一種基于STM32的矩陣開(kāi)關(guān)控制電路設(shè)計(jì)

關(guān)明江 嚴(yán)厚偉

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所 江蘇省揚(yáng)州市 225001）

通常來(lái)講，矩陣開(kāi)關(guān)就是以矩陣形式排列的開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)開(kāi)關(guān)控制靈活實(shí)現(xiàn)信號(hào)之間的互聯(lián)。開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)是矩陣開(kāi)關(guān)的重要組成部分，擔(dān)負(fù)著控制信號(hào)流向的任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[1]。在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中，矩陣開(kāi)關(guān)主要用來(lái)做信號(hào)切換，靈活分配系統(tǒng)的測(cè)試資源。自動(dòng)測(cè)試設(shè)備中的信號(hào)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)通常由兩個(gè)或多個(gè)矩陣開(kāi)關(guān)組成，按照各種接口標(biāo)準(zhǔn)相互連接。在大型電子裝備中也常用到了開(kāi)關(guān)矩陣。

本文基于STM32F103 為控制核心設(shè)計(jì)了一種控制電路，主要通過(guò)與高性能的以太網(wǎng) 控制芯片W5100 組合來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)的控制，同時(shí)把需要保存的參數(shù)存儲(chǔ)在AT24C32 的E2PROM 中，并且進(jìn)行了STM32F103 的軟件編寫(xiě)，在某開(kāi)關(guān)矩陣電路進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用。

1 硬件設(shè)計(jì)

該控制電路的設(shè)計(jì)，主要功能包含：一組25 個(gè)TTL 電平的輸出接口，作為矩陣開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)；網(wǎng)絡(luò)接口，通過(guò)UDP 協(xié)議與計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)的控制；記錄當(dāng)前矩陣開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，作為斷電開(kāi)機(jī)后的矩陣狀態(tài)與斷電前一致；剩余接口可預(yù)留液晶顯示屏接口或者其余控制接口，為以后擴(kuò)展使用。

STM32 作為意法半導(dǎo)體推出的一種高性能的ARM 芯片，具有以下特點(diǎn)[2]：STM32F103 采用ARM 公司的高性能32 位Cortex-M3內(nèi)核，消耗功率低，具有睡眠，停止和待機(jī)三種省功率模式，最高工作頻率72MНz，可實(shí)現(xiàn)單周期乘法和硬件除法，片上集成最大512KB 的Flash 存儲(chǔ)器，最大64KB 的SRAM 存儲(chǔ)器，采用2.0-3.6V的電源供電，兼容5V 的I/O 管腳，最高可達(dá)80 個(gè)IO 口，STM32集成有上電復(fù)位、掉電復(fù)位和可編程的電壓探測(cè)器，使用4-16MНz的晶振，內(nèi)嵌8MНz 和40 kНz 兩個(gè)RC 振蕩電路，供CPU 時(shí)鐘使用的PLL，用于校準(zhǔn)RTC 的32kНz 的晶振。

STM32F103 具有最多可達(dá)80 個(gè)IO 口，足以滿足該矩陣開(kāi)關(guān)的控制設(shè)計(jì)需要。

網(wǎng)絡(luò)通信核心控制器為W5100，W5100 是一款多功能的單片網(wǎng)絡(luò)接口芯片，它內(nèi)部集成了全硬件的TCP/IP 協(xié)議棧，W5100 提供3 種接口訪問(wèn)方式：直接并行總線、間接并行總線和SPI 總線。W5100 與MCU 接口非常簡(jiǎn)單，就像訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器一樣，我們無(wú)需深入了解TCP/IP 協(xié)議，也無(wú)需考慮以太網(wǎng)的控制，只需訪問(wèn)網(wǎng)絡(luò)控制器的寄存器，并靈活創(chuàng)建和選擇TCP 及UDP 套接字(Socket)函數(shù)就可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信[3]，且不需要操作系統(tǒng)的支持，其具有硬件電路簡(jiǎn)單、編程方便等特點(diǎn)，解決了一般嵌入式設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)編程工作量大等問(wèn)題。

