基于FM33LG048微控制单元外围电路的设计与功能验证

周智勇，叶庆红，王超群

（上海航天能源股份有限公司，上海， 201112）

0 引言

Real Time-Thread (RT-Thread)是一种国产的包括线程管理、调度管理、中断管理和系统时钟管理的实时操作系统，广泛被学者引用学习[1～3]。文献[4]采用功能分离机制，在STM32L431上实现RT-Thread的移植并将可执行二进制程序和用户程序分开下载到闪存。文献[5]基于实时多线程系统，设计一种水下潜航器，并进行通信测试，实现了RT-Thread操作系统的驱动移植和调试运行。在文献[6]中，将Cortex-M3内核与特定的变换加速模块相结合，设计可用于数字信号预处理的专用处理器，简单高效。在文献[7]中，设计了物联网多传感器数据采集系统，有效地实现了灾害的预警处理。然而聚焦于嵌入式实时操作系统与MCU及其外围电路功能实现的文献却很少出现。

文章探讨物联网仪表板载PCB嵌入式MCU及其外围电路的设计和功能验证。行文思路首先是对外围电路及功能验证所用到的部分软、硬件作简要介绍(如表1所示)；其次是对燃气仪表主控板MCU及其电源切换、74LS148编码器等外围电路的设计；最后使用检测板对主控板设计的电路逐一进行功能验证。本文的贡献如下：

（1）电源切换设计可满足主控板多元化供电需求、引入74LS148优先编码器判断传感器或开关量的状态、各功能状态可在LCD显示屏直观展出，电流表可通过继电器触头接入，用以判断MCU在低功耗模式下主控板电源的功耗。

（2）对照图17所示功能验证流程，用检测板对生产的仪表主控板功能进行检测，功能异常可快速定位，提高生产效率。

1 系统组成

系统的部分软、硬件及其作用如表1所示。图1为系统的硬件连接，图2是图1的抽象结构图。主控板包含MCU及其外围电路，烧录有验证程序的检测板对主控板的电源控制、串口收发等功能进行验证，转接板用于传感器及开关量的电平测试。

表1 系统软、硬件

图1 系统硬件连接

图2 抽象结构图

2 MCU外围电路设计

■2.1 电源切换和电流表接入设计

为满足嵌入式燃气仪表的供电电源需求，设计有市电经开关电源整流为直流5V或者电池3.6V供电。当继电器触头K1、K2均向上拨时，此时仪表主控板由电池电源+3.6V供电；当继电器触头K1向下拨、K2向上拨时，此时仪表主控板由外接电源+5V供电；当继电器触头K1、K2均向下拨时，AMP_IN接入3.6V，AMP_OUT为低电平，接入电流表，用以判断是否满足低功耗要求。通过switch()语句设置GPIO_k1、GPIO_k2的高低电平来控制继电器触头K1、K2的拨向。切换控制图如3所示。

■2.2 复位、晶振及下载电路设计

复位电路可使MCU回到初始状态，若缺少复位电路可能使得MCU中RAM、FLASH、计数器、中断等程序的错乱[8～9]。图4中，MCU采用低电位RC复位电路，开关S1按下时，RESET电位被拉低；松开时， RESET电位上升，实现复位。

图4 MCU复位

对于FM33LG048MCU而言，芯片内包含32kHz低频晶体振荡电路、最高36MHz高频振荡器、32kHz低功耗内部环振、512kHz低频环振和一个锁相环。调试时，内部晶振设置为12MHz，接入到MCU的晶振电路如图5所示。

图5 晶振电路

程序烧录时选择J-LINK调试器，与MCU接口连接电路如图6所示。

图6 下载电路

■2.3 ADC转换设计

ADC，即将模拟量转变为数字量，分为采样、量化、编码等过程[10～11]。由于该MCU内部集成了AD转换模块，所以只需要在MCU的输入模拟量引脚进行采样，然后在需要的数字量输出设置测试点即可。本文需要进行ADC转换的引脚有ADC_MCU、ADC_VDD_4G、ADC_SENSOR6、ADC_SENSOR5、ADC_SENSOR4、ADC_SENSOR3、ADC_SENSOR2、ADC_SENSOR1，转换电路如图7所示（给出了ADC_SENSOR1，剩余传感器的转换同理）。

图7 MCU的外部ADC转换电路图

■2.4 UART

UART，用于串口异步收发，是系统中各电路模块通讯的“桥梁”[12]。UART有8种工作方式，如表2所示。为简单起见，本文UART配置为工作方式0，波特为115200。

表2 UART工作方式

图8为两路UART交互示意图，由图可知，若要实现主从UART的串口通信，必须满足：

图8 UART之间的交互

(1) 主机端（仪表的MCU）通过UART1发送的指令从机端(串口指令接收端)要能够接收到，并且从机端能对接收到的指令做出反馈，通过UART2发送反馈指令；

(2) 主机端能够接收到从机端发来的反馈指令，以确保主机、从机端的发送和接收均为正常。

■2.5 MCU外围LCD显示电路设计

图9为MCU与LCD的连接示意图，LCD显示使用I2C协议，要使显示屏正常显示，片选端CS需置为低电平[13]。

图9 LCD显示电路

读数据时，字符有可能是中文或其他ASCII码支持的形式。若存在中文时，首先应将可能需要展示的中文字体库列出，以便显示屏显示不出现乱码。需要注意的是，显示屏所支持的最大行数为4，当显示行数大于4时，需要考虑翻页，具体为：

