開關(guān)矩陣（SWM）和 AM824-Core的應(yīng)用

周立功教授新書《面向AMetal框架與接口的編程（上）》，對AMetal框架進行了詳細(xì)介紹，通過閱讀這本書，你可以學(xué)到高度復(fù)用的軟件設(shè)計原則和面向接口編程的開發(fā)思想，聚焦自己的“核心域”，改變自己的編程思維，實現(xiàn)企業(yè)和個人的共同進步。經(jīng)周立功教授授權(quán)，即日起，致遠電子公眾號將對該書內(nèi)容進行連載，愿共勉之。

第一章為AM824-Core 開發(fā)套件，本文為 1.3 開關(guān)矩陣（SWM）和1.4 AM824-Core。

1.3 開關(guān)矩陣（SWM）

>>> 1.3.1 SWM 簡介

如圖1.4 所示的開關(guān)矩陣（Switch Matrix）是NXP 公司新推出的在MCU 中集成的一個非常有特色的外設(shè)功能，通過開關(guān)矩陣可以將芯片內(nèi)部所有數(shù)字外設(shè)功能引腳分配到除電源、地之外的任意引腳，從而提高了設(shè)計的靈活性。

圖1.4 SWM 功能示意圖

由于開關(guān)矩陣的存在，因此可以將LPC824 的外設(shè)功能引腳信號分為固定功能信號和可分配數(shù)字信號，其對應(yīng)的外設(shè)功能如下：

• 固定功能信號

  GPIOx 、RESET、VDDCMP、ACMP_I1~ACMP_I4 、ADC_0~ADC_11、SWDIO、SWCLK、XTALIN、XTALOUT、CLKIN，以及標(biāo)準(zhǔn)I²C 開漏引腳I2C0_SDA 和I2C0_SCL，這些功能引腳都是固定在芯片外部某個管腳位置，不能通過 SWM 分配到其它外部管腳。

• 可分配數(shù)字信號

  USART0、USART1、USART2、SPI0、SPI1、CTIN、CTOUT、I2C1、I2C2、I2C3、ACMP_O、CLKOUT，這些信號可以通過 SWM 分配到除電源/地以外的任意外部管腳。

>>> 1.3.2 SWM 應(yīng)用

由于MCU 的部分?jǐn)?shù)字外設(shè)可以根據(jù)需要分配到芯片其它引腳，因此將大大簡化用戶的設(shè)計。即：

（1）系統(tǒng)硬件設(shè)計時，以外圍器件布局及PCB 布線為主導(dǎo)，不用考慮信號的管腳位置，幫助緩解PCB 走線擁擠，降低開發(fā)成本；

（2）更換系統(tǒng)外圍器件或主控制器時，避免更改硬件設(shè)計，降低維護成本；

（3）分配多個功能到同一個引腳實現(xiàn)特殊功能（謹(jǐn)慎使用）。

下面我們以實際應(yīng)用中幾個小案例來實際體驗一下SWM 的特點。

1. 解決硬件設(shè)計錯誤

用戶電路設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)一些意外的錯誤，比如串口主機和設(shè)備的TXD 引腳對應(yīng)連接（實際應(yīng)交叉連接），導(dǎo)致PCB 需要重新設(shè)計，增加產(chǎn)品的設(shè)計成本，如果主控制器支持SWM 功能，即便PCB 設(shè)計錯誤，也可以在不修改硬件的前提下保證功能正常。

圖1.5 解決硬件設(shè)計錯誤問題

如圖1.5（a）所示是MCU 驅(qū)動SPI Flash 的應(yīng)用電路，但是可以發(fā)現(xiàn)此電路設(shè)計錯誤，SPI Flash 的MOSI/MISO 引腳和MCU 對應(yīng)引腳應(yīng)該直接相連，而實際電路中采用交叉連接，因此該電路無法直接使用。如果圖1.5（a）中的MCU 是LPC824，則可以靈活的通過SWM來實現(xiàn)SPI 外設(shè)引腳功能信號的重新分配，不用重新設(shè)計硬件而解決問題，詳見圖1.5（b）。

