基于STM 32的單彩LED在AFC運(yùn)行狀態(tài)顯示中的設(shè)計(jì)

趙啟文，李 欣，孫 劍

（哈爾濱理工大學(xué) 測控技術(shù)與通信工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150010）

STM32系列處理器是專門由意法半導(dǎo)體公司（ST）生產(chǎn)、基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的MCU，專門為低成本、低功耗、高性能的嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)的，具有豐富的性能和出眾的片上外設(shè)、程度復(fù)雜度低等優(yōu)點(diǎn)，例如工業(yè)控制系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)和微控制系統(tǒng)等。單彩LED在AFC運(yùn)行狀態(tài)顯示中以通信和控制的方式實(shí)現(xiàn)軌道交通售票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、清分、管理等全過程的自動處理為目標(biāo)，對地鐵運(yùn)營公司而言，提高了地鐵系統(tǒng)的運(yùn)行效率和效益；對乘客而言，則避免了排隊(duì)購票，“找零”、人工檢票的繁瑣，出入地鐵更加快捷方便。AFC系統(tǒng)是軌道交通最基本、最重要的系統(tǒng)之一，也是國家重點(diǎn)要解決的3個(gè)國產(chǎn)化系統(tǒng)之一[1]。

1 總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)利用Cortex-M3內(nèi)核芯片STM32F103VET6微處理器為核心，將上位機(jī)、控制模塊、LED顯示屏和AFC系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合到一起。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)工作時(shí)，主要利用上位機(jī)編輯顯示信息，通過以太網(wǎng)接口將信息傳輸給微處理器，微處理器接收到數(shù)據(jù)信息后寫入FLASH存儲器。在顯示時(shí)，微處理器根據(jù)AFC系統(tǒng)中乘客的需求讀取FLASH中的數(shù)據(jù)，通過總線將數(shù)據(jù)以并行方式發(fā)送給驅(qū)動電路，驅(qū)動電路完成對LED顯示屏的高速掃描刷新，將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示屏中顯示，從而完成乘客在AFC系統(tǒng)中的狀態(tài)顯示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Bock diagram of the whole system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片STM32F103VET6

本系統(tǒng)選用意法半導(dǎo)體ST公司推出的32位微處理器STM32F103VET6作為主控芯片，STM32F103VET6屬于STM32F103增強(qiáng)型系列處理器，使用了先進(jìn)架構(gòu)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，具有更多片內(nèi)RAM和外設(shè)，具體特性如下[2]：

1）采用了基于哈弗（Harvard）架構(gòu)的3級流水線的內(nèi)核Cortex-M3，集成了分支預(yù)測、具有單周期乘法、硬件除法等強(qiáng)大的特性，最高工作頻率可達(dá)72 MHz，運(yùn)算速度高達(dá)1.25 DMips ／MHz，功耗僅為 0.19 mW/MHz。

2）Cortex-M3核內(nèi)部寄存器包括：13個(gè)通用 32位寄存器、程序計(jì)數(shù)器PC、程序狀態(tài)寄存器xPSR、鏈接寄存器LR和2個(gè)堆棧指針寄存器。

3）內(nèi)置高速存儲器，片內(nèi)Flash容量512 k和SRAM容量64 k。

4）多達(dá)11個(gè)定時(shí)器，包括4個(gè)通用16位定時(shí)器、2個(gè)16位帶死區(qū)控制的PWM定時(shí)器、系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器、2個(gè)看門狗定時(shí)器、2個(gè)用于驅(qū)動DAC的16位基本定時(shí)器。

5）多達(dá) 80個(gè)豐富的快速 I／O口，所有 I／O口都可以映射到16個(gè)外部中斷；幾乎所有端口均可以容忍5 V信號。

6）標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C接口、3個(gè)SPI接口、5個(gè)USART接口、一個(gè)USB2．0全速接口和一個(gè)CAN接口、SDIO接口。

