基于ARM的升降旗系统的设计

课程设计说明书题目：基于ARM的升降旗系统的设计课程：嵌入式系统及应用课程设计院（部）：信息与电气工程学院专业：电子信息工程班级：学生姓名：学号：指导教师：完成日期：2010年7月目录摘要 (II)1 设计目的 (1)2 设计要求 (1)3 设计原理 (1)3.1系统功能 (1)3.2总体方框图 (2)3.3系统功能的实现原理和分析 (2)4 设计内容 (2)4.1 方案选择与论证 (2)4.1.1电机的选择与论证 (2)4.1.2电机驱动方案的选择与论证 (3)4.1.3显示部分方案的选择与论证 (3)4.1.4语音部分方案的选择与论证 (3)4.2 系统的硬件设计 (4)4.2.1主控芯片 (4)4.2.2电机驱动模块 (5)4.2.3键盘与显示模块 (6)4.2.4语音模块 (7)4.3 系统的软件设计 (8)4.3.1主程序流程图 (9)4.3.2子程序流程图 (9)4.3.3初始化程序 (10)总结与致谢 (14)参考文献 (15)摘要嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可剪裁，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用性系统。

它一般由微处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及上层应用软件系统等组成，用以实现对其它设备的控制、监视和管理等功能。

本系统采用ARM芯片S3C4510B为主控芯片作为自动控制升降旗系统的检测和控制核心，采用由单片机控制的步进电机带动国旗升降，实现对国旗升降的自动控制。

该电路主要分为电机驱动控制模块、键盘与显示模块、语音模块等几个部分。

电机驱动控制模块采用驱动芯片ULN2803LW，控制与显示部分分别采用键盘作为控制和液晶RT1602C作为显示，语音电路采用语音芯片ISD2560，基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套完善的软件编程，实现了自动升降旗的基本功能及发挥部分的一些功能。

关键字：步进电机；ARM；自动控制；语音；液晶显示1 设计目的通过本次设计掌握设计中所涉及到的ARM技术、驱动电机技术，设计原理。

实现一个自动控制升降旗系统，该系统能够自动控制升旗和降旗。

升旗时，国旗匀速上升，同时流畅地演奏国歌，在旗杆的最高端自动停止；降旗时不放国歌，在最低端自动停止。

同时用数字即时显示旗帜所在的高度。

可控制其进入半旗状态（根据《国旗法》：升旗时，国旗从最低端上升到最高端之后，国歌停奏，然后自动下降到总高度的2/3高度处停止；降旗时，国旗先从2/3高度处上升到最高端，再自动从最高端下降到底之后自动停止）。

2 设计要求设计一个自动控制升降旗系统，该系统能够自动控制升旗和降旗。

升旗时，国旗匀速上升，同时流畅地演奏国歌，在旗杆的最高端自动停止；降旗时不放国歌，在最低端自动停止。

同时用数字即时显示旗帜所在的高度。

可控制其进入半旗状态（根据《国旗法》：升旗时，国旗从最低端上升到最高端之后，国歌停奏，然后自动下降到总高度的2/3高度处停止；降旗时，国旗先从2/3高度处上升到最高端，再自动从最高端下降到底之后自动停止）。

具体要求：（1）根据设计要求确定系统功能框图，画出系统结构框图，并对系统中各部分功能进行说明。

（2）根据设计要求及已知参数进行需求分析，选择ARM芯片S3C4510B为主控芯片、电机类型、驱动电路类型。

（3）根据系统结构框图及器件选型画出系统原理图。

（4）根据系统原理图进行PCB板布局设计 (选做)。

（5）根据硬件设计的结果设计系统的软件流程，写出程序。

3 设计原理3.1系统功能系统主要由4个模块构成：主控模块、电机驱动模块和键盘输入模块与液晶显示模块用键盘按键来控制国旗自动升降。

同时在升旗过程中同时播放国歌，通过对步进电机的精确控制实现国旗的指定运动；能避免误动作；可在指定位置自动停止；增设一个开关控制半旗状态，升旗时，按上升键奏国歌，国旗上升到最高端时国歌停奏然后自动下降到总高度的2/3处停止。

降旗时按下降键国旗先由2/3处上升到最高端，再自动从最高端下降到底之后自动停止；3.2总体方框图图1 系统方框图3.3系统功能的实现原理和分析本系统采用ARM芯片S3C4510B为主控芯片作为自动控制升降旗系统的检测和控制核心，该电路主要分为电机驱动控制模块、键盘与显示模块、语音模块等几个部分。

