基于LPC2294处理器的嵌入式演示系统设计

王 丹，张海涛（.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳　003；.中国人民解放军95979部队，沈阳　0045）



基于LPC2294处理器的嵌入式演示系统设计

王 丹1，张海涛2
（1.中国电子科技集团公司第四十七研究所，沈阳110032；2.中国人民解放军95979部队，沈阳110045）

摘 要：随着嵌入式技术迅速发展，基于ARM的嵌入式技术应用越来越广泛，研究基于ARM的嵌入式系统已成为一个热点。LPC2294是一款以ARM7TDMI-S为内核的处理器，片上集成了丰富的接口电路，广泛应用于工业控制、医疗系统、访问控制、POS机、通信网关、协议转换器等。设计一个基于LPC2294处理器的嵌入式演示系统，首先介绍该芯片的基本功能，然后阐述了基于该芯片的嵌入式演示系统的硬件设计，包括电源、时钟、JTAG及其他接口电路设计，最后描述了该演示系统的软件实现，包括启动代码和应用程序设计。

关键词：嵌入式系统；LPC2294处理器；ARM处理器；硬件设计；软件设计

1 引 言

嵌入式系统是基于嵌入式处理器，由硬件和软件组成的专用系统，按照嵌入式处理器的不同，嵌入式系统可以分为基于单片机的嵌入式系统、基于FPGA的嵌入式系统、基于ARM的嵌入式系统等。本文设计的演示系统是基于ARM的嵌入式系统，核心芯片是LPC2294［1］，是NXP公司生产的一款基于ARM7TDMI-S［2］的32位MCU。

2 LPC2294芯片功能简介

LPC2294支持实时仿真和嵌入式跟踪，片上集成256KB高速Flash，16KB SRAM，多个通用GPIO口，外部存储器控制器，2个通用定时器，1个看门狗定时器，1个RTC，8通道10位A/D，4个CAN控制器，2个UART接口，2个SPI接口，1个I2C接口，多个PWM通道及外部中断。

3 演示系统硬件设计

LPC2294芯片包括丰富的外围接口，很适合构建一个低功耗高性能的嵌入式演示系统［3-4］，其硬件结构框图如图1所示。

图1 硬件系统结构框图

3.1电源设计

LPC2294芯片需要双电源供电，内核电源1.8V，I/O电源3.3V。演示板外接电源供电5V，通过电压转换芯片LM1117-3.3/SOT223将5V电压转为3.3V电压，用于I/O供电，电压转换芯片LM1117-1.8/SOT223将3.3V电压转为1.8V电压，用于内核供电。

3.2时钟设计

该芯片最大工作时钟为60MHz，选取的外部晶振频率为14.7456MHz，芯片内部PLL四倍频后提供给ARM7内核作为工作时钟。通过VPB分频器四分频后作为APB总线上的外设时钟。

3.3JTAG接口设计

JTAG接口电路用来实现芯片的调试下载功能，演示版通过20针的JTAG接口连接到PC机上。

3.4GPIO设计

GPIO最典型简单的应用是外接LED和按键，GPIO输出高低电平可以控制LED灯的亮灭，按键可以给GPIO输入高低电平，实现GPIO输入功能的演示。

3.5UART设计设计

芯片内置两个串口控制器，为了与PC主机进行通信，需要MAX3232芯片进行电平转换，其电路连接如图2所示。

3.6CAN接口设计

该芯片上集成了四个CAN控制器，为了在CAN总线上进行数据传输，需要外接PCA82C250T芯片，将数字信号转换为差分信号，其电路连接如图3所示。

图2 串口连接

图3 CAN接口连接

3.7EMC接口设计

LPC2294芯片内部集成了一个外部存储器控制器EMC，用来进行外部存储器扩展，该演示系统通过EMC接口连接一块SRAM芯片IS61LV51216-12T，其电路连接如图4所示，一块Nor Flash芯片SST39VF1601，其电路连接如图5所示。

