时显示温度数值；能够设置闹钟；(4)定时设置家中电器的开关。在利用 ARM 移植系统后能够处理多项任务，当整个应用程序运行时，在程序中调用其他应用程序时就会很方便，这样对于家中具有大量的电器之间的协调工作更能体现智能化。选择功能时也能处理速度更快，在处理每个任务时将很快的处理，这样就有很方便的控制系统。并且在外接大英寸的 LCD 屏幕是 ARM 都可以很好的兼容，这样会使得人机交流时更方便。LCD 屏集成了触摸屏的功能，并且具有单独的显示处理芯片 FT5X06，这个芯片会直接受到处理的数据，并能直接处理 RGB 为 888 的图像信息，更能使得人机交互界面美观，非常适合大众们的接受。此次设计中，电路的设计简单，元器件容易购买并且便宜，在使用简单，功能实现多，便于集成化，这种装置广而受到大众的喜欢，可以得到广泛的使用。为此设计通过查阅许多的数据库，有：万方数字化期刊，超星数字图书馆，中国学术期刊数据库，独秀知识库文献、中国标准服务网等。陕西理工学院毕业论文 第 2 页 共 50 页 1.课题研究背景 在目前人们的生活中，生活节奏速度越来越快，要求对时间越来越重要，在对时钟的要求越高，为了人们家中电器的控制装置，让人们知道时间，并能够通过时间的设置控制家中的电器，此时，控制装置应用而生。在二十一世纪一十年代的今天，时钟的变革已经经过了三次，第一次是钟摆的机械钟表，精确到了分钟级别；第二次是石英晶体振荡器的产生，精确到了秒级别；第三次也就是目前应用很广泛的电子产品中数字计数，精确度已经达到了毫米级别。时钟的应用已经在人们的生活、生产产品等各行各业中，各种行业中都有时钟的存在。目前，人们应用于电子时钟已经有很多年了，对于时钟的功能需要跟更多的电子产品结合生产，目前嵌入式的发展越来快，由于电子技术的迅速发展使得大规模的集成电路出现，给人们的生活带来了根本性的改变，尤其是智能产品的出现使得人人手中都有一部，使得对时钟控制的产品要求越来越高。嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，就是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。这种产品很适合本次的课题设计，对于同时的任务处理，嵌入式的技术非常适合本次课题。随着电子行业的不断变革，各种各样的互联产品产生，未来互联时代正在来临，嵌入式技术的发展使得越来越多的电子产品会集成电子时钟，使得各种的产品会能够显示时间，这样以时间的控制功能就需要更为强大的功能，例如定时自动报警、定时开关工作、按时打开灯光照射，按时关闭、对于工厂中就需要各类的机器定时开关，例如，操作机械手臂、机床的动作及许多的自动化生产工具必须具有完善的协调能力及控制能力，必须利用定时功能才能使得所有的机器统一工作，这样就能够节约了许多的人力资源2。科技的发展就是在解放人类的生产力，解放了人力劳作就可以使得人们的生活质量更美好，将智能时钟控制装置与嵌入式技术相结合的研究是很有意义的，这也是对人们生活的解放。1.1 研究现状研究现状 目前智能时钟大多是以嵌入式微控制器 51 单片机4为核心加外部时钟芯片制作的单程序电路，而电子集成技术的迅速发展使得大规模的集成电路出现，给人们的生活带来了根本性的改变，尤其是智能产品的出现使得人人手中都有一部，使得对时钟控制的产品要求越来越高。目前以嵌入式软件与嵌入式系统是密不可分的，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”，就是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。本次设计采用嵌入式技术开发研究智能时钟控制装置5，利用嵌入式技术通过移植嵌入式 Linux系统6，根文件系统，编写应用程序及硬件电路的模块设计完成本次课题的任务。目前嵌入式应用软件的开发需要强大的开发工具和操作系统的支持，应用项目多种多样。