基于FM33LG048微控制單元外圍電路的設(shè)計與功能驗證

周智勇，葉慶紅，王超群

（上海航天能源股份有限公司，上海， 201112）

0 引言

Real Time-Thread (RT-Thread)是一種國產(chǎn)的包括線程管理、調(diào)度管理、中斷管理和系統(tǒng)時鐘管理的實時操作系統(tǒng)，廣泛被學(xué)者引用學(xué)習(xí)[1～3]。文獻[4]采用功能分離機制，在STM32L431上實現(xiàn)RT-Thread的移植并將可執(zhí)行二進制程序和用戶程序分開下載到閃存。文獻[5]基于實時多線程系統(tǒng)，設(shè)計一種水下潛航器，并進行通信測試，實現(xiàn)了RT-Thread操作系統(tǒng)的驅(qū)動移植和調(diào)試運行。在文獻[6]中，將Cortex-M3內(nèi)核與特定的變換加速模塊相結(jié)合，設(shè)計可用于數(shù)字信號預(yù)處理的專用處理器，簡單高效。在文獻[7]中，設(shè)計了物聯(lián)網(wǎng)多傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，有效地實現(xiàn)了災(zāi)害的預(yù)警處理。然而聚焦于嵌入式實時操作系統(tǒng)與MCU及其外圍電路功能實現(xiàn)的文獻卻很少出現(xiàn)。

文章探討物聯(lián)網(wǎng)儀表板載PCB嵌入式MCU及其外圍電路的設(shè)計和功能驗證。行文思路首先是對外圍電路及功能驗證所用到的部分軟、硬件作簡要介紹(如表1所示)；其次是對燃氣儀表主控板MCU及其電源切換、74LS148編碼器等外圍電路的設(shè)計；最后使用檢測板對主控板設(shè)計的電路逐一進行功能驗證。本文的貢獻如下：

（1）電源切換設(shè)計可滿足主控板多元化供電需求、引入74LS148優(yōu)先編碼器判斷傳感器或開關(guān)量的狀態(tài)、各功能狀態(tài)可在LCD顯示屏直觀展出，電流表可通過繼電器觸頭接入，用以判斷MCU在低功耗模式下主控板電源的功耗。

（2）對照圖17所示功能驗證流程，用檢測板對生產(chǎn)的儀表主控板功能進行檢測，功能異?？煽焖俣ㄎ?，提高生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)的部分軟、硬件及其作用如表1所示。圖1為系統(tǒng)的硬件連接，圖2是圖1的抽象結(jié)構(gòu)圖。主控板包含MCU及其外圍電路，燒錄有驗證程序的檢測板對主控板的電源控制、串口收發(fā)等功能進行驗證，轉(zhuǎn)接板用于傳感器及開關(guān)量的電平測試。

表1 系統(tǒng)軟、硬件

圖1 系統(tǒng)硬件連接

圖2 抽象結(jié)構(gòu)圖

2 MCU外圍電路設(shè)計

■2.1 電源切換和電流表接入設(shè)計

為滿足嵌入式燃氣儀表的供電電源需求，設(shè)計有市電經(jīng)開關(guān)電源整流為直流5V或者電池3.6V供電。當(dāng)繼電器觸頭K1、K2均向上撥時，此時儀表主控板由電池電源+3.6V供電；當(dāng)繼電器觸頭K1向下?lián)堋2向上撥時，此時儀表主控板由外接電源+5V供電；當(dāng)繼電器觸頭K1、K2均向下?lián)軙r，AMP_IN接入3.6V，AMP_OUT為低電平，接入電流表，用以判斷是否滿足低功耗要求。通過switch()語句設(shè)置GPIO_k1、GPIO_k2的高低電平來控制繼電器觸頭K1、K2的撥向。切換控制圖如3所示。

■2.2 復(fù)位、晶振及下載電路設(shè)計

復(fù)位電路可使MCU回到初始狀態(tài)，若缺少復(fù)位電路可能使得MCU中RAM、FLASH、計數(shù)器、中斷等程序的錯亂[8～9]。圖4中，MCU采用低電位RC復(fù)位電路，開關(guān)S1按下時，RESET電位被拉低；松開時， RESET電位上升，實現(xiàn)復(fù)位。

