开关矩阵(SWM)和 AM824-Core的使用-电子发烧友网

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周建功教授新书《面向AMetal结构与接口的编程(上)》,对AMetal结构进行了详细介绍,经过阅览这本书,你能够学到高度复用的软件规划准则和面向接口编程的开发思想,聚集自己的 中心域 ,改动自己的编程思想,完结企业和个人的共同进步。经周建功教授授权,即日起,致远电子大众号将对该书内容进行连载,愿共勉之。

第一章为AM824-Core 开发套件,本文为 1.3 开关矩阵(SWM)和1.4 AM824-Core。

1.3 开关矩阵(SWM)

>>> 1.3.1 SWM 简介

如图1.4 所示的开关矩阵(Switch Matrix)是NXP 公司新推出的在MCU 中集成的一个十分有特征的外设功用,经过开关矩阵能够将芯片内部一切数字外设功用引脚分配到除电源、地之外的恣意引脚,然后提高了规划的灵敏性。

图1.4 SWM 功用示意图

因为开关矩阵的存在,因而能够将LPC824 的外设功用引脚信号分为固定功用信号和可分配数字信号,其对应的外设功用如下:

固定功用信号

GPIOx 、RESET、VDDCMP、ACMP_I1~ACMP_I4 、ADC_0~ADC_11、SWDIO、SWCLK、XTALIN、XTALOUT、CLKIN,以及规范I2C 开漏引脚I2C0_SDA 和I2C0_SCL,这些功用引脚都是固定在芯片外部某个管脚方位,不能经过 SWM 分配到其它外部管脚。

可分配数字信号

USART0、USART1、USART2、SPI0、SPI1、CTIN、CTOUT、I2C1、I2C2、I2C3、ACMP_O、CLKOUT,这些信号能够经过 SWM 分配到除电源/地以外的恣意外部管脚。

>>> 1.3.2 SWM 运用

因为MCU 的部分数字外设能够根据需求分配到芯片其它引脚,因而将大大简化用户的规划。即:

(1)体系硬件规划时,以外围器材布局及PCB 布线为主导,不必考虑信号的管脚方位,协助缓解PCB 走线拥堵,下降开发本钱;

(2)替换体系外围器材或主操控器时,防止更改硬件规划,下降维护本钱;

(3)分配多个功用到同一个引脚完结特别功用(慎重运用)。

下面我们以实践运用中几个小事例来实践体会一下SWM 的特色。

1. 处理硬件规划过错

用户电路规划过程中,常常会呈现一些意外的过错,比方串口主机和设备的TXD 引脚对应衔接(实践应穿插衔接),导致PCB 需求从头规划,添加产品的规划本钱,如果主操控器支撑SWM 功用,即使PCB 规划过错,也能够在不修正硬件的前提下确保功用正常。

图1.5 处理硬件规划过错问题

如图1.5(a)所示是MCU 驱动SPI Flash 的运用电路,可是能够发现此电路规划过错,SPI Flash 的MOSI/MISO 引脚和MCU 对应引脚应该直接相连,而实践电路中选用穿插衔接,因而该电路无法直接运用。如果图1.5(a)中的MCU 是LPC824,则能够灵敏的经过SWM来完结SPI 外设引脚功用信号的从头分配,不必从头规划硬件而处理问题,详见图1.5(b)。

2. 简化外围规划

体系运用中不同电压信号的通讯问题是常常遇到的,比较常见的是3.3V 体系和5V 体系兼容问题,例如3.3V 体系产品经过串口和5V 体系产品通讯,就要求TXD 和RXD 引脚之间经过电平变换才干牢靠通讯。

LPC824 的电源供电规模是1.8 V~3.6 V,一般作业在3.3V 电源环境中,如果运用LPC824 为中心的产品需求支撑5V 串口通讯,则LPC824 的串口通讯接口TXD 和RXD 均需求经过处理才干与外部5V 体系相衔接,这部分电路能够经过多个分立器材或许电平变换芯片完结电平变换,这样既添加了规划复杂性又添加规划本钱。可是LPC824 的第8、第9 引脚是规范开漏结构的引脚(默许I2C0 的I2C0_SDA 和I2C0_SCL 引脚分配在该引脚),实践运用中能够经过SWM 将UART 的TXD 和RXD 分配到这两个引脚方位上,经过外接上拉电阻到5V 电源直接完结5V 电平的兼容,能够很好地简化外围规划完结相应功用,详见图1.6。