还采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计，由于家用电器相互关联要求嵌入式产品设计者相应降低处理器的性能，限制内存容量和复用接口芯片。提供美观大方的人机界面，嵌入式设备之所以为广大人们的接受，重要因素就是它们与使用者之间的亲和力，美观、自然的人机交互界面。1.2 发展前景发展前景 目前嵌入式系统产品正不断渗透各个行业，智能时钟控制装置会常常内置在这些产品中，以时间为主的控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置将在各行各业出现。智能时钟的发展将会给人们的生活带来更大的改变，成为生活中的必须品，它能够实时显示时间、温度、具有定时闹钟，对家中电器控制的装置将在我们的日常生活中得以广泛的利用，极大的方便人们的生活。比如实时时间，温度显示都会让人们对自己所在的环境更加关心，对于工作安排陕西理工学院毕业论文 第 3 页 共 50 页 将有更高的效率，闹钟功能使得对。目前时钟已经发展到了第三代电子时钟，现代化的时钟将会走时更加准确，走时的误差也越来越小。时钟控制装置的智能化控制，将会给人们的生活带来极大的方便，对人们的日常生活中电器的应用控制更加快速，安排更加合理，对人们的时间利用也会更加有效。1.3 应用领域应用领域 由于数字电路的发展迅速，使得时间的走时更准确，极大的方便了人们的生活。智能时钟装置广泛应用于个人家庭和公共场所，给人们在生活中的时间将得到更大的利用效率。对于小型的定时实验到大型的科学领域都有应用，在到高尖端的国防武器研究都有对时钟控制的应用。无论在哪个领域，时钟控制都比不可少，对时间的利用都在不同的形式下存在。由此时钟控制装置对于人们的各个方面都得以广泛发展。现在电子产品大都集成着时钟电路，因此现在社会中各个阶层都在应用着时钟，对于时间来说，时间一去不复返，在现代科技技术的桎梏，对时间的控制是无法的，因此只能在以时间线情况下，进行对事物的控制，这是在空间上的研究拓展。无论在哪个领域，时间都是很重要的一部分。目前集成电路爆炸发展及第三代电子时钟的产生，在时钟应用中更精确，时间的误差更稳定，因此在用于自动控制及定时等各个领域具有广泛的应用。1.4 本文研究内容本文研究内容 本次设计实现了在 Exynos4412 开发板上移植嵌入式 Linux 系统，并添加步进电机、灯光、温度传感器等设备的驱动。本次设计的第一个任务为实现在 LCD 屏幕上实时打印时间，并能够在时间是整点的时候调用蜂鸣器进行提示功能。第二个任务是实现对室内温度的实时监测，并能够实时获取时间及能够快速的调整，保存到硬件设备中，保证在设备的断电后能够读取到硬件内部寄存器的时间，同步到 Linux 系统中，在系统开机后实时显示到 LCD 屏幕中，使得时间不会在无电源的情况下出现了时间的错误显示。第三个任务是能够设置闹钟，完成在闹钟到点后提醒，这个功能在程序中已经很好的实现了，在设置闹钟时，这些操作都是同时间设置一样，不会造成操作困难的情况，在选择设置的时间后，点击确认设置键后，并再次点击退出，这个闹钟就设置成功了，本次设置的闹钟最大上限是 9 个，在屏幕的左边显示当前的闹钟设置个数，当用户在点击闹钟，就会在一个 480*600 的窗口中显示目前所有的闹钟，当点击屏幕的其他区域，这个显示窗口就会退出，其中点击左下角时就会删除所有的闹钟设置，并退出这个状态。第四个任务是对家中电器的定时开关，这个功能在系统中的实现是在选择功能后进入同时间设置相类似的界面，不同的是在于这个功能多了几个选项，其中有选择灯光、两个步进电机模拟的窗户与帘、蜂鸣器，还有选择开、关两个选择项，这样在设置时间就完成了其中的功能设置，同闹钟查询一样，主页面显示中也有个定时的选项，当点击的时候就会同闹钟一样出现一个窗口，在其中出现当前所有的家电开关定时情况。