微控制器LPC2131/2132/2138的設(shè)計經(jīng)驗與設(shè)計技術(shù)

1. 引言

SoC在醫(yī)療器械中應(yīng)用前景廣闊，LPC2131/2132/2138是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，帶有32kB/64kB/512 kB的嵌入的高速Flash存儲器和8/16/32kB片內(nèi)靜態(tài)RAM。多達(dá)47個5V的通用I/O口，1個（LPC2132/2132）或2個（LPC2138）8路10位A/D轉(zhuǎn)換器共包含16個模擬輸入，1個10位D/A轉(zhuǎn)換器，可提供不同的模擬輸出（LPC2132/2138）。多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、2個高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM 和SSP。內(nèi)部集成實時時鐘等，資源比較豐富，使它們特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療等嵌入式系統(tǒng)。本文以LPC2132為例，介紹LPC2132的設(shè)計經(jīng)驗與設(shè)計技術(shù)。

2. 顯示設(shè)計

顯示設(shè)計是所有嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分之一。顯示器件包括LED、字符LCM、圖形LCM、VFD等，其中圖形LCM（如128x64、192x64等點陣）可顯示ASCII字符、漢字和圖形，且性價比較高，在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用日趨廣泛，雖在MCS-51系列中的設(shè)計已非常成熟。但由于ARM與MCS-51有許多不同之處，其設(shè)計方法當(dāng)然也有差別，下面以LPC2132和192x64點陣LCM為例進(jìn)行說明。

2.1 與液晶顯示模塊（LCM）的硬件接口設(shè)計

1） 電平匹配：LPC2132系列操作電壓范圍：3.0“3.6 V，選擇3V的LCM當(dāng)然沒有問題，但市場上3V的LCM價格常常比5V貴，而LPC2132的I/O口可承受5V的最大電壓，所以可采用5V的LCM，但需在LCM與LPC2132相連的I/O口上接5V上拉電阻。

2） I/O連接：LPC2132沒有外部總線，所有I/O口都需要進(jìn)行配置，由內(nèi)部寄存器決定是輸入還是輸出。其中P0口共有31個I/O口，P1口有16個I/O口，而且I/O口的編號不連續(xù)（如P0.28與P1.25相鄰），由于編程時對I/O口采用位操作，所以具體連接時，可根據(jù)硬件電路板布線需求進(jìn)行連接。為提高顯示刷新速度，需檢測LCM內(nèi)部的忙標(biāo)志，每次向LCM寫數(shù)據(jù)前，先讀取LCM的狀態(tài)，當(dāng)狀態(tài)為非忙時才能寫入顯示數(shù)據(jù)，這樣，要注意動態(tài)設(shè)置與LCM數(shù)據(jù)線相連的LPC2132的I/O口方向，而且8個數(shù)據(jù)位要用IOSET和IOCLR逐一控制。

3） 液晶背光控制：由于液晶的背光電流需要100多毫安，電壓一般在5V左右，而LPC2132的I/O口驅(qū)動能力較弱，LPC2132能可靠控制背光LED的亮與滅，且對系統(tǒng)無干擾。

圖1液晶背光控制電路

2．2 液晶顯示的軟件設(shè)計

LPC2132可采用CodeWarrior進(jìn)行軟件開發(fā)，由于用C語言進(jìn)行編程，開發(fā)速度比較快。在編寫LCM程序時，先編寫硬件驅(qū)動程序，包括LCM初始化函數(shù)，寫LCM數(shù)據(jù)函數(shù)，寫LCM命令函數(shù)，讀LCM數(shù)據(jù)函數(shù)，讀LCM命令函數(shù)，在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上，編寫顯示16x16點陣漢字的函數(shù)，設(shè)置顯示位置函數(shù)等，鑒于篇幅限制，就不在此贅述，下面重點向讀者介紹如何顯示漢字的技巧和提高液晶顯示刷新速度。

在顯示漢字信息時，需要先用工具軟件提取待顯示漢字的點陣，并將這些點陣信息保存在程序中，如果單純采用C語言，則只能定義數(shù)組變量，然后在顯示時調(diào)用所定義的數(shù)組變量。但采用這種方法有以下缺點。1）采用數(shù)組變量定義字符點陣，將浪費寶貴的RAM資源。2）當(dāng)顯示內(nèi)容豐富，需定義的大量的點陣數(shù)據(jù)時，造成RAM容量不足。如果采用匯編語言文件與C語言文件混合編程，將字符點陣信息以程序代碼的形式保存，不占用RAM，則可克服上述問題。下面以顯示漢字“上海”（16x16點陣）為例，介紹具體方法：