7）包含了3個(gè)12位的 ADC和2個(gè) 12位DAC。

STM32F103VET6豐富的資源和出色的性能使得本身幾乎不需要擴(kuò)展外圍電路就能滿足設(shè)計(jì)的要求，使硬件設(shè)計(jì)大大簡化。執(zhí)行速度和內(nèi)存容量完全滿足主控模塊的多任務(wù)實(shí)時(shí)應(yīng)用。主控模塊設(shè)計(jì)使用STM32F103VET6的CAN、USB、USART等通信接口，CAN用于功率模塊通信，USB用于筆記本現(xiàn)場配置電源系統(tǒng)參數(shù)，USART用于232通信 （上位機(jī)通信）。主控模塊人機(jī)界面中的LCD、按鍵、LED指示、蜂鳴器以及電源開關(guān)，均通過GPIO連接。

2.2 SRAM和Flash模塊

2.2.1 SRAM接口電路

本系統(tǒng)中SRAM選用的是HY62U8200B。它是一種具有靜止存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲數(shù)據(jù)，并且內(nèi)置64 k字節(jié)，它可以以字節(jié)、半字（16位）或全字（32位）訪問。控制器中是用兩片HY62U8200B并聯(lián)構(gòu)建32位SRAM存儲器系統(tǒng)，一片為低16位，另一片為高16位，使數(shù)據(jù)總線的寬度達(dá)到32位，總?cè)萘窟_(dá)到64 MB，將地址空間映射到STM32F103VET6上。SRAM的起始地址[3]為0x20000000。

2.2.2 Flash存儲器接口電路

Flash是非易失存儲器，又叫閃存，具有大容量、低功耗、擦寫速度快等特點(diǎn)。任何Flash期間的寫入操作只能在空或已擦除的單元內(nèi)進(jìn)行，所以大多數(shù)情況下，在進(jìn)行寫入操作之前必須先執(zhí)行擦除。現(xiàn)在市場上兩種主要的非易失閃存技術(shù) Nor和 Nand Flash。

Nor flash的特點(diǎn)是芯片內(nèi)部執(zhí)行，應(yīng)用程序可直接在flash閃存內(nèi)運(yùn)行，帶有SRAM接口，不用再把代碼讀到系統(tǒng)RAM中，同時(shí)還具有容量小、傳輸效率高，但是很低的寫入和擦除速度大大影響了它的性能。NAND flash結(jié)構(gòu)具有極高的單元密度，可以達(dá)到高存儲密度，并且寫入和擦除的速度非常很快，但是應(yīng)用NAND的困難在于NAND flash的管理需要特殊的系統(tǒng)接口。綜合上述的分析，本系統(tǒng)采用了Nor flash存儲Boot代碼，NAND flash存儲應(yīng)用程序代碼和操作系統(tǒng)[4]。

2.3 LED顯示屏模塊

LED模塊是連接控制器和AFC系統(tǒng)的主要組成部分。系統(tǒng)采用16×80表貼點(diǎn)陣單元，利用像素單元組成的平面式顯示屏，內(nèi)嵌16位恒流LED屏驅(qū)動IC—MBI5042，具有可加強(qiáng)脈波寬度調(diào)變的功能，而且可藉由S-PWM技術(shù)以高性價(jià)比、高信賴性的優(yōu)勢來提升LED屏的畫質(zhì)，減少畫面的閃爍。為什么會將MBI5042應(yīng)用于LED面板設(shè)計(jì)上，這是因?yàn)橥ǖ篱g的電流差異小于±1.5%，而芯片間的一般電流差異小于±3.0%；并且具有不受負(fù)載端電壓影響的電流輸出特性[5]。驅(qū)動電路完成對LED顯示屏的高速掃描刷新，刷新頻率為≥120幀/S；將處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃ED顯示屏中顯示，可視角度可達(dá) ±65°。LED模塊的工作電壓為5 V，而STM32F103VET6的輸出電壓為3.3 V。

2.4 AFC模塊

AFC（自動售檢票系統(tǒng)）是基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、自動控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軌道交通售票、檢票、計(jì)費(fèi)、收費(fèi)、統(tǒng)計(jì)、清分、管理等全過程的自動化系統(tǒng)，共分為車票、車站終端設(shè)備（SLE）、車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC）、線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（LCC）、清分系統(tǒng)（ACC）5個(gè)層次，如圖2所示。