2. 簡化外圍設(shè)計

系統(tǒng)應(yīng)用中不同電壓信號的通信問題是經(jīng)常遇到的，比較常見的是3.3V 系統(tǒng)和5V 系統(tǒng)兼容問題，例如3.3V 系統(tǒng)產(chǎn)品通過串口和5V 系統(tǒng)產(chǎn)品通信，就要求TXD 和RXD 引腳之間經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換才能可靠通信。

LPC824 的電源供電范圍是1.8 V~3.6 V，通常工作在3.3V 電源環(huán)境中，如果使用LPC824 為核心的產(chǎn)品需要支持5V 串口通信，則LPC824 的串口通信接口TXD 和RXD 均需要經(jīng)過處理才能與外部5V 系統(tǒng)相連接，這部分電路可以通過多個分立器件或者電平轉(zhuǎn)換芯片完成電平轉(zhuǎn)換，這樣既增加了設(shè)計復(fù)雜性又增加設(shè)計成本。但是LPC824 的第8、第9 引腳是標(biāo)準(zhǔn)開漏結(jié)構(gòu)的引腳（默認(rèn)I²C0 的I2C0_SDA 和I2C0_SCL 引腳分配在該引腳），實際應(yīng)用中可以通過SWM 將UART 的TXD 和RXD 分配到這兩個引腳位置上，通過外接上拉電阻到5V 電源直接實現(xiàn)5V 電平的兼容，可以很好地簡化外圍設(shè)計實現(xiàn)相應(yīng)功能，詳見圖1.6。

圖1.6 SWM 的靈活應(yīng)用

1.4 AM824-Core

AM824 開發(fā)套件包括AM824-Core 和MiniCK100 仿真器，如圖1.7 所示為AM824-Core的示意圖，MCU 為NXP 半導(dǎo)體的LPC824M201JHI33，包括2 個MiniPort 接口、1 個MicroPort接口和1 個2×10 擴展接口。這些接口不僅將MCU 的所有I/O 資源引出，還可以借助MiniPort 接口和icroPort 接口外擴多種模塊。片上資源包括2 個LED 發(fā)光二極管、1 個無源蜂鳴器、1 個加熱電阻、1個LM75B 測溫芯片、1 個熱敏電阻、1 個TL431 基準(zhǔn)源、1個多功能獨立按鍵和1 個復(fù)位按鍵，可以完成多種基礎(chǔ)實驗。

圖1.7 AM824-Core 開發(fā)板接口分布

AM824-Core 的出現(xiàn)簡化了用戶的硬件設(shè)計，使得學(xué)習(xí)LPC824 系列MCU 的難度大大降低，可以幫助初學(xué)者快速掌握基于32 位Cortex?-M0+內(nèi)核微控制器的應(yīng)用開發(fā)。

>>> 1.4.1 電源電路

1． 系統(tǒng)電源

AM824 通過5V 的USB 供電，需要將電壓轉(zhuǎn)為3.3V 給LPC824 使用。為了實現(xiàn)5V 到3.3V 的轉(zhuǎn)換，AM824 選用了美國EXAR 半導(dǎo)體公司的SPX1117M3-L-3.3V 電源管理器件。其輸入電壓為4.7V~10V，最大輸入電流可達800mA，且負(fù)載為800mA 時典型壓差為1.1V。

SOT223 封裝的SPX1117M3-L-3.3V 的典型應(yīng)用電路詳見圖1.8，芯片的輸入和輸出端分別接了兩個濾波電容，通過濾波電容保障電壓的穩(wěn)定減少毛刺干擾。