图1.6 SWM 的灵敏运用

1.4 AM824-Core

AM824 开发套件包括AM824-Core 和MiniCK100 仿真器,如图1.7 所示为AM824-Core的示意图,MCU 为NXP 半导体的LPC824M201JHI33,包括2 个MiniPort 接口、1 个MicroPort接口和1 个2 10 扩展接口。这些接口不只将MCU 的一切I/O 资源引出,还能够凭借MiniPort 接口和icroPort 接口外扩多种模块。片上资源包括2 个LED 发光二极管、1 个无源蜂鸣器、1 个加热电阻、1个LM75B 测温芯片、1 个热敏电阻、1 个TL431 基准源、1个多功用独立按键和1 个复位按键,能够完结多种根底试验。

图1.7 AM824-Core 开发板接口散布

AM824-Core 的呈现简化了用户的硬件规划,使得学习LPC824 系列MCU 的难度大大下降,能够协助初学者快速把握根据32 位Cortex -M0+内核微操控器的运用开发。

>>> 1.4.1 电源电路

1. 体系电源

AM824 经过5V 的USB 供电,需求将电压转为3.3V 给LPC824 运用。为了完结5V 到3.3V 的变换,AM824 选用了美国EXAR 半导体公司的SPX1117M3-L-3.3V 电源办理器材。其输入电压为4.7V~10V,最大输入电流可达800mA,且负载为800mA 时典型压差为1.1V。

SOT223 封装的SPX1117M3-L-3.3V 的典型运用电路详见图1.8,芯片的输入和输出端别离接了两个滤波电容,经过滤波电容确保电压的安稳削减毛刺搅扰。

图1.8 LDO 典型运用电路图

AM824-Core 留有一个规范的Micro-USB 接口,我们平常能够在手机、移动充电宝等设备上看到该接口。因为LPC824 不支撑USB 通讯功用,所以该接口首要用于供电,可经过手机充电器或许电脑等设备供给5V 电源。

Micro-USB 是一种USB2.0 规范接口,是Mini-USB 的下一个版别。其特色如下:

Micro-USB 衔接器比规范USB 和Mini-USB 衔接器更小,节约空间;

具有高达10000 次的插拔寿数和强度;

盲插结构规划;

兼容USB1.1 和USB 2.0;

一同供给数据传输和充电。

2. 基准源电路

AM824-Core 开发板板载的基准源芯片是TL431,是一种常用的可控精细稳压源。其首要特色如下:

可编程输出电压:2.5V~36V;

电压参阅源差错:典型+/-0.4%@25℃;

低动态输出阻抗,典型为0.22 ;

1.0mA 到100mA 的灌电流才能。

TL431 输出2.5V 基准电压的电路详见图1.9,其间的R13 为限流电阻,能够确保输入到TL431 的灌电流在1~100mA 以内。

图1.9 基准源电路

>>> 1.4.2 最小体系

LPC824 微操控器的最小体系电路首要包括复位电路和时钟电路两部分,详见图1.10。因为LPC824 芯片内部集成了一个IRC 时钟,因而外部的时钟电路能够省掉。

图1.10 最小体系电路

当体系要求供给更精准的时钟信号时,则能够运用外部时钟电路,引荐的时钟电路选用12MHz 外部晶振与电容C9 和C11 一同构成振动回路。

>>> 1.4.3 复位与调试电路

1. 复位电路

内部复位电路

如果要求不高,比方,直接驱动LED 数码管和键盘扫描电路,则能够选用内部复位电路。或许搅扰并不严峻的场合,也能够选用内部复位电路。

RC 复位电路

核算机体系都有逻辑电路,而在电源上电时,一些逻辑电路的状况是不行猜测的。所以若要使数字设备或核算机正常作业,在上电时有必要要使体系中一切逻辑电路的输出处于指定的高或低状况,这就是复位电路的效果。复位电路能使设备在刚上电时,且电源电压安稳后,主动发生一个具有必定宽度的高或低电平的脉冲信号。

运用电容的充放电延时原理可发生上电时MCU 所需的复位脉冲信号,如图1.11 所示为发生低电平复位信号的电路原理图。在图1.11 中,MCU 上电时,因为电容C 两头的电压VC 不能骤变,因而VC 坚持低电平。但随着电容C 的充电,VC 不断上升,上升曲线详见图1.11。只需挑选适宜的R 和C,VC 就能够在MCU 复位电压以下继续满足的时刻使MCU 复位。复位之后,VC 上升至电源电压,MCU开端正常作业。相当于在MCU 上电时,主动发生了一个必定宽度的低电平脉冲信号,使MCU 复位。

图1.11 RC 复位电路图

如图1.12 所示为AM824-Core 的RC 复位电路,其间,D2 的效果是在电源电压消失时为电容C1 供给一个敏捷放电的回路,使复位端的电压敏捷回零,以便下次上电时能牢靠地复位。短接J8 之后,也能够经过复位按键完结人工复位。