图4 SRAM连接

图5 Nor Flash连接

3.8I2C接口设计

该芯片包括一个I2C接口，通过该接口连接一块EEPROM芯片AT24C02，其连接如图6所示。

图6 I2C接口连接

3.9SPI接口设计

该芯片的SPI接口与74HC595芯片连接，74HC595芯片实现串并转换，驱动1个七段数码管显示，电路连接如图7所示。

图7 SPI接口连接

3.10A/D应用设计

该芯片包括有8路10位A/D，演示系统中将可调电阻连接到其中的A/D通道上，通过调节可调电阻，改变A/D的输入电压，实现模拟信号转为数字信号。

3.11PWM控制蜂鸣器

PWM输出端与蜂鸣器输入端连接，通过脉冲控制蜂鸣器鸣笛。

3.12硬件演示板

硬件演示板经过原理图设计、PCB版图设计、PCB制板、焊接、调试等工作后，最后实现该演示系统的硬件演示板，其实物如图8所示。

图8 硬件演示板实物图

4 演示系统软件设计［5-6］

4.1ARM软件开发环境

4.1.1 软件程序编译、链接

该演示系统软件开发环境使用的是ARM公司的集成开发软件ADS［7］（ARM Developer Suite）。ADS由命令行开发工具、ARM实时库、GUI开发环境（Code Warrior和AXD）、实用程序等组成。CodeWarrior集成开发环境（IDE）为管理和开发提供了简单多样化的图形用户界面。ADS的CodeWarrior IDE为演示系统的软件开发提供了ARM汇编语言、C语言的程序汇编、编译、链接平台。

4.1.2 软件程序调试

软件调试是软件开发的关键环节，软件开发的主要时间和精力都用于代码调试，整个演示系统的调试包括PC机、仿真器、演示板三个部分。PC机上运行调试工具AXD，仿真器为Multi-ICE［8］（Multi-processor in-circuit emulator），演示板上运行软件程序，三者之间的连接关系如图9所示。

图9 调试环境示意图

该项目采用的调试手段如下：

（1）使用AXD软件调试

（2）通过LED或串口显示调试

4.1.3 软件程序下载

LPC2294片内集成了256KB的Flash存储器，可以存放代码，而大容量代码则存放在外部Nor Flash中。ADS编译链接后生成可执行文件*.axf文件，通过ADS提供的fromELF工具，将ARM的可执行文件转换成*.hex或者*.bin格式的映射文件。然后通过Flash downloader工具把映像文件下载到LPC2294的内部Flash或演示板上的Nor Flash存储器中。

4.2演示系统软件实现

演示系统的软件实现包括两个部分：启动代码和应用程序。

4.2.1 启动代码

启动代码是整个系统上电后执行的第一段软件代码，主要完成硬件初始化，为软件运行准备好硬件环境。由于启动代码直接面向处理器内核和硬件控制器进行编程，该部分代码的设计由汇编完成。在该演示系统中，启动代码完成以下工作：

（1）建立中断异常向量表

异常中断向量表是用来存放异常处理程序的入口地址。处理器一旦发生中断，将自动跳转到0x0地址开始的异常中断向量表中的某个位置（依据中断类型）读取指令然后运行。该演示系统的中断向量表定义如下：

Reset

LDR PC，ResetAddr

LDR PC，UndefinedAddr

LDR PC，SWI_Addr

LDR PC，PrefetchAddr

LDR PC，DataAbortAddr

DCD 0xb9205f80

LDR PC，［PC，#-0xff0］

LDR PC，FIQ_Addr

为了满足该芯片有效用户代码的判断标准，0x00000014地址应该存放剩余中断向量校验和的补码，使所有向量的校验和为0，只有满足该条件，LPC2294芯片才认为该代码是有效的，这是该芯片的特性，并不适合所有的ARM芯片。

（2）初始化堆栈

ARM7内核支持6种操作模式：User Mode、FIQ Mode、IRQ Mode、Supervisor Mode、Abort Mode、Undefined Mode。启动代码需要为每种模式建立堆栈，这需要初始化每个模式的堆栈指针。

