嵌入式技术及应用-7

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1、嵌入式技术及其应用,硬件编程与调试技术,3.3V 和5V 装置的互连,连接3.3V 设备到5V 设备需要考虑到驱动器和接收器的逻辑电平是否匹配。 5V TTL 和3.3V TTL的逻辑电平是相同的，而5V CMOS 逻辑电平与前两者是不同的。这在连接3.3V 系统到5V系统时是必须考虑的。,（1） 5V TTL 装置驱动3.3V TTL 装置。5V TTL 和3.3V LVC 的逻辑电平是相同的。因为5V容忍度的装置可以经受住6.5V 的直流输入，所以5V TTL 连接3.3V 且容忍度为5V的装置时，可以不需要额外的元器件。TI 的CBT（crossbar technology）开关可以用来

2、从5V TTL 向3.3V 且容忍度不为5V 的装置传送信号。该开关通过使用一个外部的产生0.7V 压降的二极管和CBT（门极到源极的压降为1V），从而产生3.3V 的电平。 （2） 3V TTL 装置（LVC）驱动5V TTL 装置。两者逻辑电平是相同的，连接可以不需要外部电路或装置。,（3） 5V COMS 装置驱动3.3V TTL 装置。两个不同的逻辑电平连接在一起，进一步分析5VCOMS 装置的VOH 和VOL 与3.3V LVC 装置的VIH 和VIL 电平，虽然存在不一致的地方，但有5V 容忍度的3.3V 装置可以在5V CMOS 电平输入下工作。使用5V 容忍度的LVC 装置，5

3、V CMOS 驱动3.3V LVC 是可能的。 （4） 3.3V TTL 装置驱动5V CMOS 装置。3.3V LVC 的VOH 是2.4V（输出电平可达3.3V），而5V CMOS 装置的最小VIH 要求是3.5V。因此，用3.3V LVC 或其他3.3V 标准的装置驱动5V CMOS 装置是不可能的。解决该问题就需要用到专用芯片，如TI的SN74ALVC164245 和SN74LVC4245 等。这些芯片一边采用3.3V 电平供电，另一边采用5V 电平供电，可以使3.3V 逻辑部分驱动5V CMOS 装置。,微代码支持的串口调试,传统上，首先用于开发嵌入式系统的工具是内部电路仿真器（IC

4、E），它是一个相对昂贵的部件，用于植入微处理器与总线之间的电路中，允许使用者监视和控制微处理器所有信号的进出。它提供了总线工作的清晰情况，避免了许多对硬件软件底层工作状况的猜测。 过去，一些工作依赖ICE 为主要调试工具，用于整个开发过程。但是，一旦初始化软件对串口支持良好的话，多数的调试可以不用ICE 而直接使用串口开始调试。,在Bootstrap 模式下，通常允许用户通过UART 控制器初始化目标板和下载程序到目标板的RAM 和FLASH 中。一旦程序被下载，就能够被执行，给了用户一个简单的用于故障分析的调试环境和更新FLASH 存储器中程序的途径。 在bootstrap 模式下，UART

5、 控制器被初始化到9600baud，无奇偶校验，8 位字符和1 个停止位，准备下载程序或者数据。 Bootstrap 模式通常是处理器工作在最高优先级时的方式。 复位后，bootstrap 复位向量会在内部产生。这些两个字长的复位向量被装载到内核的堆栈指针和程序计数器中。然后内建的bootstrap 程序将开始运行并接收数据传送。,编程技术,(1) 使用编程器，就是在芯片焊接之前，先通过编程器将代码烧写道FLASH 中，再将FLASH 芯片焊接到目标板上。使用编程器进行编程特别适合于DIP 封装芯片的编程，如果是其它类型的封装，则必须要使用相应的适配器。这种方法的缺点是需要手工进行待编程芯片的

6、插入、锁定等工作，容易造成芯片方向错误，引脚错位等，导致编程效率降低。,(2) 使用板上编程器编程（OBP），这种方法是在板上所有芯片包括FLASH 芯片已经焊装完毕之后，再对可编程芯片进行编程。通过专用电缆将电路板与外部计算机连接，由计算机的应用程序进行板上可编程芯片的代码或数据写入，芯片擦除、编程所需要的电压、控制信号、地址数据和相关命令都由板外的编程控制器提供。使用板上编程器进行板上编程时，需要关断目标板上CPU 的电源或将其外部接口信号设置为高阻状态，以免与编程时的地址、数据和控制信号发生冲突。这种方法的缺点是需要在电路板上设计编程用的接口、隔离等辅助电路，在编程时通过跳线或FET 开