基于STM32 的矩陣開(kāi)關(guān)控制電路系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

該電路主要包括：STM32F103 作為主控制器，是該控制電路的核心。主要功能包含通過(guò)SPI 口與網(wǎng)絡(luò)接口芯片W5100 連接，完成計(jì)算機(jī)顯控界面與該控制電路的通信；通過(guò)IO 口連接電平驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)矩陣開(kāi)關(guān)中的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制；通過(guò)I2C 總線對(duì)E2PROM進(jìn)行讀寫(xiě)，E2PROM 主要記錄保存最終的開(kāi)關(guān)狀態(tài)作為下次開(kāi)機(jī)時(shí)候的開(kāi)關(guān)初始狀態(tài)使用；電源驅(qū)動(dòng)芯片為整個(gè)電路提供供電需求，JTAG 口作為STM32 的程序下載和在線調(diào)試的接口；晶振為STM32 提供時(shí)鐘；復(fù)位電路完成STM32 的上電復(fù)位和加電時(shí)候的手動(dòng)開(kāi)關(guān)復(fù)位。

圖1：STM32 控制電路系統(tǒng)框圖

圖2：STM32 與W5100 連接圖

圖3：STM32 與AT24C32 的連接圖

網(wǎng)絡(luò)通信為該控制電路的核心之一，結(jié)合高性能ARM 處理器STM32 實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的高速實(shí)時(shí)傳輸，STM32 完成對(duì)應(yīng)用程序的處理，W5100 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的處理。STM32 與W5100 的通信采用SPI 模式，串行接口模式只需要4 個(gè)引腳進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這4 個(gè)引腳的定義分別為：從設(shè)備選擇（/SS）、串行時(shí)鐘（SCLK）、MOSI（主出從入）和MISO（主入從出），主控制器（SPI 的主設(shè)備）發(fā)出一系列指令與W5100 通信。

W5100 的SPI_EN引腳選擇SPI操作，SPI_EN 引腳必須通過(guò)一個(gè)10K 的電阻接到高電平，選擇W5100 的SPI 接口方式。STM32 與W5100 的連接圖如圖2 所示，其中STM32 為主模式，W5100 為從模式。

存儲(chǔ)芯片E2PROM 采用ATMEL 的AT24C32。AT24C32 是采用兩線串行工作方式的EEPROM，容量為32Kbits。利用I2C 總線對(duì)該芯片進(jìn)行讀寫(xiě)，A0-A2：地址線，用來(lái)選擇存儲(chǔ)器的地址。WP：寫(xiě)保護(hù)，高電平拒絕寫(xiě)入，低電平可以寫(xiě)入，即低電平有效，如果該引腳懸空，內(nèi)部自動(dòng)下拉到地。SCL：串行時(shí)鐘，用來(lái)指示什么時(shí)候數(shù)據(jù)線上是有效數(shù)據(jù)。SDA：串行數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)傳送。我們可以采用STM32 自帶的I2C 總線，也可以通過(guò)IO 口模擬實(shí)現(xiàn)I2C 總線，然后與AT24C32 連接，通過(guò)IO 口控制AT24C32 的地址，實(shí)現(xiàn)對(duì)AT24C32 的讀寫(xiě)。STM32 與AT24C32 的連接圖如圖3。

基于STM32 的矩陣開(kāi)關(guān)控制電路，既可以實(shí)現(xiàn)與W5100 通過(guò)SPI 連接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，也可以與AT24C32 通過(guò)I2C 總線讀寫(xiě)數(shù)據(jù)，它還包含其它部分，比如：時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，電源和地的供電電路、JTAG 下載接口電路、以及備用的擴(kuò)展電路等，該控制電路的主控部分即STM32F103 的原理圖如圖4 所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中，軟件編寫(xiě)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)W5100 的控制，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和控制電路的網(wǎng)絡(luò)通信，達(dá)到計(jì)算機(jī)對(duì)開(kāi)關(guān)矩陣的控制；同時(shí)需要把接收到的網(wǎng)絡(luò)報(bào)文轉(zhuǎn)化為控制高低電平作為矩陣開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)控制碼，同時(shí)把開(kāi)關(guān)狀態(tài)存儲(chǔ)在E2PROM。