圖1.8 LDO 典型應(yīng)用電路圖

AM824-Core 留有一個標(biāo)準(zhǔn)的Micro-USB 接口，大家平時可以在手機、移動充電寶等設(shè)備上看到該接口。因為LPC824 不支持USB 通信功能，所以該接口主要用于供電，可通過手機充電器或者電腦等設(shè)備提供5V 電源。

Micro-USB 是一種USB2.0 標(biāo)準(zhǔn)接口，是Mini-USB 的下一個版本。其特點如下：

• Micro-USB 連接器比標(biāo)準(zhǔn)USB 和Mini-USB 連接器更小，節(jié)省空間；

• 具有高達10000 次的插拔壽命和強度；

• 盲插結(jié)構(gòu)設(shè)計；

• 兼容USB1.1 (低速：1.5Mb/s，全速:12Mb/s) 和USB 2.0(高速:480Mb/s)；

• 同時提供數(shù)據(jù)傳輸和充電。

2． 基準(zhǔn)源電路

AM824-Core 開發(fā)板板載的基準(zhǔn)源芯片是TL431，是一種常用的可控精密穩(wěn)壓源。其主要特點如下：

• 可編程輸出電壓：2.5V~36V；

• 電壓參考源誤差：典型+/-0.4%@25℃；

• 低動態(tài)輸出阻抗，典型為0.22Ω；

• 1.0mA 到100mA 的灌電流能力。

TL431 輸出2.5V 基準(zhǔn)電壓的電路詳見圖1.9，其中的R13 為限流電阻，可以保證輸入到TL431 的灌電流在1~100mA 以內(nèi)。

圖1.9 基準(zhǔn)源電路

>>> 1.4.2 最小系統(tǒng)

LPC824 微控制器的最小系統(tǒng)電路主要包括復(fù)位電路和時鐘電路兩部分，詳見圖1.10。由于LPC824 芯片內(nèi)部集成了一個IRC 時鐘，因此外部的時鐘電路可以省略。

圖1.10 最小系統(tǒng)電路

當(dāng)系統(tǒng)要求提供更精準(zhǔn)的時鐘信號時，則可以使用外部時鐘電路，推薦的時鐘電路采用12MHz 外部晶振與電容C9 和C11 一起構(gòu)成振蕩回路。

>>> 1.4.3 復(fù)位與調(diào)試電路

1． 復(fù)位電路

• 內(nèi)部復(fù)位電路

  如果要求不高，比如，直接驅(qū)動LED 數(shù)碼管和鍵盤掃描電路，則可以選用內(nèi)部復(fù)位電路?；蛘吒蓴_并不嚴(yán)重的場合，也可以選用內(nèi)部復(fù)位電路。

• RC 復(fù)位電路

  計算機系統(tǒng)都有邏輯電路，而在電源上電時，一些邏輯電路的狀態(tài)是不可預(yù)測的。所以若要使數(shù)字設(shè)備或計算機正常工作，在上電時必須要使系統(tǒng)中所有邏輯電路的輸出處于指定的高或低狀態(tài)，這就是復(fù)位電路的作用。復(fù)位電路能使設(shè)備在剛上電時，且電源電壓穩(wěn)定后，自動產(chǎn)生一個具有一定寬度的高或低電平的脈沖信號。

利用電容的充放電延時原理可產(chǎn)生上電時MCU 所需的復(fù)位脈沖信號，如圖1.11 所示為產(chǎn)生低電平復(fù)位信號的電路原理圖。在圖1.11 中，MCU 上電時，由于電容C 兩端的電壓VC 不能突變，因此VC 保持低電平。但隨著電容C 的充電，VC 不斷上升，上升曲線詳見圖1.11。只要選擇合適的R 和C，VC 就可以在MCU 復(fù)位電壓以下持續(xù)足夠的時間使MCU 復(fù)位。復(fù)位之后，VC 上升至電源電壓，MCU開始正常工作。相當(dāng)于在MCU 上電時，自動產(chǎn)生了一個一定寬度的低電平脈沖信號，使MCU 復(fù)位。