当所有的任务完全完成，进行功能的扩展，这也是对智能装置的全面性的提高。陕西理工学院毕业论文 第 4 页 共 50 页 2.方案论证 方案论证是对智能时钟控制装置设计与实现的构思，分析用何种方法可以实现，该方法有哪些好处及局限性，并根据功能要求，性价比，实现难易程度等作以综合比较，选择一个最优的解决方案。2.1 设计要求设计要求 从任务书角度出发，本设计拟通过试验智能时钟控制装置的各种控制方案解，设计一个定时控制家用电器装置，实现家电控制的智能化，主要解决如下关键问题:方案要求：能够进行时钟显示，要求能够显示年、月、日、时、分、秒以及星期，并能够进行快速校准；数字钟能够进行实时温度显示；数字钟可实现整点报时及闹钟功能；该智能时钟控制装置可实现对室内灯光及家用电器的定时开关机功能。2.2 方案设计方案设计 2.2.1 2.2.1 单片机方案单片机方案 单片机控制装置。总体框图如图 2.1 所示。图 2.1 单片机控制装置 上图为单片机控制装置的方案设计，本方案以 51 芯片为主控制系统1，采用时钟芯片 DS12887A为设计电路中的时钟模块，利用多个按键按钮实现控制功能的选择，采用 DS18B20 数字式温度传感器进行对室内温度的检测，采用 LED 显示模块为整个装置的输出端口。由于时钟芯片 DS12887A 内部采用的是石英晶体振荡器，因此芯片的精度误差不大于 10ms/年，同时也可以设置闹钟功能，在其内部包含着锂离子电池，防止在装置的掉电后造成系统停止运行，以备随时提供准确的时间。因此本方案对于本次设计适用性较强。2.2.3 ARM2.2.3 ARM 方案方案 ARM 处理器控制装置，如图 2.2 为 ARM 处理器控制装置的总体结构。图 2.2 ARM 处理器控制装置 STC89C51温度传感器键盘控制时钟模块LED显示模块温度传感器复位电路电源蜂鸣器电路时钟电路LCD屏其他电路ARM 处理器陕西理工学院毕业论文 第 5 页 共 50 页 上图为为 ARM 处理器控制装置的方案设计，本方案以 Exynos4412 处理器为主控制系统，ARM处理器是一个低功耗的 32 位 RISC 的处理器，适用于低价位和功耗较低的应用产品。采用的时钟电路、复位电路、蜂鸣器及电源等其他简单的电路都已经集成到一体，在开发应用时是非常方便，并不需要再次设计其他的电路，这也解决了在硬件的设计时的各种问题，假如需要在集成功能不足的情况下，也会有外接的接口可以实现对自己设计的电路与系统之间的测试。图中温度传感器采用 DS-18B20 型号，这个温度传感器具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。在软件功能的设计，通过嵌入式技术可以在 ARM 处理器集成的开发板中实现本次设计的功能是非常快速的。因此本方案对于本次的设计适用性很强。2.3 方案选择方案选择 单片机控制装置方案是选择 STC89C51 作为主控制芯片，ARM 方案是选择 Exynos4412 处理器为主控芯片，二者的区别是前者的存储容量是 4KROM，后者的标配的 1GB 的内存，这些就不能直接相比，而且后者集成了大量的基本电路，具有了非常强的功能性。单片机方案的时钟芯片是石英振荡器，而在 ARM 方案中的时钟是集成的电子时钟电路，相比而言，石英振荡器是第二代时钟，电子时钟是第三代时钟，因此在这两个方面 ARM 方案更丰富，功能性更强。单片机的电路设计首先进行电路的仿真，对各个模块的芯片进行测试，最后也要进行总体电路的连接测试，在硬件的测试成功后也要对软件程序调试，而 ARM 方案在对硬件的设计时需要的仅仅是数量极少的设计，并不需要对核心电路的设计，一些的模块也是能够集成的，只需与核心板相连就可实现整体的硬件电路，这样就大大减少了在硬件的设计时间。而只需要完成的设计集中到软件功能的实现，在软件的设计时利用的是嵌入式开发技术11，通过移植嵌入式 Linux 系统12，编写应用软件实现方案的功能，因此对于这个方案来说，还可以有许多的功能扩展和完善，所以说 ARM方案的设计更好。