圖4 MCU復(fù)位

對于FM33LG048MCU而言，芯片內(nèi)包含32kHz低頻晶體振蕩電路、最高36MHz高頻振蕩器、32kHz低功耗內(nèi)部環(huán)振、512kHz低頻環(huán)振和一個鎖相環(huán)。調(diào)試時，內(nèi)部晶振設(shè)置為12MHz，接入到MCU的晶振電路如圖5所示。

圖5 晶振電路

程序燒錄時選擇J-LINK調(diào)試器，與MCU接口連接電路如圖6所示。

圖6 下載電路

■2.3 ADC轉(zhuǎn)換設(shè)計

ADC，即將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，分為采樣、量化、編碼等過程[10～11]。由于該MCU內(nèi)部集成了AD轉(zhuǎn)換模塊，所以只需要在MCU的輸入模擬量引腳進行采樣，然后在需要的數(shù)字量輸出設(shè)置測試點即可。本文需要進行ADC轉(zhuǎn)換的引腳有ADC_MCU、ADC_VDD_4G、ADC_SENSOR6、ADC_SENSOR5、ADC_SENSOR4、ADC_SENSOR3、ADC_SENSOR2、ADC_SENSOR1，轉(zhuǎn)換電路如圖7所示（給出了ADC_SENSOR1，剩余傳感器的轉(zhuǎn)換同理）。

圖7 MCU的外部ADC轉(zhuǎn)換電路圖

■2.4 UART

UART，用于串口異步收發(fā)，是系統(tǒng)中各電路模塊通訊的“橋梁”[12]。UART有8種工作方式，如表2所示。為簡單起見，本文UART配置為工作方式0，波特為115200。

表2 UART工作方式

圖8為兩路UART交互示意圖，由圖可知，若要實現(xiàn)主從UART的串口通信，必須滿足：

圖8 UART之間的交互

(1) 主機端（儀表的MCU）通過UART1發(fā)送的指令從機端(串口指令接收端)要能夠接收到，并且從機端能對接收到的指令做出反饋，通過UART2發(fā)送反饋指令；

(2) 主機端能夠接收到從機端發(fā)來的反饋指令，以確保主機、從機端的發(fā)送和接收均為正常。

■2.5 MCU外圍LCD顯示電路設(shè)計

圖9為MCU與LCD的連接示意圖，LCD顯示使用I2C協(xié)議，要使顯示屏正常顯示，片選端CS需置為低電平[13]。

圖9 LCD顯示電路

讀數(shù)據(jù)時，字符有可能是中文或其他ASCII碼支持的形式。若存在中文時，首先應(yīng)將可能需要展示的中文字體庫列出，以便顯示屏顯示不出現(xiàn)亂碼。需要注意的是，顯示屏所支持的最大行數(shù)為4，當(dāng)顯示行數(shù)大于4時，需要考慮翻頁，具體為：

(1) 需要展示的行數(shù)為m，每頁支持的最大行數(shù)為n；若m ＜= n，則pages = 1，即用一頁就可展示；

(2) 若m ＞ n，m%n == 0，則pages = m/n；

(3) 若m ＞ n，(m%n) != 0，則pages = m/n + 1。

顯示屏的翻頁如圖10所示。

圖10 顯示屏翻頁

■2.6 MCU外圍編碼器電路設(shè)計

工業(yè)用燃氣儀表的工作環(huán)境在室外，需要眾多傳感器采集不同的參數(shù)。該儀表含有用六個傳感器接口（三個用于采集壓力、溫度、流量等，其余均為備用接口），并使用3片74LS148判斷傳感器IO接口及信號量的狀態(tài)。為便于對傳感器的檢測，將傳感器的引腳轉(zhuǎn)接到外部轉(zhuǎn)接板。在圖11中，A0、A1、A2為編碼器的輸出端（低電平有效），管腳0～7為編碼器的輸入端（低電平有效），EI端低電平有效。根據(jù)編碼器真值表，傳感器及開關(guān)量狀態(tài)判斷方法如下：

圖11 第一片74LS148編碼器電路

(1)首先將傳感器數(shù)字量輸入端引腳的GPIO引腳配置為輸出高電平模式；

(2)將編碼器的輸出端A0A1A2輸出全為高電平的情況下，再將傳感器各IO口配置為低電平，查看編碼功能是否完好；

(3)若三個編碼器的A0A1A2端均為低電平時，則傳感器的IO口正常；

(4)異常判斷：

在(2)和(3)的條件下，若三個編碼器中，有一個編碼器的A0A1A2端全為高電平時，則可判斷為傳感器1異常(100)或傳感器2異常(010)或傳感器3異常(001)；