圖1.11 RC 復(fù)位電路圖

如圖1.12 所示為AM824-Core 的RC 復(fù)位電路，其中，D2 的作用是在電源電壓消失時為電容C1 提供一個迅速放電的回路，使復(fù)位端的電壓迅速回零，以便下次上電時能可靠地復(fù)位。短接J8 之后，也可以通過復(fù)位按鍵實現(xiàn)人工復(fù)位。

圖1.12 復(fù)位電路

2． 調(diào)試電路

AM824-Core 將SWD 調(diào)試接口引出。相對于JTAG 調(diào)試模式來說，SWD 調(diào)試模式速度更快且使用的I/O 口更少，因此AM824-Core 開發(fā)板引出SWD 調(diào)試接口，其參考電路詳見圖1.13，具體引腳功能介紹詳見表1.5。

圖1.13 調(diào)試電路

表1.5 調(diào)試管腳說明

>>> 1.4.4 板載外設(shè)電路

1． LED 電路

AM824-Core 開發(fā)板板載了兩路LED 發(fā)光二極管，可以完成簡單的顯示任務(wù)，電路詳見圖1.14，引腳標(biāo)號GPIO_LED0、GPIO_LED1 對應(yīng)PIO0_8、PIO0_9，LED 為低電平有效（低電平有效）。LED 電路的控制引腳與微控制器的I/O 引腳通過J9 和J10 相連。電路中的R3 和R4 為LED 的限流電阻，選擇1.5kΩ這個值可以避免LED 點亮?xí)r過亮。

圖1.14 板載LED 電路

2． 蜂鳴器電路

為了便于調(diào)試，AM824-Core 設(shè)計了蜂鳴器驅(qū)動電路，詳見圖1.15，引腳標(biāo)號PIO_BEEP對應(yīng)PIO0_2。AM824-Core 開發(fā)板使用的是無源蜂鳴器，D1 起保護三極管的作用，當(dāng)突然截止時無源蜂鳴器兩端產(chǎn)生瞬感應(yīng)電動勢可以通過D1 迅速釋放掉，避免疊加到三極管集電極上從而擊穿。若使用有源蜂鳴器則D1 不用焊接。當(dāng)不使用蜂鳴器的時候也可以用J7 斷開蜂鳴器電路與I/O 口的連接。

圖1.15 板載蜂鳴器電路

3． 加熱電阻與按鍵電路

AM824-Core 開發(fā)板創(chuàng)新性的設(shè)計了一套測溫實驗電路。包含加熱電路和數(shù)字/模擬測溫電路。其中加熱電路采用了一個阻值為20~50Ω的功率電阻（2W），通過按鍵來控制，詳見圖1.16，引腳標(biāo)號GPIO_KEY 對應(yīng)PIO0_1。電阻越小通過其電流越大，產(chǎn)生的熱量越大，因此R32若焊接小電阻時，不宜加熱時間過長。按鍵的功能需要用J14 上的跳線帽來選擇為加熱按鍵。當(dāng)按鍵按下時電路導(dǎo)通，電阻上產(chǎn)生的熱量會導(dǎo)致電阻周圍的溫度上升，這時可以通過測溫電路觀察溫度上升情況。

圖1.16 加熱電路

4． 數(shù)字測溫電路

AM824-Core 選擇LM75B 作為數(shù)字測溫電路的主芯片，LM75B 與LM75A 完全兼容，只是靜態(tài)功耗會稍低一些，電路詳見圖1.17，引腳標(biāo)號PIO_SDA、IO_SCL 對應(yīng)PIO0_11、PIO0_10。LM75B 是一款內(nèi)置帶隙溫度傳感器和Σ－Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的溫度數(shù)字轉(zhuǎn)換器，它也是溫度檢測器，并且可提供過熱輸出功能。