综上所述，对于本次设计选择了 ARM 控制装置10方案：采用 Exynos4412 集成开发板，外接其他模拟的简单电路，其中开发板集成的功能有复位电路、时钟电路、电源、报警电路、LCD 屏和触摸功电路等。采用 Exynos4412 开发板为控制装置核心模块，只需设计温度采集模块与模拟的家电的两个步进电机电路和灯光控制电路。温度采集模块采用 DS18B20 单线数字温度传感器采集温度传入开发板进行数据处理然后实时显示 LCD，在通过其中集成在 LCD 屏中的触摸功能实现对整个装置的控制，在设计灯光控制模块时，采用一个继电器 SRD-05VDC-SL-C 及多个七彩小灯组合的简单电路进行模拟室内灯光的开关功能。利用两个 28BYJ-48 型号的步进电机模拟家中的电动窗户与电动窗帘，实现任务中的家用电器。这些模块都是与开发板直线相连，实现容易，对设计而言简洁快速且功能强大。利用软件编程实现对 Exynos4412 开发板内部集成的时钟和报警电路驱动实现在 LCD 屏幕上进行实时显示年、月、日、时、分、秒和星期，并可以实现闹钟和整点报时驱动蜂鸣器进行提醒功能，在 LCD 屏幕集成的触摸功能是非常强大的，可以良好的实现整个装置的控制。同时扩展功能设计为在 Exynos4412 开发板中可以实现移植 WEB 服务器进行远程的控制功能，这更能够实现装置的功能完整性。陕西理工学院毕业论文 第 6 页 共 50 页 3.硬件设计 一个完整系统的运作，首先必须建立在硬件基础之上，硬件设计要充分考虑到系统所应用的环境状况，影响系统稳定运行的温湿度，电磁干扰等，再据其功能选择性能可靠，性价比高，抗干扰强且精度较高的元器件。3.1 系统组成系统组成 基于设计方案的选定，该装置以 Exynos4412 开发板为控制装置的智能组件核心，其它外围电路主要包括：LCD 液晶显示电路、灯光驱动电路模块、温度传感器电路、步进电机驱动电路，其硬件电路组成框图如图 3.1 所示。图 3.1 系统硬件电路组成 通过产品的性价比分析以及对功能需求、稳定性等多方面综合考虑：LCD 显示屏采用适合开发板大小的 7 英寸高清屏，像素是 800*480，支持多窗口的功能，并且集成了触摸屏功能，在人机交互时是非常方便的，对于整个装置的控制来说同现在许多的智能产品相同，都是在显示屏中运用触摸技术及显示技术的集合，实现功能的强大性；温度传感器采用的是 DS18B20 单线数字温度传感器；其他电路都是最常见的器件。根据家中电器开关的必要因素，系统可以设计简单的灯光控制电路，简单模拟控制家电开关，驱动步进电机模拟家中的电动窗户和窗帘以完善功能。同时移植 WEB 网页服务器，连接一个路由器实现现代化智能家电的网络互连，能够完成在远程的家电控制。3.2 单元电路的设计单元电路的设计 3.2.1 Exynos44123.2.1 Exynos4412 处理器处理器 Exynos 4412 芯片16是 Samsun 公司开发的一款高性能处理器，在采用 ARMCortex-A9 为核心的基础上，集合 ARMv7 指令集设计而成，Exynos 4412 芯片是四核的处理器，主频最高可提升至1.5GHz，因此在对程序的执行是非常快速的；由于其具有 128/64 位内部总线结构，32/32KB 的数据/指令一级缓存，1024KB 的二级缓存，可以实现 2000DMIPS（每秒 2 亿指令集）的高性能运算能力，内 建 高 性 能ARM Mali-400 MP 3D 图 形 引 擎 和2D 图 形 引 擎，内 置 了 最 大 可 达2048 x 2048 x 24 bit color 的 LCD Controller，支援 HDMI 1.4a，480p，576p，720p，1080i，1080p 高清输出等等。包括 5 个 32 位定时器、4 路 ADC 转换通路、47 个 GPIO 及 8 路 I2C 总线。