1） 點陣信息的定義。

建立一個以s為擴(kuò)展名的匯編語言文件，文件內(nèi)容具體如下。

EXPORT shang16x16

EXPORT hai16x16

AREA TTTT，CODE，READONLY

ENTRY;

shang16x16

DCB 0，0，0，0，0，0，255，32

DCB 32，32，32，48，32，0，0，0

DCB 6，16，16，16，16，16，31，16

DCB 16，16，16，16，24，16，0，0

hai16x16

DCB 16，33，198，144，136，247，148，180

DCB 212，148，148，246，132，128，0，0

DCB 2，62，1，0，12，11，8，9

DCB 10，40，56，15，8，0，0，0

END

上面的文件中定義了“上海”的漢字點陣信息，將此文件添加到項目文件中，編譯后點陣信息以程序代碼的方式存儲在FLASH中。

2） 點陣信息的申明。

建立一個以h為擴(kuò)展名的頭文件，對匯編語言文件中定義的字符點陣信息進(jìn)行申明，以便項目中其他程序可使用定義的點陣信息，例如lattice.h，文件具體內(nèi)容如下：

extern unsigned char shang16x16［］;

extern unsigned char hai16x16［］;

3） 點陣信息的引用。

將此頭文件插入到其他文件中。例如：假設(shè)函數(shù)void WR_LCM16x16（unsigned char x_row，unsigned char y_col，unsigned char *p_matrix）的功能是在x_row行，y_col列位置開始顯示p_matrix所指向的字符點陣。則WR_LCM16x16（2，0，shang16x16）和WR_LCM16x16（2，16，hai16x16）就可顯示“上?！薄?/p>

液晶顯示刷新速度是液晶應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，筆者摸索如下的方法，可大大提高顯示刷新速度。

1）充分利用LCM的判忙標(biāo)志位，減小讀寫間隔。如192x64等液晶顯示模塊，其接口中含有判忙標(biāo)志位。如果只是簡單在兩次讀寫間隔插入一定的延遲，則會使等待時間加長，刷新變慢。

2）信息分類，減少重復(fù)刷新。可將整個屏幕分成空白區(qū)、顯示固定信息區(qū)、顯示動態(tài)信息區(qū)。如參數(shù)名稱、單位等可劃歸固定信息，而實時數(shù)據(jù)則歸為動態(tài)信息。只有在第一次進(jìn)入某個畫面時，刷新固定信息區(qū)，其余時刻，只刷新動態(tài)信息區(qū)。

3）建立數(shù)據(jù)更新標(biāo)記，進(jìn)一步減小動態(tài)信息刷新工作量。在內(nèi)存中為每個動態(tài)信息建立一顯示緩沖區(qū)，只有那些動態(tài)信息發(fā)生改變的項，才需要刷新。

綜合應(yīng)用上述方法，可大大提高顯示刷新速度。

3．系統(tǒng)參數(shù)掉電保存技術(shù)

由于LPC2132片內(nèi)沒有EEPROM，當(dāng)系統(tǒng)掉電后，所有參數(shù)都將丟失，如果所需要保存的參數(shù)比較多，就只有給系統(tǒng)擴(kuò)展類似2402等EEPROM芯片，但如果需保存的數(shù)據(jù)較少（比如小于10字節(jié)），則可考慮利用系統(tǒng)的實時時鐘寄存器資源，而不必擴(kuò)展EEPROM，以降低產(chǎn)品成本，下面進(jìn)行具體介紹。

LPC3123的實時時鐘有獨立的電源電路，專用電源管腳可與電池或3.3V的電壓相連，在產(chǎn)品設(shè)計中，一般用電池供電，以維持時鐘不間斷運行。LPC2132中有完整的時間寄存器。但在設(shè)計過程中，并非需要所有的寄存器，比如，年、月、日、時、分、秒、星期等報警寄存器中，就有些在設(shè)計時沒有被使用，只要在設(shè)置報警屏蔽寄存器時將不用的報警寄存器屏蔽，對應(yīng)報警寄存器的數(shù)據(jù)對報警就沒有影響，則可將這些寄存器用于保存數(shù)據(jù)，只要維持時鐘供電，這些數(shù)據(jù)就不會丟失。