(1) 需要展示的行数为m，每页支持的最大行数为n；若m ＜= n，则pages = 1，即用一页就可展示；

(2) 若m ＞ n，m%n == 0，则pages = m/n；

(3) 若m ＞ n，(m%n) != 0，则pages = m/n + 1。

显示屏的翻页如图10所示。

图10 显示屏翻页

■2.6 MCU外围编码器电路设计

工业用燃气仪表的工作环境在室外，需要众多传感器采集不同的参数。该仪表含有用六个传感器接口（三个用于采集压力、温度、流量等，其余均为备用接口），并使用3片74LS148判断传感器IO接口及信号量的状态。为便于对传感器的检测，将传感器的引脚转接到外部转接板。在图11中，A0、A1、A2为编码器的输出端（低电平有效），管脚0～7为编码器的输入端（低电平有效），EI端低电平有效。根据编码器真值表，传感器及开关量状态判断方法如下：

图11 第一片74LS148编码器电路

(1)首先将传感器数字量输入端引脚的GPIO引脚配置为输出高电平模式；

(2)将编码器的输出端A0A1A2输出全为高电平的情况下，再将传感器各IO口配置为低电平，查看编码功能是否完好；

(3)若三个编码器的A0A1A2端均为低电平时，则传感器的IO口正常；

(4)异常判断：

在(2)和(3)的条件下，若三个编码器中，有一个编码器的A0A1A2端全为高电平时，则可判断为传感器1异常(100)或传感器2异常(010)或传感器3异常(001)；

在(2)和(3)的条件下，若三个编码器中，有两个编码器的A0A1A2端全为高电平时，则可判断为传感器4异常(110)或传感器5异常(101)或传感器6异常(011)；

在(2)和(3)的条件下，若三个编码器的A0A1A2端全为高电平时，则可判断为开关量异常。

3 功能验证分析

本部分用检测板对MCU外围电路进行功能验证，具体为：

(1) 检测主控板是否安装到工装上；

(2) 电源切换为3.6V，检测ADC_MCU的3.3V工作电压，如果异常将不再进行后续步骤，如图12所示；

图12 MCU电源检测

(3) 检测通讯串口功能，由检测板发送字符串“test uart”，与主控板发送内容是否一致进行对比，等待主控板返回信息“uart ok”，超时时间为2s。否则返回“uart error”，停止检测后续步骤，如图13所示；

图13 串口通讯检测

(4) 检测LCD显示功能，由检测板发送字符串“test display”，用外层for循环遍历显示屏要显示的行数，执行写命令；内层for循环遍历显示屏要显示的列数，执行写数据，在执行到的行、列地址处是否打印黑点，如果是返回“display ok”，超时时间为2s。否则返回“display error”，停止检测后续步骤，图10为正常显示需要打印的黑点；

(5) 检测板发送指令“test flash”，主控板接收到指令后开始对外部flash进行检测。烧录特定数据并读取，若烧录的数据与读取的数据一致，则外部flash正常，返回“flash ok”，超时时间为2s。否则返回“flash error”，停止检测后续步骤，如图14所示；

图14 flash检测

(6) 传感器IO口检测，检测板发送指令“test sensor”，先检测传感器的所有引脚是不是低电平，如果是返回“sensor ok”，并根据真值表在显示屏显示相应传感器状态，超时时间为2s。否则返回“sensor error”，停止检测后续步骤，如图10所示；

(7) 低功耗检测，调用power_switch()使图3中的K1、K2均向下拨。主控板发送指令“test low_power”，MCU进入休眠状态之前发送反馈“in sleep”，切换到电流表等待稳定后，根据正确报文格式读取电流信息。由表3及图15可知，电源AMP_IN流经的电流为9微安(数据区)，功耗P=(3.6V)×(9μA)=32.4μW，满足低功耗(要求100μW以内)，发送反馈“low_power ok”，否则发送反馈“low_power error”，检测结束，如图16所示。(1)～ (7)验证流程如图17所示。

图3 切换控制图

图15 报文信息

图17 功能验证流程图

表3 从设备在缓存中正确报文格式

图16 低功耗检测

4 结论

本文以FM33LG048MCU为例，介绍了物联网仪表板载PCB的MCU及其电源切换、74LS148编码器等外围电路。在Keil μVision5开发环境下，用检测板对主控板串口、LCD显示、flash、传感器I/O、低功耗各功能模块进行验证，且均为ok状态。主控板在低功耗工作模式下的功耗为32.4μW，小于百微瓦的最大功耗。生产过程中，按图17验证流程，如出现异常可在LCD中快速定位，为嵌入式燃气仪表的生产与检测提供依据。