流程如圖5 所示。

軟件編寫(xiě)按照?qǐng)D5 的操作流程，上電后首先對(duì)STM32 進(jìn)行初始化，包含配置系統(tǒng)時(shí)鐘，中斷，外設(shè)設(shè)置，SPI 口配置等，然后通過(guò)SPI 口對(duì)W5100 進(jìn)行初始化配置，設(shè)置好W5100 的工作模式、IP 地址、端口號(hào)等，然后讀出E2PROM 的矩陣開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片下發(fā)給矩陣開(kāi)關(guān)。然后網(wǎng)口等待端口中斷接收計(jì)算機(jī)下發(fā)的UDP 報(bào)文，UDP 協(xié)議為使用端口號(hào)為不同的應(yīng)用保留其各自的數(shù)據(jù)傳輸通道。數(shù)據(jù)發(fā)送一方(可以是客戶端或服務(wù)器端)將UDP 數(shù)據(jù)包通過(guò)源端口發(fā)送出去，而數(shù)據(jù)接收一方則通過(guò)目標(biāo)端口接收數(shù)據(jù)。有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用只能使用預(yù)先為其預(yù)留或注冊(cè)的靜態(tài)端口;而另外一些網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用則可以使用未被注冊(cè)的動(dòng)態(tài)端口。因?yàn)閁DP 報(bào)頭使用兩個(gè)字節(jié)存放端口號(hào)，所以端口號(hào)的有效范圍是從0 到65535。一般來(lái)說(shuō)，大于49151 的端口號(hào)都代表動(dòng)態(tài)端口。當(dāng)STM32 收到W5100 的端口中斷后，把收到的報(bào)文解析后通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片給矩陣開(kāi)關(guān)提供控制碼，同時(shí)把控制碼存儲(chǔ)到AT24C32 中供下次斷電后開(kāi)機(jī)使用。

軟件編寫(xiě)操作環(huán)境為Keil V4.10，采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)程序。該程序編寫(xiě)盡量使用模塊化編程，模塊化編程是指將一個(gè)龐大的程序劃分為若干個(gè)功能獨(dú)立的模塊，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)，然后再將這些模塊統(tǒng)一合并為一個(gè)完整的程序。主程序就是模塊合并的過(guò)程，主體程序調(diào)用模塊的函數(shù)是通過(guò)包含模塊的頭文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，模塊的頭文件和源文件是模塊密不可分的兩個(gè)部分，缺一不可。軟件調(diào)試界面如圖6 所示。

經(jīng)過(guò)調(diào)試驗(yàn)證，該電路能達(dá)到矩陣開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)要求，且該電路穩(wěn)定可靠、功耗低，能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)對(duì)該矩陣開(kāi)關(guān)的控制。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以STM32 作為核心控制器設(shè)計(jì)了一種矩陣開(kāi)關(guān)的控制電路，并進(jìn)行了軟硬件設(shè)計(jì)。該電路通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口與計(jì)算機(jī)顯控軟件進(jìn)行通信，接收計(jì)算機(jī)顯控軟件發(fā)送的命令，在STM32 中對(duì)命令進(jìn)行解析，然后通過(guò)電平驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)送給開(kāi)關(guān)矩陣作為其控制碼，同時(shí)把控制碼存儲(chǔ)在E2PROM 中，給下次開(kāi)機(jī)初始化使用。該設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，是一種有效的矩陣開(kāi)關(guān)控制電路，同時(shí)改電路也可應(yīng)用在軍用和民用等眾多領(lǐng)域，具有應(yīng)用價(jià)值。

圖4：STM32F103 原理圖

圖5：軟件流程圖

圖6：Keil 軟件調(diào)試界面