7、关进行编程与正常工作的状态转换。这样会增加每个电路板芯片的数量，造成产品成本的增加。,(3) 在系统编程（ISP、ISW），是指直接利用系统中带有JTAG 接口的器件，如CPU、CPLD、FPGA 等，执行对系统中程序存储器芯片内容的擦除和编程操作。一般而言，高档微处理器均带有JTAG 接口，系统程序存储器的数据总线、地址总线和控制信号直接接在微处理器上。 编程时，使用PC 机内插卡或并行接口通过专用电缆将系统电路板与PC 机联系起来，在PC 机上运行相关程序，将编程数据及控制信号传送到JTAG 接口的芯片，再利用相应指令从微处理器的引脚按照FLASH 芯片的编程时序输出到FLASH 存储器。

8、,（4）在应用中编程（IAP），是指通过完成后的系统软件和硬件资源，在不影响系统工作的情况下，将欲修改的代码和参数写入程序存储器当中。 两片以上独立的程序存储器或具备文件系统； 操作系统支持；,JATG 与IEEE1149 协议简介,JTAG 是英文“Joint Test Action Group（联合测试行为组织）”的词头字母的简写，该组织成立于1985 年，是由几家主要的电子制造商发起制订的PCB 和IC 测试标准。JTAG 建议于1990 年被IEEE 批准为IEEE1149.1-1990 测试访问端口和边界扫描结构标准。该标准规定了进行边界扫描所需要的硬件和软件。自从1990 年批准后

9、，IEEE 分别于1993 年和1995 年对该标准作了补充，形成了现在使用的IEEE1149.1a-1993 和IEEE1149.1b-1994。 JTAG 主要应用于：电路的边界扫描测试和可编程芯片的在系统编程。,JTAG的用途,电路的边界扫描测试技术:用具有边界扫描功能的芯片构成的印刷板,可通过相应的测试设备,检测已安装在印刷板上的芯片的功能，检测印刷板连线的正确性，同时，可以方便地检测该印刷板是否具有预定的逻辑功能，进而对由这种印刷板构成的数字电气装置进行故障检测和故障定位。,在硬件结构上，JTAG 接口包括两部分：JTAG 端口和控制器。与JTAG 接口兼容的器件可以是微处理器（MP

10、U）、微控制器（MCU）、PLD、CPL、FPGA、ASIC 或其它符合 IEEE1149.1 规范的芯片。IEEE1149.1 标准中规定对应于数字集成电路芯片的每个引脚都设有一个移位寄存单元，称为边界扫描单元BSC。它将JTAG 电路与内核逻辑电路联系起来，同时隔离内核逻辑电路和芯片引脚。由集成电路的所有边界扫描单元构成边界扫描寄存器BSR。边界扫描寄存器电路仅在进行JTAG 测试时有效，在集成电路正常工作时无效，不影响集成电路的功能。,在对多个具有JTAG 芯片编程时，可以组成JTAG 菊花链结构（Daisy chain）,是一种特殊的串行编程方式。每片TDI 输入端与前面一片的TDO

11、输出端相连，最前面一片的TDI端和最后一片的TDO 端与JTAG 编程接口的TDI、TDO 分别相连。如图1.11.所示。链中的器件数可以很多，只要不超出接口的驱动能力即可。通过状态机控制，可以使非正在被编程器件的TDI 端直通TDO 端，这样就可以使数据流形成环路，对各器件按序进行编程。使用者可以通过读取每个芯片特有的识别码知道该器件在链中的位置。,（1） 指令寄存器IR：由两个或更多个指令寄存单元和指令译码器组成，通过它可以串行输入执行各种操作的指令。 （2） 数据寄存器组：是一组基于电路的移位寄存器。操作指令被串行装入由当前指令所选择的数据寄存器。随着操作的执行，测试结果被移出。 （3）