电机驱动控制模块采用驱动芯片ULN2803LW，控制与显示部分分别采用键盘作为控制和液晶RT1602C作为显示，语音电路采用语音芯片ISD2560，实现一个自动控制升降旗系统，使该系统能够自动控制升旗和降旗。

4 设计内容4.1 方案选择与论证4.1.1电机的选择与论证方案一：采用普通电机加一定比例的减速器,通过换用不同的减速器来实现旗帜升降速度的控制,同时在旗杆的顶部,底部,和2/ 3 处设置3 个传感器,从而达到旗子在杆顶、杆底及2/ 3 处的自动停止控制。

优点是价格低廉,且易于操作,但精度难以控制和提高。

方案二：采用步进电机控制,既可以实现对速度的精密控制,又可以省去对减速机的种类的要求,还可以实现不同高度停止的要求。

但是步进电机的价格较贵,对外为电路的要求较高,且其程序中数据运算及交换较为复杂。

基于以上分析,采用方案二。

4.1.2电机驱动方案的选择与论证方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对电机的运行速度进行调整。

这个电路的优点是电路结构简单，其缺点是继电器的响应时间长，易损环，寿命短，可靠性不是很高。

方案二：采用驱动芯片ULN2803LW。

利用该芯片是实现驱动步进电机的一种简单方法,可精确控制步距和速度，利用该方法设计的步进电机驱动系统具有硬件结构简单、软件编程容易的特点.所以综上所述我们采用方案二。

4.1.3显示部分方案的选择与论证方案一：采用点阵式L ED 显示,显示亮度高,可以同时显示汉字、数字、字母等符号,能够显示测量结果的单位。

但是,采用点阵式L ED 时,连线十分复杂,同时他所占的显示空间过大,使系统体积增大。

方案二：采用七段式L ED 显示,既能达到题目的要求,显示区域占空少,连线也较简单,且易于编程,但不易显示测量结果的单位。

方案三：用LCD（LCD1602）液晶显示，其优点是能显示更多的字符，工作电流比LED 小几个数量级，故其功耗低，且有着良好的人机界面，体积小，功耗极低。

基于上述考虑，所以我们选择方案三。

4.1.4语音部分方案的选择与论证方案一：采用语音芯片ISD1420。

该芯片采用CMOS技术,内含震荡器、话筒前置放大、自动增益控制、防混肴滤波器、平滑滤波器、扬声器驱动及EEPROM，一个最小的录放系统仅由一个麦克风、一个喇叭、两个按扭、电源及少数电阻电容即可，结构非常简单，且它的音质好、功耗低，但其录放音时间短，只有8到20秒。

方案二：采用语音芯片ISD2560，它具有抗断电、音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。

录音时间为60 s，能重复录放达10万次。

芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了A/D、D/A转换器。

每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”，该器件的采样频率为8.0KHz。

综上所述，因为在本系统国歌的的演奏时间需要43秒钟，所以在此选用方案二。

4.2 系统的硬件设计本系统采用ARM芯片S3C4510B作为升降旗系统的控制核心，实现键盘控制、液晶显示、语音等几个部分，即该系统主要包括电机驱动模块、键盘与显示模块、语音模块等几个部分。

现分别对各模块进行分析。

4.2.1主控芯片本系统采用ARM芯片S3C4510B为主控芯片作为自动控制升降旗系统的检测和控制核心，其芯片引脚图如图2所示。

图2 S3C4510B引脚图4.2.2电机驱动模块在本设计中采用驱动芯片ULN2803LW作为电机驱动的核心,其电路原理图如图3所示。

图3 电机驱动电路其步进电机的控制原理为：为了准确实现可调节的时间和高度控制的匀速升降，需要精确计算在人眼不能识别的时间内的步进电机的脉冲数。

4.2.3键盘与显示模块在本设计中使用了八个按键，分别用来控制升降旗和升降半旗及其切换，高度及时间的调节，显示部分采用液晶LCD1602，因为在本设计中只要求显示时间与高度，可以不用中文显示，所以LCD1602已完全满足要求，其键盘与显示模块的电路原理图如图4所示。

图4 键盘与显示电路4.2.4语音模块因为本设计要求演奏国歌，其时间为43秒钟，所以选用的语音芯片其录放时间应大于43秒钟，即在此选用语音芯片ISD2560，其录放时间为60秒，完全符合本设计的要求，我们把国歌音乐录制在ISD2560语音芯片中，然后用它的单次播放功能播放国歌，其电路原理图如图5所示。