图1.12 复位电路

2. 调试电路

AM824-Core 将SWD 调试接口引出。相关于JTAG 调试形式来说,SWD 调试形式速度更快且运用的I/O 口更少,因而AM824-Core 开发板引出SWD 调试接口,其参阅电路详见图1.13,详细引脚功用介绍详见表1.5。

图1.13 调试电路

表1.5 调试管脚阐明

>>> 1.4.4 板载外设电路

1. LED 电路

AM824-Core 开发板板载了两路LED 发光二极管,能够完结简略的显现使命,电路详见图1.14,引脚标号GPIO_LED0、GPIO_LED1 对应PIO0_8、PIO0_9,LED 为低电平有用(低电平有用)。LED 电路的操控引脚与微操控器的I/O 引脚经过J9 和J10 相连。电路中的R3 和R4 为LED 的限流电阻,挑选1.5k 这个值能够防止LED 点亮时过亮。

图1.14 板载LED 电路

2. 蜂鸣器电路

为了便于调试,AM824-Core 规划了蜂鸣器驱动电路,详见图1.15,引脚标号PIO_BEEP对应PIO0_2。AM824-Core 开发板运用的是无源蜂鸣器,D1 起维护三极管的效果,当俄然截止时无源蜂鸣器两头发生瞬感应电动势能够经过D1 敏捷释放掉,防止叠加到三极管集电极上然后击穿。若运用有源蜂鸣器则D1 不必焊接。当不运用蜂鸣器的时分也能够用J7 断开蜂鸣器电路与I/O 口的衔接。

图1.15 板载蜂鸣器电路

3. 加热电阻与按键电路

AM824-Core 开发板立异性的规划了一套测温试验电路。包括加热电路和数字/模仿测温电路。其间加热电路选用了一个阻值为20~50 的功率电阻(2W),经过按键来操控,详见图1.16,引脚标号GPIO_KEY 对应PIO0_1。电阻越小经过其电流越大,发生的热量越大,因而R32若焊接小电阻时,不宜加热时刻过长。按键的功用需求用J14 上的跳线帽来挑选为加热按键。当按键按下时电路导通,电阻上发生的热量会导致电阻周围的温度上升,这时能够经过测温电路调查温度上升状况。

图1.16 加热电路

4. 数字测温电路

AM824-Core 挑选LM75B 作为数字测温电路的主芯片,LM75B 与LM75A 彻底兼容,仅仅静态功耗会稍低一些,电路详见图1.17,引脚标号PIO_SDA、IO_SCL 对应PIO0_11、PIO0_10。LM75B 是一款内置带隙温度传感器和 - 模数变换功用的温度数字变换器,它也是温度检测器,并且可供给过热输出功用。

图1.17 LM75B 电路

LM75B 的首要特性如下:

温度精度可达0.125℃的精度;

较宽电源电压规模:2.8V~5.5V;

环境温度规模:Tamb=-55℃~+125℃;

较低的功耗,关断形式下耗费的电流仅为1 A;

I2C 总线接口,同一总线上可衔接多达8 个器材。

在电路规划上,R5 和R6 是I2C 总线的上拉电阻。因为板载只要一片LM75B,不必考虑芯片的地址问题,因而芯片的A0~A2 引脚能够直接接地。OS 为芯片的过热输出,能够外接继电器等器材完结一个独立温控器的功用,这儿因为温控是经过单片机操控的,因而这个引脚能够不运用。

5. 模仿测温电路

模仿测温电路是运用热敏元件的电特定随温度改变的特色进行丈量,AM824-Core 开发套件挑选了热敏电阻作为测温元件,热敏电阻选用的是MF52E-103F3435FB-A,当测温规模在0~85℃,电阻改变规模为27.6~1.45K 。测温电路详见图1.18,引脚标号PIO_ADC 对应PIO_14,其选用的是简略的电阻分压电路,其间C8 是为了电路输出愈加安稳。单片机经过ADC 收集分压电阻上的电压值,当温度改变时,热敏电阻的阻值发生改变,单片机收集到的ADC值也会发生改变。经过核算得到热敏电阻的阻值,再比照热敏电阻阻值与温度的对照表,就能够得到当时的温度值。

图1.18 热敏电阻电路

>>> 1.4.5 跳线帽运用

板载外设接口规划在MCU 引脚和板载外设电路之间,能够经过跳线帽进行短接,详见图1.19。这样规划是为了外设电路在不运用的时分能够断开与MCU 引脚的衔接,而不会影响到这些引脚当作其它功用运用,详见表1.6。