（3）复制RW到RAM，将Zi段清零

（4）跳转到C语言程序，执行演示程序主代码。

4.2.2 演示程序开发

启动代码对系统的软硬件环境进行基本的初始化工作，在此基础上，演示程序分别对各个功能模块进行初始化，包括模块驱动、外围接口电路驱动、特定应用场景的功能实现，最后进行汇总形成一套完整的演示程序。该演示系统实现的功能如下：

（1）LED显示

（2）按键控制GPIO输入，或产生外部中断

（3）SPI接口控制七段数码管显示

（4）PWM控制蜂鸣器

（5）通过I2C接口读写EEPROM

（6）通过UART接口与PC机进行串口通信

（7）CAN接口之间进行通信

（8）RTC对时间进行测量，并定期产生中断，串口显示实时时钟

（9）Timer定时产生中断，串口打印显示中断次数

（10）看门狗产生复位

（11）通过EMC接口控制SRAM，Nor Flash工作

（12）可调电阻控制A/D输入电压，并由串口显示转换的数字信号

5 结束语

LPC2294是一款低功耗、高可靠性的嵌入式处理器，具有广泛的应用场景。本文在深入了解LPC2294功能的基础上，设计了一个基于该处理器的嵌入式演示系统，详细阐述了该系统的软硬件实现过程，文中的硬件平台和软件代码都通过了功能测试。此外该系统还具有一定的软件升级性，可以移植Linux、WinCE、uC/OS-II、VxWorks、Andrio等嵌入式操作系统。

参考文献：

［1］NXP Semiconductors.LPC21xx and LPC22xx User manual［DB/OL］.Rev.4，2 May 2012.www.nxp.com.

［2］Advanced RISC Machines Ltd.ARM 7TDMI Data Sheet ［DB/OL］.1995.www.arm.com.

［3］郝新轶.基于ARM的嵌入式系统设计［D］.长春：吉林大学，2002.HAO Xin-tie.Design of Embedded System Based on ARM［D］.ChangChun：JiLin University，2002.

［4］郑佃好.基于S3C2440的嵌入式系统及VGA输出设计［D］.成都：电子科技大学，2009.ZHENG Dian-hao.Design of Embedded System Based on S3C2440 and VGA Output［D］.Chengdu：University of Electronic Science and technology，2009.

［5］周立功.ARM嵌入式系统基础教程（第2版）［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008.ZHOU Li-gong.ARM Embedded System Essentials（Second Edition）［M］.BeiJing：BeiJing University of Aeronautics and Astronautics Press，2008.

［6］杜春雷.ARM体系结构与编程［M］.北京：清华大学出版社，2003.DU Chun-lei.ARM architecture and programming［M］.BeiJing：Tsinghua University Press，2003.

［7］Advanced RISC Machines Ltd.ARM Developer Suite Version 1.2［DB/OL］.2000.www.arm.com.

［8］Advanced RISC Machines Ltd.Multi-ICE Version 2.2 User Guide［DB/OL］.2000.www.arm.com.

Design of Embedded Demo System Based on Processor LPC2294

Wang Dan1，Zhang Haitao2
（1.The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Shenyang 110032，China；2.Army 95979 of Chinese People’s Liberation Army，Shenyang 110045，China）

Abstract：With the rapid development of embedded technology，the ARM-embedded system is used widely.The research on ARM-embedded system becomes one of the most popular directions.LPC2294，based on ARM7TDMI-S，is a processor and integrated with rich interface circuits，which is very well suited for industrial control，medical systems，access control，point-of-sale，communication gateways，protocol converters and embedded soft modems as well as many other general-purpose applications.In this paper，it designs an embedded Demo system based on the processor LPC2294.It firstly introduces the basic function of this chip；secondly describes the hardware design of the embedded demo system based on the chip，including power，clock，JTAG and other interface circuits；lastly presents the software design，including the start code and application program.

Key words：Embedded system；LPC2294 processor；ARM processor；Hardware design；Software design

DOI：10.3969/j.issn.1002-2279.2016.02.002

中图分类号：TN492

文献标识码：B

文章编号：1002-2279（2016）02-0004-04

作者简介：王丹（1982-），女，辽宁省锦州市义县人，工程师，硕士，主研方向：嵌入式微处理器设计、验证。

收稿日期：2015-05-14