在(2)和(3)的條件下，若三個編碼器中，有兩個編碼器的A0A1A2端全為高電平時，則可判斷為傳感器4異常(110)或傳感器5異常(101)或傳感器6異常(011)；

在(2)和(3)的條件下，若三個編碼器的A0A1A2端全為高電平時，則可判斷為開關(guān)量異常。

3 功能驗證分析

本部分用檢測板對MCU外圍電路進行功能驗證，具體為：

(1) 檢測主控板是否安裝到工裝上；

(2) 電源切換為3.6V，檢測ADC_MCU的3.3V工作電壓，如果異常將不再進行后續(xù)步驟，如圖12所示；

圖12 MCU電源檢測

(3) 檢測通訊串口功能，由檢測板發(fā)送字符串“test uart”，與主控板發(fā)送內(nèi)容是否一致進行對比，等待主控板返回信息“uart ok”，超時時間為2s。否則返回“uart error”，停止檢測后續(xù)步驟，如圖13所示；

圖13 串口通訊檢測

(4) 檢測LCD顯示功能，由檢測板發(fā)送字符串“test display”，用外層for循環(huán)遍歷顯示屏要顯示的行數(shù)，執(zhí)行寫命令；內(nèi)層for循環(huán)遍歷顯示屏要顯示的列數(shù)，執(zhí)行寫數(shù)據(jù)，在執(zhí)行到的行、列地址處是否打印黑點，如果是返回“display ok”，超時時間為2s。否則返回“display error”，停止檢測后續(xù)步驟，圖10為正常顯示需要打印的黑點；

(5) 檢測板發(fā)送指令“test flash”，主控板接收到指令后開始對外部flash進行檢測。燒錄特定數(shù)據(jù)并讀取，若燒錄的數(shù)據(jù)與讀取的數(shù)據(jù)一致，則外部flash正常，返回“flash ok”，超時時間為2s。否則返回“flash error”，停止檢測后續(xù)步驟，如圖14所示；

圖14 flash檢測

(6) 傳感器IO口檢測，檢測板發(fā)送指令“test sensor”，先檢測傳感器的所有引腳是不是低電平，如果是返回“sensor ok”，并根據(jù)真值表在顯示屏顯示相應(yīng)傳感器狀態(tài)，超時時間為2s。否則返回“sensor error”，停止檢測后續(xù)步驟，如圖10所示；

(7) 低功耗檢測，調(diào)用power_switch()使圖3中的K1、K2均向下?lián)?。主控板發(fā)送指令“test low_power”，MCU進入休眠狀態(tài)之前發(fā)送反饋“in sleep”，切換到電流表等待穩(wěn)定后，根據(jù)正確報文格式讀取電流信息。由表3及圖15可知，電源AMP_IN流經(jīng)的電流為9微安(數(shù)據(jù)區(qū))，功耗P=(3.6V)×(9μA)=32.4μW，滿足低功耗(要求100μW以內(nèi))，發(fā)送反饋“l(fā)ow_power ok”，否則發(fā)送反饋“l(fā)ow_power error”，檢測結(jié)束，如圖16所示。(1)～ (7)驗證流程如圖17所示。

圖3 切換控制圖

圖15 報文信息

圖17 功能驗證流程圖

表3 從設(shè)備在緩存中正確報文格式

圖16 低功耗檢測

4 結(jié)論

本文以FM33LG048MCU為例，介紹了物聯(lián)網(wǎng)儀表板載PCB的MCU及其電源切換、74LS148編碼器等外圍電路。在Keil μVision5開發(fā)環(huán)境下，用檢測板對主控板串口、LCD顯示、flash、傳感器I/O、低功耗各功能模塊進行驗證，且均為ok狀態(tài)。主控板在低功耗工作模式下的功耗為32.4μW，小于百微瓦的最大功耗。生產(chǎn)過程中，按圖17驗證流程，如出現(xiàn)異?？稍贚CD中快速定位，為嵌入式燃氣儀表的生產(chǎn)與檢測提供依據(jù)。