图1.19 板载外设接口引脚图

表1.6 板载外设接口管脚阐明

>>> 1.4.6 MiniPort 接口

MiniPort(2 10)接口是一个通用板载规范硬件接口,经过该接口能够与配套的规范模块相连,便于进一步简化硬件规划和扩展。其特色如下:

选用规范的接口界说,选用2 10 距离2.54mm 的90 弯针;

可一同衔接多个扩展接口模块;

具有16 个通用I/O 端口;

支撑1 路SPI 接口;

支撑1 路I2C 接口;

支撑1 路UART 接口;

支撑一路3.3V 和一路5V 电源接口。

规范MiniPort(2 10)接口功用阐明详见图1.20,MiniPort(2 10)接口运用的衔接器为2.54mm 距离的2 10 排针/排母(90 ),其封装款式详见图1.21。主操控器底板选用90 排针,功用模块选用90 排母与主机相连,一同选用90 排针将一切引脚引出,完结模块的横向堆叠。

图1.20 MiniPort(2 10)接口功用阐明

图1.21 MiniPort(2 10)接口衔接器

MiniPort 的90 排针与90 排母之间衔接联系,A1 - B20、A2 - B19 A19 B2、A20 - B1(A 代表排针,B 代表排母)。MiniPort(2 10)现在支撑的模块为MiniPort-Key、MiniPort-LED、MiniPort-View 和MiniPort-595,这些模块不只能够直接插入MiniPort,并且还能够经过杜邦线与其它各种开发板相连。

AM824-Core 开发板搭载了2 路MiniPort,接口标号为J3 和J4。J3 与J4 接口引脚彻底相同,用户可根据习气挑选运用,其详细的引脚分配详见表1.7。

表1.7 MiniPort 引脚分配

>>> 1.4.7 2 10 扩展接口阐明

LPC824M201JHI33 有33 个引脚,I/O 管脚29 个。因为MiniPort 仅界说了16 个I/O,因而还有部分I/O 未引出。

为了便于扩大外围接口,因而需求将剩下的引脚悉数引出,根据此,还为M824-Core 规划了一个2 10 扩展接口,不只将MiniPort 未运用的I/O 引出,还包括了一组电源接口和一个参阅源引脚(VREF),详见图1.22。

图1.22 2 10 扩展接口引脚图

>>> 1.4.8 MicroPort 接口

为了便于扩展开发板功用,ZLG 拟定了MicroPort 接口规范,MicroPort 是一种专门用于扩展功用模块的硬件接口,其有用地处理了器材与MCU 之间的衔接和扩展。其首要特色如下:

具有规范的接口界说;

接口包括丰厚的外设资源,支撑UART、I2C、SPI、PWM、ADC 和DAC 功用;

配套功用模块将会越来越丰厚;

支撑上下堆叠扩展。

MicroPort 分为规范接口和扩展接口,扩展接口可完结更丰厚的外设运用,不同的运用环境下能够挑选不同的接口类型。MicroPort 接口运用的衔接器为2.54 距离的1 9 圆孔排针,高度为7.5mm,完结上下堆叠衔接。MicroPort分为规范接口和扩展接口。MicroPort 规范接口选用U 型规划,三边各9 个引脚,共27 个引脚,其引脚功用界说详见图1.23。MicroPort 规范接口包括22 个I/O 引脚,最多可完结1 路UART、1 路I2C、1 路SPI、2 路ADC、1 路DAC 和4 路PWM 功用,也能够悉数作为一般I/O 运用。MicroPort 规范接口还包括3.3V、5V 电压引脚和VREF(参阅基准源)引脚,以及MCU 的复位引脚。

图1.23 MicroPort 规范接口引脚界说

MicroPort 扩展接口是在MicroPort 规范接口的根底上,在U 型底部添加一排1 9 的引脚,这9 个引脚能够引出SDIO 和USB 扩展接口,也能够作为一般的I/O 运用。关于部分MCU 来说,因为其引脚资源较为丰厚,因而能够凭借MicroPort 扩展接口支撑更多的模块完结更多的扩展功用,MicroPort 扩展接口添加的引脚界说详见图1.24。MicroPort 扩展接口的SDIO 接口为四线式,USB 接口能够支撑OTG 形式。

图1.24 MicroPort 扩展接口添加的引脚界说

AM824-Core 板载1 路带扩展的MicroPort接口,用户能够根据需求,挑选或开发功用多样的MicroPort 模块,快速灵敏地建立原型机。因为LPC824 片上资源有限,还有很少部分MicroPort 接口界说的引脚功用不支撑,其相应的引脚能够作为一般I/O 运用,AM824-Core 的MicroPort 接口引脚分配详见表1.8。

表1.8 AM824-Core MicroPort 引脚分配表

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