基于ARM和LCD的电子时钟设计课程设计报告.docx
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基于ARM和LCD的电子时钟设计课程设计报告
重庆邮电大学移通学院
课程设计报告
设计题目：
基于LCD的电子时钟实验
前言
时钟，自从它发明的那天起，就成为人类的朋友，但随着时间的推移，科学技术的不断发展，人们对时间计量的精度要求越来越高，应用越来越广。
怎样让时钟更好的为人民服务，怎样让我们的老朋友焕发青春呢？
这就要求人们不断设计出新型时钟。
现今，高精度的计时工具大多数都使用了石英晶体振荡器，由于电子钟，石英表，石英钟都采用了石英技术，因此走时精度高，稳定性好，使用方便，不需要经常调校，数字式电子钟用集成电路计时时，译码代替机械式传动，用LED显示器代替显示器代替指针显示进而显示时间，减小了计时误差，这种表具有时，分，秒显示时间的功能，还可以进行时和分的校对，片选的灵活性好。
时钟电路在计算机系统中起着非常重要的作用，是保证系统正常工作的基础。
在一个单片机应用系统中，时钟有两方面的含义：
一是指为保障系统正常工作的基准振荡定时信号，主要由晶振和外围电路组成，晶振频率的大小决定了单片机系统工作的快慢；二是指系统的标准定时时钟，即定时时间，它通常有两种实现方法：
一是用软件实现，即用单片机内部的可编程定时/计数器来实现，但误差很大，主要用在对时间精度要求不高的场合；二是用专门的时钟芯片实现，在对时间精度要求很高的情况下，通常采用这种方法，典型的时钟芯片有：
DS1302，DS12887，X1203等都可以满足高精度的要求。
本文主要介绍用单片机内部的定时/计数器来实现电子时钟的方法，本设计由单片机AT89S51芯片和LED数码管为核心，辅以必要的电路，构成了一个单片机电子时钟。
系统设计
课题目标及总体方案
通过S3C44B0X处理器的学习，可以利用其内部的RTC单元和LCD控制器，外接LCD模块、晶振和（后备）电源实现电子实时时钟的功能。
主要实现方法为：
通过电源和晶振保证处理器的正常工作和时钟来源，通过编程设定RTC单元的工作模式，实现实时时钟的功能；然后根据所要求显示的图形效果，编写程序设定LCD控制器的相应寄存器，将RTC单元和LCD控制器合理有效地结合起来；最终由LCD模块作出相应动作，完成实时时钟的显示功能。
本课程设计设计一种基于ARM7的嵌入式微处理器S3C44B0X和LCD显示器的电子时钟，实现电子时钟的功能，并在LCD上显示类似的时钟界面；动态显示当前的时间，包括：
年、月、日、时、分、秒，时针。
本课程设计主要为软件设计，硬件部分使用EL-ARM-830教学实验箱上的S3C44B0X和LCD模块，LCD初始化模块、时钟应用系统模块等，其中，时钟系统应用模块包括时钟计时模块、时钟显示模块等。
各模块之间功能独立，协同完成本课程设计的全部功能。
系统设计框图如图
硬件平台简介
S3C44B0X简介
S3C44B0X微处理器是三星公司研发的基于ARM7TDMI核的高性能嵌入式处理器，为手持设备和一般类型应用提供了高性价比和高性能的微控制器解决方案。
由于其高性价比以及内嵌了多种接口，在手持设备和消费类电子中得到了广泛的应用。
为了降低成本，S3C44B0X提供了丰富的内置部件，包括：
8KBcache、内部SRAM、LCD控制器、带自动握手协议的2通道UART、4通道DMA、系统管理器（片选逻辑，FP/EDO/SDRAM控制器）、带有PWM功能的5通道定时器，I/O端口，RTC，8通道10位ADC，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，同步SIO接口和PLL倍频器。
S3C44B0X采用了ARM7TDMI内核，0.25um工艺的CMOS标准宏单元和存储编译器。
它的低功耗和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。
同样S3C44B0X还采用了一种新的总线结构，即SAMBAII（三星ARMCPU嵌入式微处理器总线结构）。
S3C44B0X的特性是它的CPU核，是由ARM公司设计的16/32位ARM7TDMIRISC处理器（主频66MHZ）。
ARM7TDMI体系结构的特点是它集成了Thumb代码压缩器，片上的ICE断点调试支持，和一个32位的硬件乘法器。
S3C44B0X内置LCD控制器可以支持规格为每像素2位（4级灰度）或每像素4位（16级灰度）的黑白LCD。
也可以支持每像素8位（256级颜色）的彩色LCD屏。
LCD控制器可以通过编程支持不同LCD屏的要求，例如行和列像素数，数据总线宽度，接口时序等。
S3C44B0X与LCD连接