Samsung Exynos 4412-SCP 芯片方案，ARM CORTEX-A9 核心，1.2 GHz 主频。系统内存为DDR3 1G 标配、DDR3 2G（选配）；iNAND 可以支持 464GB，标配为 16GB，整合度高，体积（68mm68mm9mm），界面丰富：HDMI、LCD、CAMERA、UART、SPI、IIS、IIC、以太网、USB、ADC、MMC 卡；Exynos4412 主要集成了局部总线，外围总线，USB 接口调试，串口调试等各类外接设备调试接口。非常适用于各种嵌入式产品设计的应用，尤其是在多样化要求的手携式设备及工控合各种 HMI 的产品设计应用。外围电路简单，可根据自己的需要，灵活修改设计，完成功能并降低成本。硬件上可以透过 SD 卡、USB 升级 OS 及所有软件。3.2.23.2.2 电源电路电源电路 Exynos4412 芯片17需要稳定的 5V 直流电源，因此，在 220V 的交流电接入后需要转换成可供Exynos 4412 开发板温度传感器灯光模块WiFi模块LCD屏步进电机模块触屏陕西理工学院毕业论文 第 7 页 共 50 页 系统工作的直流电压。如图 3.3 所示。图 3.3 控制系统的电源 电源 220V 的交流电压经过整流、滤波、和稳压等电路，在输出电路接一个 1000uF(C453)的电容来改善电流的稳定性，转换为 5V 的直流电压。3.2.33.2.3 集成电路集成电路 (1)时钟体系 对于 PC 来说，CPU、内存、主板、声卡、显卡等，这些功能部件由不同的芯片组成，在实体上是相互独立的。在嵌入式系统里，一块芯片内往往集成了多种功能比如 Exynos 4412 上面既有CPU，还有音频/视频接口、LCD 接口、GPS 等模块 这类芯片被称为 SoC，即 System on Chip，译为芯片级系统或片上系统。不同的模块往往工作在不同的频率下，一个芯片上采用单时钟设计基本是不可能实现的，在 SoC 设计中采取多时钟域设计。Exynos4412 的时钟域18有 5 个，如下图 3.4 所示。图 3.4 Exynos4412 的时钟域 图中将时钟划分为 5 个时钟域，为上中下左右，这 5 个时钟域名如下：最下面的 CPU 处理器时钟域 CPU_BLK 内含 Cortex-A9 MPCore 处理器、L2 cache 控制器、CoreSight(调试用)。CMU_CPU用于给这些部件产生时钟。中间的 DMC_BLK 时钟域内含 DRAM 内存控制器(DMC)、安装子系统(Security sub system)、通用中断控制器(Generic Interrupt Controller，GIC)等。CMU_DMC 用于给这些部件产生时钟。左边的是左总线时钟域 LEFTBUS_BLK 和右边的右总线时钟域RIGHTBUS_BLK 它们是全局的数据总线，用于在 DRAM 和和其他子模块之间传输数据。中间上方的是 MAUDUI_BLK 是时钟产生域。Exynos4412 有 3 个初始时钟源，XRTCXTI 引脚：接 32KHz 的晶振，用于实时钟(RTC)。XXTITV 160MHZIMAGE200MHZPERIL100MHZMFC(R)200MHZLEFTBUS(200/100MHZ)G3D440MHZFSYS133MHZCPU 1.4GHZ200MHZDMCDRAM 400MHZMAUDIO 192/96MHZRIGHTBUS(200/100HZ)LCD0160MHZISP160MHZCAM160MHZMFC(R)200MHZPERIR100MHZGPS133MHZ陕西理工学院毕业论文 第 8 页 共 50 页 引脚：接 12M 50 MHz 的晶振，用于向系统提供时钟，也可以不接。XUSBXTI 引脚：接 24MHz的晶振，用于向系统提供时钟。