基于ARM9的智能导游仪设计 - 全文

引言

　　随着微电子技术和超大规模集成电路的发展，嵌入式微处理器技术已日趋成熟。嵌入式技术不但在工控系统、智能仪表、检测系统、测控单元等工业应用中有杰出表现，而且越来越深入地应用于各种消费类电子产品中。

　　智能导游讲解系统主要分为两个模块：第一个模块是定位端，第二个模块是手持导游仪。定位端安装在各景区和各景点，可以发射所处景点的代码。手持导游仪则可接收定位端发射的代码，然后通过解码获得景点的位置信息。以便根据景点位置信息为游客显示、播放该景点位置的导游影音文件。

　　本文主要介绍一种基于ARM9处理器的新型智能导游仪的设计方案。这种导游仪是基于ARM处理器强大的处理能力和丰富的外设设计来实现的。游客可以通过触摸屏操作来获得自己所需的信息，而且也可利用设备端与PC机的USB接口来完成导游影音文件的随时更新，其附加的多媒体播放功能还可以开拓ARM处理器在多媒体数码系统中的应用功能。

　　1 系统整体硬件设计

　　该导游仪主要由ARM处理器、音频处理模块、触摸显示模块、FLASH存储模块等组成。　　

　　本设计中的核心处理器和操作系统分别选定三星公司基于ARM9内核的S3C2410X01处理器和目前比较流行的嵌入式操作系统Linux操作系统。

　　S3C2410X01处理器是一种基于ARM920T内核的16／32-bit RISC CPU，拥有独立的16KB指令和16KB数据CACHE、MMU虚拟内存管理单元、NAND Flash boot loader、系统管理单元(SDRAM处理器等)、3通道UART、4通道DMA、4通道具备PWM功能的定时器、IO口、RTC(实时时钟)、8通道10 bit精度ADC和触摸屏处理器、IIC总线接口、IIS数字音频总线接口、USB HOST、USBDEVICE、SD／MMC卡处理器、集成LCD处理器(支持STN和TFT)、2通道SPI和PLL数字锁相环等。该处理器集成度高、功能强大，适用于便携设备和其它工控设备，如指纹识别器、车载系统等。

　　本导游仪中的接收模块主要用于接收IDCode。出于小体积、低功耗、有效范围可控、便于跳频的角度考虑，本设计选用Nordic公司的nRF401单片UHF无线收发芯片，并让其工作在433 MHz ISM (Industrial，Scientific and Medical)频段。由于采用了FSK调制解调技术，因而其抗干扰能力很强。而采用PLL频率合成技术，可使其频率稳定性更好，该系统的发射功率最大可达10dBm，接收灵敏度最大为-105 dBm，数据传输速率可达20 kbps，工作电压在+3～5 V之间，同时nRF401无线收发芯片所需的外围元件也较少。nRF401芯片内包含有发射功率放大器(PA)、低噪声接收放大器(LNA)、晶体振荡器(OSC)、锁相环(PLL)、压控振荡器(VCO)、混频器(MIXFR)、解调器(DEM)等电路。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制数字信号被低噪声放大器放大后，再经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调后将其变换成数字信号输出(DOUT端)。而在发射模式中，数字信号则经DIN端输入，然后经锁相环和压控振荡器处理后进入发射功率放大器的射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL合成技术，故其频率稳定性极好；而采用FSK调制和解调技术则可使抗干扰能力更强。

　　本系统中的USB通信子系统的设计目标是通过USB接口。并利用USB协议来实现与PC机及USB设备的数据交换和数据传输。即设备端通过USB接口载入导游影音文件并将其保存在Flash存储单元中，再由ARM处理器完成影音数据向音频处理模块和LCD显示模块的传送。音频处理模块和LCD显示模块可以实时处理并播放影音数据，从而完成对各旅游景点的综合描述。

　　2 系统软件设计

　　导游仪的软件要负责处理nRF401的接收数据，同时要调用和处理相应的导游文字、图片、语音信息，还要及时响应用户的触摸操作，并管理图形用户界面(GUI)、用户时钟和存储景点信息，此外，还要与各外围器件进行通信和接口。若采用传统MCU的前后台系统编写程序，其复杂性可想而知。因此，采用体积小、速度快、具有较好裁减性、扩展性和可移植性的实时嵌入式操作系统(RTOS)则成为必然选择。考虑到Linux操作系统可以完全开放源代码。且硬件兼容性较好，可以移植到不同处理器上，本系统选用Linux操作系统并通过ARM处理器来完成设计。