本课程设计使用的EL-ARM-830教学实验箱包含有一块5.7寸，256色，320X240像素的LCD显示屏，S3C44B0X内置了LCD控制器，控制LCD。
S3C44B0X与LCD连接示意图如图3。
图3S3C44B0X与LCD连接示意图
RTC模块
利用RTC的各种寄存器功能，设计出一个时钟表。
实时时钟（RTC）器件是一种能提供日历/时钟、数据存储等功能的专用集成电路，常用作各种计算机系统的时钟信号源和参数设置存储电路。
RTC具有计时准确、耗电低和体积小等特点，特别适用于在各种嵌入式系统忠记录事件发生的时间和相关信息，尤其是在通信工程、电力自动化、工业控制等自动化程度较高领域的无人职守环境。
随着集成电路技术的不断发展，RTC器件的新品也不断推出。
这些新品不仅具有准确的RTC，还有大容量的存储器、温度传感器和A/D数据采集通道等，已成为集RTC、数据采集和存储于一体的综合功能器件，特别适用于以微控制器为核心的嵌入式系统。
S3C44B0X实时时钟单元是处理器集成的片内外设。
由开发板上的后备电池供电，可以在系统电源关闭的情况下运行。
RTC发送8位BCD码数据到CPU。
传送的数据包括秒、分、小时、星期、月份和年份。
RTC单元时钟源由外部32。
768kHz晶振提供，可以实现闹钟（报警）功能。
S3C44B0X实时时钟单元特性如下：
BCD数据：
秒、分、小时、星期、日期、月份和年份；
闹钟（报警）功能：
产生定时中断或激活系统；
自动计算闰年；
无2000年问题；
独立的电源输入；
支持ms级时间片中断，位RTOS提供时间基准。
2）读/写寄存器
访问RTC模块的寄存器，首先要社RTCCON的位0位1。
CPU通过读取RTC模块中寄存器BCDSEC、BCDMIN、BCDHOUR、BCDDAY、BCDDATE、BCDMON和BCDYEAR的值，得到当前的相应时间值。
但是，由于多个寄存器一次读出，所以由可能产生错误。
例如：
用户一次读取年（1989）、月（12）、日（31）、时（23）、分（59）、秒（59）。
当秒数位1～59时，无任何问题；但是，当秒数位0时，当前时间和日期就变成了1990年1月1日0时0分。
在这种情况下（秒数位0），用户应该重新读取年份到分钟的值。
3）后备电池
RTC单元可以使用后后备电池通过引脚RTCVDD供电。
当系统关闭电源以后，CPU和RTC的接口电路被阻断。
后备电池只需要驱动晶振和BCD计数器，从而达到最小功耗。
4）闹钟报警功能
RTC在指定的时间产生报警信号，包括CPU工作在正常模式和休眠（PowerDown）模式下。
在正常工作模式，报警中断信号（ALMINT）别激活；在修们模式，报警中断信号和唤醒信号（PMWKUP）同时被激活。
RTC报警寄存器（RTCALM）决定报警功能的使能/屏蔽和完成报警时间检测。
5）时间片中断
RTC时间片中断用于中断请求。
寄存器TICNT由一个中断使能位和中断计数。
该中断计数自动递减，当达到0时，则产生中断。
中断周期）Period计算公式如下：
Period＝（n＋1）/128s
其中，n为RTC时钟中断计数，可取值为1～127。
6）置0计数功能
RTC的置0计数功能可以实现30s、40s和50s步长重新计数，供某些专用系统使用。
当使用50s置0设置时，如果当前时间是11：
59：
49，则1s后时间将变为12：
00：
00。
注意：
所有的RTC寄存器都是字节型的，必须使用字节访问指令（STRB、LDRB）或字符型指针访问。
RTC初始化。
LCD初始化模块设计
本模块的主要功能完成LCD的初始化，加载LCD驱动程序，使LCD与S3C44B0X实现对接，完成显示功能。
本模块我们使用了实验箱现有的相关程序。
LCD模块是嵌入式应用系统中重要的人机交互部件。
目前，许多常用的LCD模块一般自身都不带有字库，而实际应用中人机界面又经常需要显示中英文字符。
对于不带字库的LCD模块显示字符的解决方法通常是利用字模提取软件来进行预处理，即将系统中可能用到的字符一一将其字模提取出来，并将字模数据存放在程序空间中。
该方法只适用于显示字符固定且数量较入式系统中，灵活性差。
考虑到嵌入式系统一般带有一定容量的ROM存储系统，本文以无字的图形LCD模块LM2028为例，搭建了以ARM微处理器s3C44BOX为基础的嵌式液晶系统工作平台，在此平台的基础上，讨论了一种基于自制硬件字库的中英文字符显示方案。
LCD控制器的作用是将系统存储器中的LCD图像数据传送到外部LCD驱动器中，并产生必须的
LCD控制信号。
S3C44BOXLCD控制器支持在灰白LCD上的单色、4级灰度、16级灰度显示，也能与彩色LCD接口支持最大256色的显示。
可以编程支持不同水平和垂直点数（64O×480、320×240、160×160等）、不同数据线宽度、不同接口时序和刷新速率的LCD，支持4位双扫描、4位单扫描、8位单扫描的LCD显示器，并支持水平／垂直卷动，以用来支持更大的屏幕显示（如1280×1280）。