圖1.17 LM75B 電路

LM75B 的主要特性如下：

• 溫度精度可達0.125℃的精度；

• 較寬電源電壓范圍：2.8V~5.5V；

• 環(huán)境溫度范圍：Tamb=-55℃~+125℃；

• 較低的功耗，關(guān)斷模式下消耗的電流僅為1μA；

• I²C 總線接口，同一總線上可連接多達8 個器件。

在電路設(shè)計上，R5 和R6 是I²C 總線的上拉電阻。由于板載只有一片LM75B，不用考慮芯片的地址問題，因此芯片的A0~A2 引腳可以直接接地。OS 為芯片的過熱輸出，可以外接繼電器等器件實現(xiàn)一個獨立溫控器的功能，這里由于溫控是通過單片機控制的，因此這個引腳可以不使用。

5． 模擬測溫電路

模擬測溫電路是利用熱敏元件的電特定隨溫度變化的特點進行測量，AM824-Core 開發(fā)套件選擇了熱敏電阻作為測溫元件，熱敏電阻選用的是MF52E-103F3435FB-A，當(dāng)測溫范圍在0~85℃，電阻變化范圍為27.6~1.45KΩ。測溫電路詳見圖1.18，引腳標(biāo)號PIO_ADC 對應(yīng)PIO_14，其采用的是簡單的電阻分壓電路，其中C8 是為了電路輸出更加穩(wěn)定。單片機通過ADC 采集分壓電阻上的電壓值，當(dāng)溫度變化時，熱敏電阻的阻值發(fā)生變化，單片機采集到的ADC值也會發(fā)生變化。通過計算得到熱敏電阻的阻值，再對比熱敏電阻阻值與溫度的對照表，就可以得到當(dāng)前的溫度值。

圖1.18 熱敏電阻電路

>>> 1.4.5 跳線帽使用

板載外設(shè)接口設(shè)計在MCU 引腳和板載外設(shè)電路之間，可以通過跳線帽進行短接，詳見圖1.19。這樣設(shè)計是為了外設(shè)電路在不使用的時候可以斷開與MCU 引腳的連接，而不會影響到這些引腳當(dāng)作其它功能使用，詳見表1.6。

圖1.19 板載外設(shè)接口引腳圖

表1.6 板載外設(shè)接口管腳說明

>>> 1.4.6 MiniPort 接口

MiniPort（2×10）接口是一個通用板載標(biāo)準(zhǔn)硬件接口，通過該接口可以與配套的標(biāo)準(zhǔn)模塊相連，便于進一步簡化硬件設(shè)計和擴展。其特點如下：

• 采用標(biāo)準(zhǔn)的接口定義，采用2×10 間距2.54mm 的90°彎針；

• 可同時連接多個擴展接口模塊；

• 具有16 個通用I/O 端口；

• 支持1 路SPI 接口；

• 支持1 路I²C 接口；

• 支持1 路UART 接口；

• 支持一路3.3V 和一路5V 電源接口。

標(biāo)準(zhǔn)MiniPort（2×10）接口功能說明詳見圖1.20，MiniPort（2×10）接口使用的連接器為2.54mm 間距的2×10 排針/排母（90°），其封裝樣式詳見圖1.21。主控制器底板選用90°排針，功能模塊選用90°排母與主機相連，同時采用90°排針將所有引腳引出，實現(xiàn)模塊的橫向堆疊。

圖1.20 MiniPort（2×10）接口功能說明

圖1.21 MiniPort（2×10）接口連接器

MiniPort 的90°排針與90°排母之間連接關(guān)系，A1 - B20、A2 - B19……A19 – B2、A20 - B1（A 代表排針，B 代表排母）。MiniPort（2×10）目前支持的模塊為MiniPort-Key、MiniPort-LED、MiniPort-View 和MiniPort-595，這些模塊不僅可以直接插入MiniPort，而且還可以通過杜邦線與其它各種開發(fā)板相連。