　　嵌入式系统软件设计主要包括操作系统、驱动程序和应用程序。本系统对基于2.6.9版本的Linux内核进行了定制裁减，其驱动程序主要是触摸屏的驱动，应用程序则用于多媒体播放。这些软件应根据嵌入式开发流程来建立开发环境。

　　2.1 系统工作流程

　　系统开始工作时，其程序流程如图2所示。系统首先通过供电单元提供的电源给系统上电，并启动加载Boot loader，然后开始加载Linux的系统内核，接下来进行外设模块的初始化。当存储单元准备就绪后，系统将先后初始化显示单元(触摸屏／TFT／LCD)和GPIO(通用输入输出口)。如果外设未初始化成功，则将重新进行初始化，成功后再运行应用程序。运行结束后再关闭主程序，系统程序执行结束。

　　2.2 触摸屏驱动程序

　　触摸屏是用于嵌入式系统中最基本的用户交互设备之一。触摸屏的主要功能是随时报告用户的触摸操作并标识触摸位置的坐标。这通常在每次发生触摸操作时可通过生成一个中断来实现。然后，该触摸屏的设备驱动程序开始查询触摸屏处理器，并请求处理器发送触摸坐标。一旦驱动程序接收到坐标，它就将有关触摸和所有可用数据信号发送给用户应用程序，同时将数据也发送给应用程序，然后由用户应用程序根据它的需要处理数据。

　　ADS7846电阻触摸屏数字转换器可以专门用于对电池供电的设备进行优化，非常适用于触摸屏设备(如PDA、手持设备、监视器、POS终端和传呼机等)。此触摸屏驱动芯片是一款12位A／D转换芯片，适合于4线制触摸屏中使用，可通过标准的SPI协议和CPU进行通信，而且操作简单、可靠性高。由于S3C2410X01芯片集成有同步串行外部SPI接口．故可将ADS7846与ARM芯片S3C2410X01相连。

　　此触摸屏驱动程序的设计主要是进行初始化、数据采集与处理及中断处理函数的编写。而触摸屏驱动程序的核心是中断处理程序，因为在中断服务程序结束之前，来自同一个设备的后续中断都将丢失，所以，中断服务程序应该尽快执行完，否则就有可能丢失来自设备的另一个中断。由于整个触摸屏的驱动程序处理比较复杂，而且耗时较长(大约几十毫秒)，因此，触摸屏驱动程序不可能在中断服务程序中完成。在Linux操作系统中，中断处理程序可以分为上半部(tophalf)和下半部(bottom half)。上半部是一般的中断服务程序，它由硬件中断触发，应当尽可能短小，处理应尽可能地快；而下半部是单独的一段处理程序，一般将其放人立即队列中快速执行。但是在此系统中，按触摸屏时，从ADS7846输出的数值有一个抖动的过程，即从ADS7846输出的A／D转换值有一个不稳定时期，这个过程大约会持续10 ms。所以，中断处理程序的下半部处理没有采用立即队列，而是采用定时器，来使下半部在中断发生10 ms后再作处理，这样就可有效地避开ADS7846输出值的不稳定时期。事实上，使中断服务程序和中断处理任务串行化，可以很好的完成那些需要长时间处理的触摸操作。

　　2.3 应用程序

　　应用程序的开发主要是多媒体功能的实现。这实际是基于音频处理子系统、触摸显示子系统、RAM单元、Flash单元等硬件资源的特点编写的应用函数模块的集合。此集合的编写源于对各个硬件模块的深入了解，以及对硬件资源的充分利用和挖掘、对时序的严格控制，同时包括精确的软件流程，合理分配存储资源，协调ARM处理能力等，从而完成音频播放、静态图片显示、影像播放、音频录制等多媒体所对应的函数集合。各函数集合包括方便的应用程序接口。通过这些接口可为调用这些函数的主函数提供便利。

　　3 结束语

　　本文介绍的基于ARM9处理器的智能导游仪由于采用性能完善、价位合理的硬件模块，因而具有人机界面良好，操作方便、功能强大等优点。作为一种新型消费类电子解决方案，这种智能化导游仪十分适用于各种展览会场和旅游场所，而且应用前景十分看好。