基于STM 32的单彩LED在AFC运行状态显示中的设计

赵启文，李 欣，孙 剑

（哈尔滨理工大学 测控技术与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150010）

STM32系列处理器是专门由意法半导体公司（ST）生产、基于ARM公司Cortex-M3内核的MCU，专门为低成本、低功耗、高性能的嵌入式应用领域而专门设计的，具有丰富的性能和出众的片上外设、程度复杂度低等优点，例如工业控制系统、汽车控制系统和微控制系统等。单彩LED在AFC运行状态显示中以通信和控制的方式实现轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清分、管理等全过程的自动处理为目标，对地铁运营公司而言，提高了地铁系统的运行效率和效益；对乘客而言，则避免了排队购票，“找零”、人工检票的繁琐，出入地铁更加快捷方便。AFC系统是轨道交通最基本、最重要的系统之一，也是国家重点要解决的3个国产化系统之一[1]。

1 总体设计

该系统利用Cortex-M3内核芯片STM32F103VET6微处理器为核心，将上位机、控制模块、LED显示屏和AFC系统有机的结合到一起。系统总体框图如图1所示。系统工作时，主要利用上位机编辑显示信息，通过以太网接口将信息传输给微处理器，微处理器接收到数据信息后写入FLASH存储器。在显示时，微处理器根据AFC系统中乘客的需求读取FLASH中的数据，通过总线将数据以并行方式发送给驱动电路，驱动电路完成对LED显示屏的高速扫描刷新，将处理后的数据传输到LED显示屏中显示，从而完成乘客在AFC系统中的状态显示。

图1 系统总体框图Fig.1 Bock diagram of the whole system

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片STM32F103VET6

本系统选用意法半导体ST公司推出的32位微处理器STM32F103VET6作为主控芯片，STM32F103VET6属于STM32F103增强型系列处理器，使用了先进架构的ARM Cortex-M3内核，具有更多片内RAM和外设，具体特性如下[2]：

1）采用了基于哈弗（Harvard）架构的3级流水线的内核Cortex-M3，集成了分支预测、具有单周期乘法、硬件除法等强大的特性，最高工作频率可达72 MHz，运算速度高达1.25 DMips ／MHz，功耗仅为 0.19 mW/MHz。

2）Cortex-M3核内部寄存器包括：13个通用 32位寄存器、程序计数器PC、程序状态寄存器xPSR、链接寄存器LR和2个堆栈指针寄存器。

3）内置高速存储器，片内Flash容量512 k和SRAM容量64 k。

4）多达11个定时器，包括4个通用16位定时器、2个16位带死区控制的PWM定时器、系统时间定时器、2个看门狗定时器、2个用于驱动DAC的16位基本定时器。

5）多达 80个丰富的快速 I／O口，所有 I／O口都可以映射到16个外部中断；几乎所有端口均可以容忍5 V信号。

6）标准和先进的通信接口：多达2个I2C接口、3个SPI接口、5个USART接口、一个USB2．0全速接口和一个CAN接口、SDIO接口。

7）包含了3个12位的 ADC和2个 12位DAC。

STM32F103VET6丰富的资源和出色的性能使得本身几乎不需要扩展外围电路就能满足设计的要求，使硬件设计大大简化。执行速度和内存容量完全满足主控模块的多任务实时应用。主控模块设计使用STM32F103VET6的CAN、USB、USART等通信接口，CAN用于功率模块通信，USB用于笔记本现场配置电源系统参数，USART用于232通信 （上位机通信）。主控模块人机界面中的LCD、按键、LED指示、蜂鸣器以及电源开关，均通过GPIO连接。

2.2 SRAM和Flash模块

2.2.1 SRAM接口电路

本系统中SRAM选用的是HY62U8200B。它是一种具有静止存取功能的内存，不需要刷新电路即能保存它内部存储数据，并且内置64 k字节，它可以以字节、半字（16位）或全字（32位）访问。控制器中是用两片HY62U8200B并联构建32位SRAM存储器系统，一片为低16位，另一片为高16位，使数据总线的宽度达到32位，总容量达到64 MB，将地址空间映射到STM32F103VET6上。SRAM的起始地址[3]为0x20000000。

2.2.2 Flash存储器接口电路

Flash是非易失存储器，又叫闪存，具有大容量、低功耗、擦写速度快等特点。任何Flash期间的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。现在市场上两种主要的非易失闪存技术 Nor和 Nand Flash。

Nor flash的特点是芯片内部执行，应用程序可直接在flash闪存内运行，带有SRAM接口，不用再把代码读到系统RAM中，同时还具有容量小、传输效率高，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND flash结构具有极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度非常很快，但是应用NAND的困难在于NAND flash的管理需要特殊的系统接口。综合上述的分析，本系统采用了Nor flash存储Boot代码，NAND flash存储应用程序代码和操作系统[4]。

