基于ARM9處理器的智能導游儀設計

0 引言

　　隨著微電子技術和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，嵌入式微處理器技術已日趨成熟。嵌入式技術不但在工控系統(tǒng)、智能儀表、檢測系統(tǒng)、測控單元等工業(yè)應用中有杰出表現(xiàn)，而且越來越深入地應用于各種消費類電子產(chǎn)品中。

　　智能導游講解系統(tǒng)主要分為兩個模塊：第一個模塊是定位端，第二個模塊是手持導游儀。定位端安裝在各景區(qū)和各景點，可以發(fā)射所處景點的代碼。手持導游儀則可接收定位端發(fā)射的代碼，然后通過解碼獲得景點的位置信息。以便根據(jù)景點位置信息為游客顯示、播放該景點位置的導游影音文件。

　　本文主要介紹一種基于ARM9處理器的新型智能導游儀的設計方案。這種導游儀是基于ARM處理器強大的處理能力和豐富的外設設計來實現(xiàn)的。游客可以通過觸摸屏操作來獲得自己所需的信息，而且也可利用設備端與PC機的USB接口來完成導游影音文件的隨時更新，其附加的多媒體播放功能還可以開拓ARM處理器在多媒體數(shù)碼系統(tǒng)中的應用功能。

1 系統(tǒng)整體硬件設計

　　該導游儀主要由ARM處理器、音頻處理模塊、觸摸顯示模塊、FLASH存儲模塊等組成。其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　本設計中的核心處理器和操作系統(tǒng)分別選定三星公司基于ARM9內(nèi)核的S3C2410X01處理器和目前比較流行的嵌入式操作系統(tǒng)Linux操作系統(tǒng)。S3C2410X01處理器是一種基于ARM920T內(nèi)核的16／32-bit RISC CPU，擁有獨立的16KB指令和16KB數(shù)據(jù)CACHE、MMU虛擬內(nèi)存管理單元、NAND Flash boot loader、系統(tǒng)管理單元(SDRAM處理器等)、3通道UART、4通道DMA、4通道具備PWM功能的定時器、IO口、RTC(實時時鐘)、8通道10 bit精度ADC和觸摸屏處理器、IIC總線接口、IIS數(shù)字音頻總線接口、USB HOST、USBDEVICE、SD／MMC卡處理器、集成LCD處理器(支持STN和TFT)、2通道SPI和PLL數(shù)字鎖相環(huán)等。該處理器集成度高、功能強大，適用于便攜設備和其它工控設備，如指紋識別器、車載系統(tǒng)等。

　　本導游儀中的接收模塊主要用于接收IDCode。出于小體積、低功耗、有效范圍可控、便于跳頻的角度考慮，本設計選用Nordic公司的nRF401單片UHF無線收發(fā)芯片，并讓其工作在433 MHz ISM (Industrial，Scientific and Medical)頻段。由于采用了FSK調(diào)制解調(diào)技術，因而其抗干擾能力很強。而采用PLL頻率合成技術，可使其頻率穩(wěn)定性更好，該系統(tǒng)的發(fā)射功率最大可達10dBm，接收靈敏度最大為-105 dBm，數(shù)據(jù)傳輸速率可達20 kbps，工作電壓在+3～5 V之間，同時nRF401無線收發(fā)芯片所需的外圍元件也較少。nRF401芯片內(nèi)包含有發(fā)射功率放大器(PA)、低噪聲接收放大器(LNA)、晶體振蕩器(OSC)、鎖相環(huán)(PLL)、壓控振蕩器(VCO)、混頻器(MIXFR)、解調(diào)器(DEM)等電路。在接收模式中，nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機，所接收的射頻調(diào)制數(shù)字信號被低噪聲放大器放大后，再經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進入解調(diào)器，解調(diào)后將其變換成數(shù)字信號輸出(DOUT端)。而在發(fā)射模式中，數(shù)字信號則經(jīng)DIN端輸入，然后經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進入發(fā)射功率放大器的射頻輸出。由于采用了晶體振蕩和PLL合成技術，故其頻率穩(wěn)定性極好；而采用FSK調(diào)制和解調(diào)技術則可使抗干擾能力更強。

　　本系統(tǒng)中的USB通信子系統(tǒng)的設計目標是通過USB接口。并利用USB協(xié)議來實現(xiàn)與PC機及USB設備的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)傳輸。即設備端通過USB接口載入導游影音文件并將其保存在Flash存儲單元中，再由ARM處理器完成影音數(shù)據(jù)向音頻處理模塊和LCD顯示模塊的傳送。音頻處理模塊和LCD顯示模塊可以實時處理并播放影音數(shù)據(jù)，從而完成對各旅游景點的綜合描述。

2 系統(tǒng)軟件設計

　　導游儀的軟件要負責處理nRF401的接收數(shù)據(jù)，同時要調(diào)用和處理相應的導游文字、圖片、語音信息，還要及時響應用戶的觸摸操作，并管理圖形用戶界面(GUI)、用戶時鐘和存儲景點信息，此外，還要與各外圍器件進行通信和接口。若采用傳統(tǒng)MCU的前后臺系統(tǒng)編寫程序，其復雜性可想而知。因此，采用體積小、速度快、具有較好裁減性、擴展性和可移植性的實時嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS)則成為必然選擇。考慮到Linux操作系統(tǒng)可以完全開放源代碼。且硬件兼容性較好，可以移植到不同處理器上，本系統(tǒng)選用Linux操作系統(tǒng)并通過ARM處理器來完成設計。