S3C44BOX支持查找表，用于各种色彩选择或灰度级别的选择。
在灰度模式中，通过查找表可以在16级灰度中选择四种灰度，在彩色模式中，一个字节的图像数据是用3位表示红色，3位表示绿色，2位表示蓝色，通过查找表可以选择16级红色中的8种红色、16级绿色中的8种绿色和16级蓝色中的4种蓝色。
S3C44B0X中具有内置的LCD控制器，它能将显示缓存（在SDRAM存储器中）中的LCD图像数据传输到外部的LCD驱动电路上的逻辑功能。
它支持单色、4级、16级灰度LCD显示，以及256彩色LCD显示。
在显示灰度时，它采用时间抖动算法（time-basedditheringalgorithm）和帧率控制（FrameRateControl）方法，在显示彩色时，它采用RGB的格式，即RED、GREEN、BLUE，三色混合调色。
通过软件编程，可以实现233或332的RGB调色的格式。
对于不同尺寸的LCD显示器，它们会有不同的垂直和水平象素点、不同的数据宽度、不同的接口时间及刷新率，通过对LCD控制器中的相应寄存器写入不同的值，来配置不同的LCD显示板。
S3C44B0X中内置的LCD控制器提供了下列外部接口信号：
VFRAME:
LCD控制器和LCD驱动器之间的帧同步信号。
它通知LCD屏开始显示新的一帧，LCD控制器在一个完整帧的显示后发出VFRAME信号。
VLINE:
LCD控制器和LCD驱动器间的同步脉冲信号，LCD驱动器通过它来将水平移位寄存器中的内容显示到LCD屏上。
LCD控制器在一整行数据全部传输到LCD驱动器后发出VLINE信号。
VCLK:
LCD控制器和LCD驱动器之间的象素时钟信号，LCD控制器在VCLK的上升沿发送数据，LCD驱动器在VCLK的下降沿采样数据。
VM:
LCD驱动器所使用的交流信号。
LCD驱动器使用VM信号改变用于打开或关闭象素的行和列电压的极性。
VM信号在每一帧触发，也可通过编程在一定数量的VLINE信号后触发。
VD[3:
0]:
LCD象素数据输出端口。
VD[7:
4]:
LCD象素数据输出端口。
LCD控制器包含REGBANK,LCDCDMA,VIDPRCS,和TIMEGEN。
REGBANK具有18个可编程寄存器，用于配置LCD控制器。
LCDCDMA为专用的DMA，它可以自动地将显示数据从帧内存中传送到LCD驱动器中。
通过专用DMA，可以实现在不需要CPU介入的情况下显示数据。
VIDPRCS从LCDCDMA接收数据，将相应格式（比如4／8位单扫描和4位双扫描显示模式）的数据通过VD[7:
0]发送到LCD的驱动器上。
TIMEGEN包含可编程的逻辑，以支持常见的LCD驱动器所需要的不同接口时间和速率的要求。
TIMEGEN部分产生
VFRAME,VLINE,VCLK,VM等信号。
Lcd显示的时钟界面包括：
静止不动的圆形钟面和一直在走动的时钟指针。
所以需要构建两个重要的函数实现画圆和画直线。
以下为画圆函数：
该算法是通过X变量的自增，补偿1修正正方形控制Y变量自减，找到距中心恒定距离的点，其中rs=45，X自0加1增至45。
和原点坐标运算，可以在第一象限找到一点，再通过折叠对称找到其他象限的三个点，通过画点函数描绘出。
再画他的45度镜像就好了。
以中心的坐标为起点，使用while函数与指针最外圈的点比较，不断延长直至相等，所以事先计算出时针，分针和秒针三个同心圆最外圈点的坐标，以便带入函数。
也同圆类似，要考虑不同象限点的情况，根据不同的位置带参数到画点函数中描绘。
时钟应用系统模块设计
本模块是电子时钟功能实现的主要模块，也是本次课程设计的核心模块，本模块实现的功能主要有：
时间计时，钟面时间显示，数字时间显示。
其中，时间计时功能和在LCD上显示数字钟显示功能较易实现，之前的单片机课程设计和HDL课程设计均有所涉及。
计时使用S3C44B0X内部时钟脉冲和分频实现，在LCD上显示数字钟显示使用LCD数字显示功能实现。
在LCD上实现钟面显示功能较为复杂，主要包括以下过程：
1、给秒针、分针各设定60个坐标（包括X左边和Y坐标），表示60秒和60分，给时针设定12个坐标（包括X左边和Y坐标）；
2、设定钟面显示初值并完成初值与时针、分针、秒针的坐标的映射，更更改初值可以完成时间的设定；
3、使用画线函数完成秒针、分针、时针显示，主要功能是擦除上一秒（分、时）的轨迹和显示这一秒（分、时）。
4、使用画点函数完成钟面基本构造，即钟面与12个整点时间点。
除此之外，需要在整个移植后的系统中初始化堆栈并设定任务，通过任务完成时钟的各项功能。
实验结果及讨论
调试结果与分析
通过编译调试下载到实验箱的S3C44B0X芯片中进行调试，LCD显示结果如图7所示。