AM824-Core 開發(fā)板搭載了2 路MiniPort，接口標(biāo)號為J3 和J4。J3 與J4 接口引腳完全相同，用戶可根據(jù)習(xí)慣選擇使用，其具體的引腳分配詳見表1.7。

表1.7 MiniPort 引腳分配

>>> 1.4.7 2×10 擴展接口說明

LPC824M201JHI33 有33 個引腳，I/O 管腳29 個。由于MiniPort 僅定義了16 個I/O，因此還有部分I/O 未引出。

為了便于擴充外圍接口，因此需要將剩余的引腳全部引出，基于此，還為M824-Core 設(shè)計了一個2×10 擴展接口，不僅將MiniPort 未使用的I/O 引出，還包含了一組電源接口和一個參考源引腳（VREF），詳見圖1.22。

圖1.22 2×10 擴展接口引腳圖

>>> 1.4.8 MicroPort 接口

為了便于擴展開發(fā)板功能，ZLG 制定了MicroPort 接口標(biāo)準(zhǔn)，MicroPort 是一種專門用于擴展功能模塊的硬件接口，其有效地解決了器件與MCU 之間的連接和擴展。其主要特點如下：

• 具有標(biāo)準(zhǔn)的接口定義；

• 接口包括豐富的外設(shè)資源，支持UART、I2C、SPI、PWM、ADC 和DAC 功能；

• 配套功能模塊將會越來越豐富；

• 支持上下堆疊擴展。

MicroPort 分為標(biāo)準(zhǔn)接口和擴展接口，擴展接口可實現(xiàn)更豐富的外設(shè)應(yīng)用，不同的應(yīng)用環(huán)境下可以選擇不同的接口類型。MicroPort 接口使用的連接器為2.54 間距的1×9 圓孔排針，高度為7.5mm，實現(xiàn)上下堆疊連接。MicroPort分為標(biāo)準(zhǔn)接口和擴展接口。MicroPort 標(biāo)準(zhǔn)接口采用U 型設(shè)計，三邊各9 個引腳，共27 個引腳，其引腳功能定義詳見圖1.23。MicroPort 標(biāo)準(zhǔn)接口包含22 個I/O 引腳，最多可實現(xiàn)1 路UART、1 路I²C、1 路SPI、2 路ADC、1 路DAC 和4 路PWM 功能，也可以全部當(dāng)做普通I/O 使用。MicroPort 標(biāo)準(zhǔn)接口還包含3.3V、5V 電壓引腳和VREF（參考基準(zhǔn)源）引腳，以及MCU 的復(fù)位引腳。

圖1.23 MicroPort 標(biāo)準(zhǔn)接口引腳定義

MicroPort 擴展接口是在MicroPort 標(biāo)準(zhǔn)接口的基礎(chǔ)上，在U 型底部增加一排1×9 的引腳，這9 個引腳可以引出SDIO 和USB 擴展接口，也可以當(dāng)做普通的I/O 使用。對于部分MCU 來說，由于其引腳資源較為豐富，因此可以借助MicroPort 擴展接口支持更多的模塊實現(xiàn)更多的擴展功能，MicroPort 擴展接口增加的引腳定義詳見圖1.24。MicroPort 擴展接口的SDIO 接口為四線式，USB 接口可以支持OTG 模式。

圖1.24 MicroPort 擴展接口增加的引腳定義

AM824-Core 板載1 路帶擴展的MicroPort接口，用戶可以依據(jù)需求，選擇或開發(fā)功能多樣的MicroPort 模塊，快速靈活地搭建原型機。由于LPC824 片上資源有限，還有極少部分MicroPort 接口定義的引腳功能不支持，其相應(yīng)的引腳可以當(dāng)做普通I/O 使用，AM824-Core 的MicroPort 接口引腳分配詳見表1.8。

表1.8 AM824-Core MicroPort 引腳分配表

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