　　嵌入式系統(tǒng)軟件設計主要包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應用程序。本系統(tǒng)對基于2.6.9版本的Linux內(nèi)核進行了定制裁減，其驅(qū)動程序主要是觸摸屏的驅(qū)動，應用程序則用于多媒體播放。這些軟件應根據(jù)嵌入式開發(fā)流程來建立開發(fā)環(huán)境。

2.1 系統(tǒng)工作流程

　　系統(tǒng)開始工作時，其程序流程如圖2所示。系統(tǒng)首先通過供電單元提供的電源給系統(tǒng)上電，并啟動加載Boot loader，然后開始加載Linux的系統(tǒng)內(nèi)核，接下來進行外設模塊的初始化。當存儲單元準備就緒后，系統(tǒng)將先后初始化顯示單元(觸摸屏／TFT／LCD)和GPIO(通用輸入輸出口)。如果外設未初始化成功，則將重新進行初始化，成功后再運行應用程序。運行結(jié)束后再關閉主程序，系統(tǒng)程序執(zhí)行結(jié)束。

2.2 觸摸屏驅(qū)動程序

　　觸摸屏是用于嵌入式系統(tǒng)中最基本的用戶交互設備之一。觸摸屏的主要功能是隨時報告用戶的觸摸操作并標識觸摸位置的坐標。這通常在每次發(fā)生觸摸操作時可通過生成一個中斷來實現(xiàn)。然后，該觸摸屏的設備驅(qū)動程序開始查詢觸摸屏處理器，并請求處理器發(fā)送觸摸坐標。一旦驅(qū)動程序接收到坐標，它就將有關觸摸和所有可用數(shù)據(jù)信號發(fā)送給用戶應用程序，同時將數(shù)據(jù)也發(fā)送給應用程序，然后由用戶應用程序根據(jù)它的需要處理數(shù)據(jù)。

　　ADS7846電阻觸摸屏數(shù)字轉(zhuǎn)換器可以專門用于對電池供電的設備進行優(yōu)化，非常適用于觸摸屏設備(如PDA、手持設備、監(jiān)視器、POS終端和傳呼機等)。此觸摸屏驅(qū)動芯片是一款12位A／D轉(zhuǎn)換芯片，適合于4線制觸摸屏中使用，可通過標準的SPI協(xié)議和CPU進行通信，而且操作簡單、可靠性高。由于S3C2410X01芯片集成有同步串行外部SPI接口．故可將ADS7846與ARM芯片S3C2410X01相連。

　　此觸摸屏驅(qū)動程序的設計主要是進行初始化、數(shù)據(jù)采集與處理及中斷處理函數(shù)的編寫。而觸摸屏驅(qū)動程序的核心是中斷處理程序，因為在中斷服務程序結(jié)束之前，來自同一個設備的后續(xù)中斷都將丟失，所以，中斷服務程序應該盡快執(zhí)行完，否則就有可能丟失來自設備的另一個中斷。由于整個觸摸屏的驅(qū)動程序處理比較復雜，而且耗時較長(大約幾十毫秒)，因此，觸摸屏驅(qū)動程序不可能在中斷服務程序中完成。在Linux操作系統(tǒng)中，中斷處理程序可以分為上半部(tophalf)和下半部(bottom half)。上半部是一般的中斷服務程序，它由硬件中斷觸發(fā)，應當盡可能短小，處理應盡可能地快；而下半部是單獨的一段處理程序，一般將其放人立即隊列中快速執(zhí)行。但是在此系統(tǒng)中，按觸摸屏時，從ADS7846輸出的數(shù)值有一個抖動的過程，即從ADS7846輸出的A／D轉(zhuǎn)換值有一個不穩(wěn)定時期，這個過程大約會持續(xù)10 ms。所以，中斷處理程序的下半部處理沒有采用立即隊列，而是采用定時器，來使下半部在中斷發(fā)生10 ms后再作處理，這樣就可有效地避開ADS7846輸出值的不穩(wěn)定時期。事實上，使中斷服務程序和中斷處理任務串行化，可以很好的完成那些需要長時間處理的觸摸操作。

2.3 應用程序

　　應用程序的開發(fā)主要是多媒體功能的實現(xiàn)。這實際是基于音頻處理子系統(tǒng)、觸摸顯示子系統(tǒng)、RAM單元、Flash單元等硬件資源的特點編寫的應用函數(shù)模塊的集合。此集合的編寫源于對各個硬件模塊的深入了解，以及對硬件資源的充分利用和挖掘、對時序的嚴格控制，同時包括精確的軟件流程，合理分配存儲資源，協(xié)調(diào)ARM處理能力等，從而完成音頻播放、靜態(tài)圖片顯示、影像播放、音頻錄制等多媒體所對應的函數(shù)集合。各函數(shù)集合包括方便的應用程序接口。通過這些接口可為調(diào)用這些函數(shù)的主函數(shù)提供便利。

　3 結(jié)束語

　　本文介紹的基于ARM9處理器的智能導游儀由于采用性能完善、價位合理的硬件模塊，因而具有人機界面良好，操作方便、功能強大等優(yōu)點。作為一種新型消費類電子解決方案，這種智能化導游儀十分適用于各種展覽會場和旅游場所，而且應用前景十分看好。

linux操作系統(tǒng)文章專題：linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）