圖2 AFC系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)Fig.2 AFCsystem of hierarchy

AFC系統(tǒng)的五層架構(gòu)主要依據(jù)功能劃分，通過分層，AFC系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)更加清晰，各層間通過以太網(wǎng)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和處理。層次結(jié)構(gòu)是按照全封閉的運(yùn)行方式，以計(jì)程收費(fèi)模式為基礎(chǔ)，采用非接觸式IC卡為車票介質(zhì)的組成原則，根據(jù)各層次設(shè)備和子系統(tǒng)各自的功能、管理職能和所處的位置進(jìn)行劃分的。目前確定的五層結(jié)構(gòu)型式，是根據(jù)我國國情和城市發(fā)展現(xiàn)狀，綜合考慮了軌道交通建設(shè)的特點(diǎn)（如線路多而復(fù)雜、建設(shè)周期長、多個(gè)業(yè)主單位等情況）而設(shè)置的，具有一定的可伸縮性。對各層次必須實(shí)現(xiàn)的功能和要求做出如下規(guī)定[6-8]：

第一層——車票是乘客所持的車費(fèi)支付媒介和進(jìn)、出站的交易媒介，規(guī)定了儲值卡和單程票二種類型的物理特性、電氣特性、應(yīng)用文件組織以及安全機(jī)制等技術(shù)要求；

第二層——車站終端設(shè)備（SLE）安裝在各車站的站廳，直接為乘客提供售檢票服務(wù)的設(shè)備（如：自動售票機(jī)TVM、票房售票機(jī)BOM、自動檢票機(jī)AG），規(guī)定了車站終端設(shè)備及其運(yùn)營管理的技術(shù)要求；

第三層——車站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（SC），其主要功能是對第二層車站終端設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控、以及模式管理、時(shí)鐘管理、運(yùn)營結(jié)束處理，規(guī)定了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理、車票票務(wù)管理及系統(tǒng)維護(hù)管理的技術(shù)要求；

第四層——線路中央計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（LCC），其主要功能是收集本線路AFC系統(tǒng)產(chǎn)生的交易和審計(jì)數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)傳送給城市軌道交通清分系統(tǒng)，以及與其進(jìn)行對帳，規(guī)定了對該線路的車票票務(wù)管理、運(yùn)營管理及系統(tǒng)維護(hù)的技術(shù)要求；

第五層——清分系統(tǒng)（ACC），其主要功能是統(tǒng)一城市軌道交通AFC系統(tǒng)內(nèi)部的各種運(yùn)行參數(shù)、收集城市軌道交通AFC系統(tǒng)產(chǎn)生的交易和審計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)清分和對帳、同時(shí)負(fù)責(zé)連接城市軌道交通AFC系統(tǒng)和城市一卡通清分系統(tǒng)，規(guī)定了對車票管理、票務(wù)管理、運(yùn)營管理、交易數(shù)據(jù)和密鑰管理、系統(tǒng)維護(hù)管理的技術(shù)要求。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

STM32系列微控制器采用C語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，開發(fā)工具為Keil MDK，開發(fā)環(huán)境為uVision IDE。主程序流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程框圖Fig.3 System software flow diagram

底層固件庫模塊由ST公司提供，包括STM32F103系列處理器所有外設(shè)驅(qū)動和應(yīng)用接口。硬件配置模塊完成時(shí)鐘（RCC）、GPIO、Systick、驅(qū)動器、串口和驅(qū)動等片內(nèi)外設(shè)備的初始化。

4 結(jié) 論

本系統(tǒng)以STM32F103VET6作為控制核心，用MBI5042來驅(qū)動16×80LED點(diǎn)陣屏，采用C語言編程實(shí)現(xiàn)了乘客在AFC系統(tǒng)中能夠清楚的了解到地鐵的運(yùn)行狀態(tài)。本系統(tǒng)以低廉的成本和邏輯性極強(qiáng)的程序?qū)崿F(xiàn)單彩LED顯示屏在AFC運(yùn)行狀態(tài)顯示系統(tǒng)控制功能，其功能還有很強(qiáng)的可擴(kuò)展性，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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