2.3 LED显示屏模块

LED模块是连接控制器和AFC系统的主要组成部分。系统采用16×80表贴点阵单元，利用像素单元组成的平面式显示屏，内嵌16位恒流LED屏驱动IC—MBI5042，具有可加强脉波宽度调变的功能，而且可藉由S-PWM技术以高性价比、高信赖性的优势来提升LED屏的画质，减少画面的闪烁。为什么会将MBI5042应用于LED面板设计上，这是因为通道间的电流差异小于±1.5%，而芯片间的一般电流差异小于±3.0%；并且具有不受负载端电压影响的电流输出特性[5]。驱动电路完成对LED显示屏的高速扫描刷新，刷新频率为≥120帧/S；将处理后的数据传输到LED显示屏中显示，可视角度可达 ±65°。LED模块的工作电压为5 V，而STM32F103VET6的输出电压为3.3 V。

2.4 AFC模块

AFC（自动售检票系统）是基于计算机网络、通信、自动控制等技术，实现轨道交通售票、检票、计费、收费、统计、清分、管理等全过程的自动化系统，共分为车票、车站终端设备（SLE）、车站计算机系统（SC）、线路中央计算机系统（LCC）、清分系统（ACC）5个层次，如图2所示。

图2 AFC系统层次结构Fig.2 AFCsystem of hierarchy

AFC系统的五层架构主要依据功能划分，通过分层，AFC系统的功能结构更加清晰，各层间通过以太网连接，实现数据的采集和处理。层次结构是按照全封闭的运行方式，以计程收费模式为基础，采用非接触式IC卡为车票介质的组成原则，根据各层次设备和子系统各自的功能、管理职能和所处的位置进行划分的。目前确定的五层结构型式，是根据我国国情和城市发展现状，综合考虑了轨道交通建设的特点（如线路多而复杂、建设周期长、多个业主单位等情况）而设置的，具有一定的可伸缩性。对各层次必须实现的功能和要求做出如下规定[6-8]：

第一层——车票是乘客所持的车费支付媒介和进、出站的交易媒介，规定了储值卡和单程票二种类型的物理特性、电气特性、应用文件组织以及安全机制等技术要求；

第二层——车站终端设备（SLE）安装在各车站的站厅，直接为乘客提供售检票服务的设备（如：自动售票机TVM、票房售票机BOM、自动检票机AG），规定了车站终端设备及其运营管理的技术要求；

第三层——车站计算机系统（SC），其主要功能是对第二层车站终端设备进行状态监控、以及模式管理、时钟管理、运营结束处理，规定了系统的数据管理、车票票务管理及系统维护管理的技术要求；

第四层——线路中央计算机系统（LCC），其主要功能是收集本线路AFC系统产生的交易和审计数据，并将此数据传送给城市轨道交通清分系统，以及与其进行对帐，规定了对该线路的车票票务管理、运营管理及系统维护的技术要求；

第五层——清分系统（ACC），其主要功能是统一城市轨道交通AFC系统内部的各种运行参数、收集城市轨道交通AFC系统产生的交易和审计数据并进行数据清分和对帐、同时负责连接城市轨道交通AFC系统和城市一卡通清分系统，规定了对车票管理、票务管理、运营管理、交易数据和密钥管理、系统维护管理的技术要求。

3 系统软件设计

STM32系列微控制器采用C语言进行程序设计，开发工具为Keil MDK，开发环境为uVision IDE。主程序流程图如图3所示。

图3 系统软件流程框图Fig.3 System software flow diagram

底层固件库模块由ST公司提供，包括STM32F103系列处理器所有外设驱动和应用接口。硬件配置模块完成时钟（RCC）、GPIO、Systick、驱动器、串口和驱动等片内外设备的初始化。

4 结 论

本系统以STM32F103VET6作为控制核心，用MBI5042来驱动16×80LED点阵屏，采用C语言编程实现了乘客在AFC系统中能够清楚的了解到地铁的运行状态。本系统以低廉的成本和逻辑性极强的程序实现单彩LED显示屏在AFC运行状态显示系统控制功能，其功能还有很强的可扩展性，具有广泛的应用前景。

[1]邓先平，陈凤敏.我国城市轨道交通AFC系统的现状及发展[J].都市快轨交通，2005（3）:18-20.DENG Xian-ping，CHEN Feng-min.Urban rail transit AFC system present situation and the development[J].Urban Rapid Rail Transit，2005（3）:18-20.

[2]李宁.基于MDK的STM32处理器开发应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[3]谈卫星，胡建人.基于STM32的全彩LED显示屏系统的设计[M].杭州：电子科技大学，2011.

[4]任蓉，吕强.基于ARM的LED屏显示控制系统的设计[J].现代物业，2012（3）：42-44.REN Rong，LV Qiang.Design of LED screen display control system[J].Modern Property Based on ARM，2012（3）：42-44.

[5]堵国梁，史小军，朱为.LED显示屏恒流驱动电路的设计[J].电子器件，2001（3）：253-256.DU Guo-liang，SHI Xiao-jun，ZHU Wei.Design of constant current drive circuit LED display[J].Electronic Device，2001（3）:253-256.

[6]邓小健.浅谈地铁AFC系统[J].科技信息，2010（16）：763-764.DENG Xiao-jian.Discuss the subway AFCsystem[J].Science and Technology Information，2010（16）:763-764.

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[8]李鹏，来新泉.基于双机热备的航天发动机控制器设计[J].火箭推进，2010（3）：58-62.LI Peng，LAI Xin-quan.Design of dual-processor hot standby aerospace engine controller[J].Journal of Rocket Propulsion,2010（3）：58-62.