在开发板中，XRTCXTI 上没有外接晶振，系统时钟来源是XUSBXTI 引脚上接的 24MH 晶振，如下图 3.5 所示 图 3.5 系统时钟电路 从电路图中可知，4412开发板的基础晶振是24MHz的晶振；但是4412的CPU频率可达1.4GHz。可以想象，一定有硬件部件把 24MHZ 的频率提升为 1.4GHZ，这个部件被称为 PLL（锁相环）。4412内部其他部件也要工作于一定频率，比 UART、DDR 等，也应该有 PLL 把 24MHZ 的频率提高后供给它们。4412 有 4 个 PLL：APLL、MPLL、EPLL 和 VPLL；2 个 PHY：USB PHY 和 HDMI PHY(PHY：物理层，一般指与外部信号接口的芯片)：(1)APLL：用于 CPU_BLK；作为 MPLL 的补充，它也可以给 DMC_BLK、LEFTBUS_BLK、RIGHTBUS_BLK 和 CMU_TOP 提供时钟。(2)MPLL：用于 DMC_BLK、LEFTBUS_BLK、RIGHTBUS_BLK 和 CMU_TOP(3)EPLL：主要给音频模块提供时钟(4)VPLL：主要给视频系统提供 54MHz 时钟，给 G3D(3D 图形加速器)提供时钟。(5)USB PHY：给 USB 子系统提供 30MHz 和 48MHz 时钟。(6)HDMI PHY：产生 54MHz 时钟。3.2.43.2.4 蜂鸣器驱动电路蜂鸣器驱动电路 如下图 3.6 所示位蜂鸣器的电路，使用 SH69P43 为控制芯片18，使用 4MHz 晶振作为主振荡器。图 3.6 PWM 驱动蜂鸣器 通过配置 PORTC.3/T0 作为 I/O 口通过三极管 Q2 来驱动蜂鸣器 LS1，而 PORTC.2/PWM0 则作为 PWM 输出口通过三极管 Q1 来驱动蜂鸣器 LS2。另外在 PORTA.3 和 PORTA.2 分别接了两个按键，一个是 PWM 按键，是用来控制 PWM 输出口驱动蜂鸣器使用的；另一个是 PORT 按键，是用来控制 I/O 口驱动蜂鸣器使用的。连接按键的 I/O 口开内部上拉电阻。软件设计方法，先分析一陕西理工学院毕业论文 第 9 页 共 50 页 下蜂鸣器。所使用的蜂鸣器的工作频率是 2000Hz，也就是说蜂鸣器的驱动信号波形周期是 500s，由于是 1/2duty 的信号，所以一个周期内的高电平和低电平的时间宽度都为 250s。软件设计上，我们将根据两种驱动方式来进行说明。第一种是采用 PWM 输出口直接驱动蜂鸣器方式由于 PWM 只控制固定频率的蜂鸣器，所以可以在程序的系统初始化时就对 PWM 的输出波形进行设置。首先根据 SH69P43 的 PWM 输出的周期宽度是 10 位数据来选择 PWM 时钟。系统使用 4MHz 的晶振作为主振荡器，一个 tosc 的时间就是 0.25s，若是将 PWM 的时钟设置为 tosc 的话，则蜂鸣器要求的波形周期 500s 的计数值为500s/0.25s=（2000）10=（7D0）16，7D0H 为 11 位的数据，而 SH69P43 的 PWM 输出周期宽度只是 10 位数据，所以选择 PWM 的时钟为 tosc 是不能实现蜂鸣器所要的驱动波形的。这里我们将 PWM 的时钟设置为 4tosc，这样一个 PWM 的时钟周期就是 1s 了，由此可以算出 500s 对应的计数值为 500s/1s=（500）10=（1F4）16，即分别在周期寄存器的高 2 位、中 4 位和低 4 位三个寄存器中填入 1、F 和 4，就完成了对输出周期的设置。再来设置占空比寄存器，在PWM 输出中占空比的实现是通过设定一个周期内电平的宽度来实现的。当输出模式选择为普通模式时，占空比寄存器是用来设置高电平的宽度。250s 的宽度计数值为 250s/1s=（250）10=（0FA）16。只需要在占空比寄存器的高 2 位、中 4 位和低 4 位中分别填入 0、F 和 A 就可以完成对占空比的设置了，设置占空比为 1/2duty。