图7LCD调试结果显示
屏幕右上角显示出学号姓名和作品信息；
屏幕中间显示的是钟面，有时针、分针和秒针，显示实时时间；
屏幕下方显示的是数字时钟，显示时分秒（与钟面时间相对应）和年月日。
完成系统设计要求的各项功能。
结论
本课程设计属于嵌入式系统项目设计，利用EL-ARM-830教学实验箱上的嵌入式微处理器S3C44B0X和LCD模块，实现如下功能：
1、LCD显示“钟面”样式，时针、分针、秒针显示实时时间；
2、LCD显示“数字钟”样式，动态显示年、月、日、时、分、秒；
3、显示时间可以修改并保持“钟面”与“数字钟”时间保持一致；
4、LCD左上角动态显示小组成员姓名、学号及选题信息。
本课程设计完成选题要求，但是有如下方面有待改进：
1、“钟面”现实不够精确，分针和时针只设定了60个坐标位置，分针和时针走动不均匀；
2、数字钟部分尚未考虑到“大月”和“小月”以及“平年”和“闰年”的日期问题，所有月份均设定为30天；
3、时间修改麻烦，需要对源程序中设定的初值进行修改，无法通过键盘对时间进行修改；
4、未调用S4C44B0X内部实时时钟（RTC）模块，不能显示出精确的内部实时时间。
本次课程设计是嵌入式系统项目设计，是在本学期我们学完了嵌入式系统课程以后相应的课程设计。
我们自己查找了许多关于S3C44B0X和LCD的资料和文献作为课程设计的知识储备，同时也参考了去年学长学姐完成的课题，取人之长、补己之短。
经过我们的努力，在老师同学的帮助下，我们顺利完成了课程设计，对嵌入式系统的硬件、软件有了更为深入的了解，也深入掌握了嵌入式系统设计的基本方法，达到了预期的目的。
本次课程设计首先要感谢陈龙灿老师，对我们的课程设计给予了充分的关怀和帮助；然后要感谢我的搭档范娟，我们一起完成了本次课程设计。
附录
源程序：
#include"..\inc\config.h"
#defineSTACKSIZE256
#definex_line160
#definey_line80
OS_STK_DATAstk;
externGUI_FONTCHINESE_FONT12;
externGUI_FONTCHINESE_FONT16;
externGUI_FONTGUI_Font8x16;
OS_EVENT*Send_LCD_Sem;
OS_EVENT*Key_Mbox;
I8Hour[3],Min[3],Sec[3];
I8hour=0,min=0,sec=0,ms;
I8YEA1[3],YEA2[3],MON[3],DAY[3];
intyea1=20,yea2=11,mon=6,day=23;
I8XH0[3],XH1[3],XH2[3],XH3[3];
I8XH4[3],XH5[3],XH6[3],XH7[3];
charxh0=01,xh1=62,xh2=31,xh3=03;
charxh4=32,xh5=36,xh6=02,xh7=12;
//intTimeCount=0;
intSpaceXS[61]={160,165,170,175,180,185,
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209,208,207,206,205,
201,197,193,189,185,
180,175,170,165,160,
155,150,145,140,135,
131,127,123,119,115,
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SpaceYS[61]={30,31,32,33,34,
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SpaceXM[61]={160,164,168,172,176,180,183,186,189,192,
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SpaceYM[61]={40,41,42,43,44,45,48,51,54,57,
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40
},
SpaceXH[13]={160,175,185,190,185,175,160,145,135,130,135,145,160},
SpaceYH[13]={50,55,65,80,95,105,110,105,95,80,65,55,50},
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voidshow（I8s）
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