图5 语音模块的电路原理图ISD2560可以利用A0-A9这10条地址线实现分段录放音，可以分为600段，在本设计中我们没有用到分段录放音，所以将10条地址线全部接地。

当录音时，片选端CE接低电平、PD为低电平、P/R为低电平；当放音时，片选端CE接低电平、PD为低电平、P/R为高电平。

其控制原理为：A、当升旗键按下时， ISD2560输出播音控制信号播放国歌，国旗经43s的时间匀速上升至旗杆顶端，国歌播放完毕；当降旗键按下时，不播放国歌。

B、在半旗状态时，当升旗键按下时，对ISD2560输出播音控制信号播放国歌，国旗经43s的时间匀速从最低端上升到最顶端之后，国歌停奏，然后自动经14s的时间匀速下降到总高度的2/3高度处（120cm）停止；当降旗键按下时，不播放国歌。

4.3 系统的软件设计整个系统的主要任务是执行升降旗、半旗、时间调整、高度调整四种运动，这样系统软件设计就可以分块完成。

主程序部分，主要是查键盘，通过查键，检测应该做什么运动，键值不同调用不同的子程序。

子程序包括上、下运动、半旗运动、时间调整和高度调整等。

下面就按照各模块的功能写出程序流程图如下所示。

4.3.1主程序流程图图6 主程序流程图4.3.2子程序流程图N N图7 升旗处理子程序流程图图8 升旗处理子程序流程图4.3.3初始化程序S3C4510B初始化程序如下：3.3.3系统初始化程序SYSCFG EQU 0x3FF0000EXTDBWTH EQU 0x3FF3010ROMCON0 EQU 0x3FF3014SDRAMCON0 EQU 0x3FF302CREFEXTCON EQU 0x3FF303CrSYSCFG EQU 0xE7FFFF90rEXTDBWTH EQU 0x00003002 ;rREFEXTCON EQU 0xCE338360rfROMCON0 EQU 0x02000060rfSDRAMCON0 EQU 0x14010380rsROMCON0 EQU 0x14048060rsSDRAMCON0 EQU 0x10000380rROMCON1 EQU 0x0rROMCON2 EQU 0x0rROMCON3 EQU 0x0rROMCON4 EQU 0x0rROMCON5 EQU 0x0rSDRAMCON1 EQU 0x0rSDRAMCON2 EQU 0x0rSDRAMCON3 EQU 0x0IOPMOD EQU 0x3FF5000IOPCON EQU 0x3FF5004IOPDATA EQU 0x3FF5008IMPORT C_entry定义异常向量：CODE32AREA Init,CODE,READONLYENTRYB RESET_handlerNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPNOPB RESET_handlerNOP初始化系统配置寄存器、数据宽度寄存器：RESET_handlerLDR R1,=SYSCFGLDR R0,=rSYSCFGSTR R0,[R1]LDR R1,=EXTDBWTHLDR R0,=rEXTDBWTHSTR R0,[R1]进行第一次存储器映射：LDR r2, =rROMCON1LDR r3, =rROMCON2LDR r4, =rROMCON3LDR r5, =rROMCON4LDR r6, =rROMCON5LDR r7, =rfSDRAMCON0 LDR r8, =rSDRAMCON1 LDR r9, =rSDRAMCON2 LDR r10,=rSDRAMCON3 LDR r11,=rREFEXTCON STMIA r0, {r1-r11}从Flash复制程序到SDRAM：LDR r0, =0x0LDR r1, =0x200000 LDR r2, =0x400000 rom2ram_copy_loopLDR r3, [r0],#4LDR r3, [r2],#4 SUBS r1, r1, #4BNE rom2ram_copy_loop进行第二次存储器映射：LDR r0, =ROMCON0LDR r1, =rsROMCON0 LDR r2, =rROMCON1LDR r3, =rROMCON2LDR r4, =rROMCON3LDR r5, =rROMCON4LDR r8, =rSDRAMCON1LDR r9, =rSDRAMCON2LDR r10,=rSDRAMCON3LDR r11,=rREFEXTCONSTMIA r0, {r1-r11}初始化堆栈指针，使用MOV、MSR指令：mov r0, #0x12MSR cpsr_c, r0mov sp,#0x700000mov r0,#0x11MSR cpsr_c, r0mov sp,#0x7f0000mov r0,#0x13MSR cpsr_c, r0mov sp,#0x800000引导应用程序时，跳到应用程序中的主函数中：IMPORT C_EntryBL C_EntryENDLDR pc, =0x10000END总结与致谢通过本次课程设计，使我对设计中所涉及到的ARM技术、驱动电机技术，设计原理有了一定的掌握和理解。