LPC2132有2個高速I2C接口，當(dāng)需要存儲的數(shù)據(jù)量教大時，可在I2C接口上連接24xx系列EEPROM芯片，使用前，先對相關(guān)引腳進(jìn)行配置，使其具有I2C總線功能，另外，當(dāng)采用I2C中斷時，還要將對應(yīng)的中斷打開，使用比較方便。但在使用I2C時要注意，連續(xù)2次I2C總線讀或?qū)?，要有必要的時間間隔，即必須等前次總線結(jié)束時，才能重新啟動總線，否則會出錯。

4．其它應(yīng)用技術(shù)

在進(jìn)行硬件設(shè)計時要注意：LPC2132的I/O口的灌入電流大于驅(qū)動電流，在驅(qū)動LED時可考慮采用灌入電流（I/O口輸出低電平時LED亮）技術(shù)，如果采用此法依然不能滿足要求，則可用多個I/O口并聯(lián)或加驅(qū)動電路。

LPC2132內(nèi)部8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，但在使用時，要給I/O口加穩(wěn)壓二極管保護(hù)，防止輸入的模擬量超限而損壞芯片。

在進(jìn)行軟件設(shè)計時要注意：盡量使用位操作指令I(lǐng)OSET和IOCLR控制LPC2132的I/O口，而不要直接操作I/O口寄存器（如IO0PIN或IO1PIN），否則會出現(xiàn)不可預(yù)料的結(jié)果。

在調(diào)試時要注意：LPC2132支持JTAG調(diào)試，但因JTAG使用了系統(tǒng)的定時器T0，所以當(dāng)用戶用JTAG進(jìn)行軟件調(diào)試時，不能使用定時器T0，否則會出錯。

5．應(yīng)用實例

以LPC2132為核心，設(shè)計了生物安全控制柜的控制器，生物安全控制柜是醫(yī)療消毒儀器，醫(yī)療器械放進(jìn)安全控制柜，利用紫外線進(jìn)行殺菌消毒，當(dāng)消毒完畢，為防止柜內(nèi)沒有被紫外線照射殺死的病毒漂浮出來，要求當(dāng)柜門打開時，啟動送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)，送風(fēng)機(jī)從室外補(bǔ)充新風(fēng)，經(jīng)過濾器后送進(jìn)安全控制柜。排風(fēng)機(jī)將內(nèi)部有菌空氣經(jīng)過濾器過濾后排出到室外。并保證安全控制柜內(nèi)維持一定的負(fù)壓。

安全控制柜有兩種工作模式：操作模式和消毒模式。在操作模式下，允許進(jìn)行開門、關(guān)門動作，允許對照明燈和外接電源插座的控制，但禁止開啟紫外燈，而且只要門打開，就自動啟動送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)，只要門關(guān)閉，則送風(fēng)機(jī)和排風(fēng)機(jī)立即自動停止；在消毒模式下，只允許對紫外燈開關(guān)動作、照明燈和外接電源插座的控制，而禁止開門和啟動風(fēng)機(jī)動作。

系統(tǒng)要求實時顯示消毒進(jìn)度，送、排風(fēng)機(jī)的風(fēng)速，過濾器差壓數(shù)值，當(dāng)出現(xiàn)送風(fēng)風(fēng)速大于排風(fēng)風(fēng)速、消毒時前門開啟、過濾器實效等故障時，則進(jìn)行報警。另外，還需顯示當(dāng)前時鐘等。

系統(tǒng)還設(shè)有風(fēng)機(jī)、紫外燈、照明、插座、門開、門關(guān)、UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER按鍵，用來控制相應(yīng)的操作和參數(shù)設(shè)置等。圖2為生物安全控制柜的結(jié)構(gòu)框圖。

可以看出，整個系統(tǒng)僅需少量的外圍電路和驅(qū)動電路，性能價格比較高。具體實現(xiàn)方法：采用HONYWELL的24PC系列壓力傳感器測量控制內(nèi)部壓力，經(jīng)放大電路放大后送LPC2132的內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)檢測的壓力數(shù)據(jù)，計算風(fēng)機(jī)的風(fēng)速及內(nèi)部壓力狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的動作。顯示采用192x64圖形LCM，顯示信息量大。全中文界面，用戶操作十分方便。

圖2 生物安全控制柜結(jié)構(gòu)框圖

6. 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點為設(shè)計了LPC2132與液晶的硬件接口電路；提出了匯編語言與C語言混合編程方法；摸索出提高液晶顯示刷新速度的設(shè)計技術(shù)；介紹了LCP2132系統(tǒng)中的參數(shù)保存技術(shù)和其他應(yīng)用技術(shù)；并將這些技術(shù)成功地應(yīng)用到具體產(chǎn)品設(shè)計中。

責(zé)任編輯：gt