12、 边界寄存器DR：在内部逻辑电路和各引脚之间均插入了一串边界扫描单元，形成了由TDI 到TDO 之间的边界寄存器链 （,（4） 旁路寄存器BP：它只是1 位寄存器。它的一端与TDI 相连，另一端与TDO 相连。在指令控制下，由TDI 输入的数据可以直接经由本片的旁路寄存器送到TDO。使用旁路寄存器，可以越过片1、片2 的边界寄存器，仅经过它们的旁路寄存器直接向片3 输入数据。 （5） 测试访问端口（TAP）控制器：TAP 控制器是一个16 状态的莫尔型同步时序电路，响应于测试时钟TCK 的上升沿。在TCK 和TMS 协同配合下确定来自TDI 的串行数据是指令码还是测试码，进而产生ClockIR

13、、ClockIR、UpdateIR、UpdateDR、ShiftDR和Mode、Control 等信号，实现对IR 和DR 的设置和控制。 （6） 测试总线：这种芯片至少有四个供边界扫描用的附加引脚TCK、TMS、TDI 和TDO，还可以另设一个引脚TRST。TCK 是测试时钟输入引脚，TMS 是测试方式选择引脚，TDI 是测试用输入引脚，TDO 是测试用输出引脚。这四个引脚构成了测试总线。TRST是供TAP 控制器复位用的。,系统设计实例水声遥控释放器,水声释放器的分类,有缆控制型； 定时型； 无缆遥控型； 切缆型； 烧蚀型； 爆破式； 电机驱动型。,AR701AE 技术指标,工作深度：40

14、0米； 水下连续工作时间：1015个月； 释放载荷：200公斤； 工作范围：2000米； 外形尺寸：长度564毫米，直径140毫米； 重量：6.5公斤（空气中），2公斤（水 中）； 频率范围：8至16千赫； 声源级：190分贝； 超过30000独立编码； 工作范围：约10千米（根据具体的信道条件而定）；,水声信道分析,声传播损失； 多途效应； 海洋环境噪声,传播损失,多途效应,海洋环境噪声,声学参数计算,工作频率：f=50kHz； 发射声源级：SL=192dB; 传播损失： TL=70dB； 系统工作带宽：B=20kHz; 水听器灵敏度:M= -170dB; NL=108dB 水听器表面信噪比

15、：SNR=14dB;,硬件系统设计,电路系统设计,模拟电路设计 数字电路设计,电路系统参数的计算,声信号幅值：Vi5mV; A/D转换器量程：02.5V; 放大电路增益G=500； 滤波器通频带：B = 20kHz；8阶巴特沃斯滤波器； 检波电路； 光电耦合电路；,核心处理器,遥控信息解码 步进电机驱动 实时时钟控制 串行通信 低功耗,软件设计（略）,嵌入式指纹识别系统,生理测定技术点之一； 指纹具有终生不变性及稳定性； 用于身份认证； 应用前景较好的生物识别系统包括： 虹膜识别； 面部识别； 签名识别； 声音识 别；,指纹识别原理,通过分析指纹的全局特征和局部特征，特征点如脊点、谷点、终点、

16、分叉点等； 每个特征点约有7个特征； 特征匹配数目大于10认为匹配成功；,算法流程,图像分割 图像增强 二值化 图像细化 特征提取,图像采集模块,光学录入主要依据是光的全反射原理（FTIR）。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由电荷耦合器件(简称 CCD:Charge Coupled Device)去获得，反射光形成指纹图象。 电容式固体传感器采样平面由许许多多微小 电容组成。当手指皮肤接触传感器表面时，纹理凸起处连接的电容容值比凹陷处连接的电容值大，依靠这种电容值的不同形成指纹的图像。 超声波传感器依靠反射波的强弱形成指纹纹理图像。当超声波源发出的超声波通过传感器表面到达手指表面时 会被反射回去。接收设备获取反射信号，得到脊的深度，形成指纹图象。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像影响比 较微弱。,FPS200指纹传感器,256300个电容传感阵列； 分辨率500 dpi； 工作电压范围为3.35 V； 8位ADC； 两组采样保持电路 ；,FPS200的内部结构,以一个便携式GPS导航系统的开发实