以后只需要打开 PWM 输出，PWM 输出口自然就能输出频率为 2000Hz、占空比为 1/2duty 的方波。第二种是采用 I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式使用 I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式的设置比较简单，只需要对波形分析一下。由于驱动的信号刚好为周期 500s，占空比为 1/2duty 的方波，只需要每 250s 进行一次电平翻转，就可以得到驱动蜂鸣器的方波信号。在程序上，可以使用 TIMER0 来定时，将 TIMER0 的预分频设置为/1，选择 TIMER0 的始终为系统时钟(主振荡器时钟/4)，在 TIMER0 的载入/计数寄存器的高 4 位和低 4 位分别写入 00H 和06H，就能将 TIMER0 的中断设置为 250s。当需要 I/O 口驱动的蜂鸣器鸣叫时，只需要在进入TIMER0 中断的时候对该 I/O 口的电平进行翻转一次，直到蜂鸣器不需要鸣叫的时候，将 I/O 口的电平设置为低电平即可。不鸣叫时将 I/O 口的输出电平设置为低电平是为了防止漏电。3.2.53.2.5 灯光控制电路灯光控制电路 如下图 3.7 所示的是继电器的原理图.图 3.7 继电器原理图 图中继电器的左边的 I/O 引脚是数据控制端，当其中输入的电平值达到所需的 3V-5V 时就会驱动电磁线圈吸引开关 K 偏向常开引脚，就会使得继电器的高电压端闭合电路，使得家中的电器开始工作，output 端就是电器的工作点。在本次的设计中，灯光设计就是在利用继电器的低电压控制高电压的电路，当在控制端驱动陕西理工学院毕业论文 第 10 页 共 50 页 GPIO 口输出信号控制信号，实现控制继电器的工作。3.2.63.2.6 步进电机电路步进电机电路 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。通俗一点讲：当步进驱动器接收到 一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机 28BYJ48 型四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。下图是步进电机的原理图。图 3.8 步进电机原理图 图 3.8 中步进电机 28BYJ48 是四相八拍电机，电压为 DC5VDC12V。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信 号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A。），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB-。），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。）。下表是步进电机(4-1-2 相)的驱动方式。表 3.1 步进电机(4-1-2 相)的驱动方式 由表 3.1 中的数据可知，逆序与顺序刚好相反，所以可以定义旋转相序 Unsigned char code CCW8=0 x08,0 x0c,0 x04,0 x06,0 x02,0 x03,0 x01,0 x09;/逆时钟旋转相序表 Unsigned char code CW8=0 x09,0 x01,0 x03,0 x02,0 x06,0 x04,0 x0c,0 x08;/正时钟旋转相序表 导线颜色 1 2 3 4 5 6 7 8 6 红 4 橙 3 黄 2 粉 1 蓝 陕西理工学院毕业论文 第 11 页 共 50 页 表 3.2 步进电机的主要参数 由表 3.2 中的主要参数可知，步进电机的电压是 5V，在开发板向外供电端口的电压中包括