1. 引言
SoC在医疗器械中应用前景广阔，LPC2131/2132/2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，带有32kB/64kB/512 kB的嵌入的高速Flash存储器和8/16/32kB片内静态RAM。多达47个5V的通用I/O口，1个（LPC2132/2132）或2个（LPC2138）8路10位A/D转换器共包含16个模拟输入，1个10位D/A转换器，可提供不同的模拟输出（LPC2132/2138）。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM 和SSP。内部集成实时时钟等，资源比较丰富，使它们特别适用于工业控制和医疗等嵌入式系统。本文以LPC2132为例，介绍LPC2132的设计经验与设计技术。
2. 显示设计
显示设计是所有嵌入式系统的重要组成部分之一。显示器件包括LED、字符LCM、图形LCM、VFD等，其中图形LCM（如128x64、192x64等点阵）可显示ASCII字符、汉字和图形，且性价比较高，在嵌入式系统中的应用日趋广泛，虽在MCS-51系列中的设计已非常成熟。但由于ARM与MCS-51有许多不同之处，其设计方法当然也有差别，下面以LPC2132和192x64点阵LCM为例进行说明。
2.1 与液晶显示模块（LCM）的硬件接口设计
1） 电平匹配：LPC2132系列操作电压范围：3.0“3.6 V，选择3V的LCM当然没有问题，但市场上3V的LCM价格常常比5V贵，而LPC2132的I/O口可承受5V的最大电压，所以可采用5V的LCM，但需在LCM与LPC2132相连的I/O口上接5V上拉电阻。
2） I/O连接：LPC2132没有外部总线，所有I/O口都需要进行配置，由内部寄存器决定是输入还是输出。其中P0口共有31个I/O口，P1口有16个I/O口，而且I/O口的编号不连续（如P0.28与P1.25相邻），由于编程时对I/O口采用位操作，所以具体连接时，可根据硬件电路板布线需求进行连接。为提高显示刷新速度，需检测LCM内部的忙标志，每次向LCM写数据前，先读取LCM的状态，当状态为非忙时才能写入显示数据，这样，要注意动态设置与LCM数据线相连的LPC2132的I/O口方向，而且8个数据位要用IOSET和IOCLR逐一控制。
3） 液晶背光控制：由于液晶的背光电流需要100多毫安，电压一般在5V左右，而LPC2132的I/O口驱动能力较弱，LPC2132能可靠控制背光LED的亮与灭，且对系统无干扰。
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图1液晶背光控制电路
2．2 液晶显示的软件设计
LPC2132可采用CodeWarrior进行软件开发，由于用C语言进行编程，开发速度比较快。在编写LCM程序时，先编写硬件驱动程序，包括LCM初始化函数，写LCM数据函数，写LCM命令函数，读LCM数据函数，读LCM命令函数，在这些函数的基础上，编写显示16x16点阵汉字的函数，设置显示位置函数等，鉴于篇幅限制，就不在此赘述，下面重点向读者介绍如何显示汉字的技巧和提高液晶显示刷新速度。
在显示汉字信息时，需要先用工具软件提取待显示汉字的点阵，并将这些点阵信息保存在程序中，如果单纯采用C语言，则只能定义数组变量，然后在显示时调用所定义的数组变量。但采用这种方法有以下缺点。1）采用数组变量定义字符点阵，将浪费宝贵的RAM资源。2）当显示内容丰富，需定义的大量的点阵数据时，造成RAM容量不足。如果采用汇编语言文件与C语言文件混合编程，将字符点阵信息以程序代码的形式保存，不占用RAM，则可克服上述问题。下面以显示汉字“上海”（16x16点阵）为例，介绍具体方法：
1） 点阵信息的定义。
建立一个以s为扩展名的汇编语言文件，文件内容具体如下。
EXPORT shang16x16
EXPORT hai16x16
AREA TTTT，CODE，READONLY
ENTRY;
shang16x16
DCB 0，0，0，0，0，0，255，32
DCB 32，32，32，48，32，0，0，0
DCB 6，16，16，16，16，16，31，16
DCB 16，16，16，16，24，16，0，0
hai16x16
DCB 16，33，198，144，136，247，148，180
DCB 212，148，148，246，132，128，0，0
DCB 2，62，1，0，12，11，8，9
DCB 10，40，56，15，8，0，0，0
END
上面的文件中定义了“上海”的汉字点阵信息，将此文件添加到项目文件中，编译后点阵信息以程序代码的方式存储在FLASH中。
2） 点阵信息的申明。
建立一个以h为扩展名的头文件，对汇编语言文件中定义的字符点阵信息进行申明，以便项目中其他程序可使用定义的点阵信息，例如lattice.h，文件具体内容如下：
extern unsigned char shang16x16［］;
extern unsigned char hai16x16［］;
3） 点阵信息的引用。
将此头文件插入到其他文件中。例如：假设函数void WR_LCM16x16（unsigned char x_row，unsigned char y_col，unsigned char *p_matrix）的功能是在x_row行，y_col列位置开始显示p_matrix所指向的字符点阵。则WR_LCM16x16（2，0，shang16x16）和WR_LCM16x16（2，16，hai16x16）就可显示“上海”。
液晶显示刷新速度是液晶应用的关键技术，笔者摸索如下的方法，可大大提高显示刷新速度。
1）充分利用LCM的判忙标志位，减小读写间隔。如192x64等液晶显示模块，其接口中含有判忙标志位。如果只是简单在两次读写间隔插入一定的延迟，则会使等待时间加长，刷新变慢。
2）信息分类，减少重复刷新。可将整个屏幕分成空白区、显示固定信息区、显示动态信息区。如参数名称、单位等可划归固定信息，而实时数据则归为动态信息。只有在第一次进入某个画面时，刷新固定信息区，其余时刻，只刷新动态信息区。
3）建立数据更新标记，进一步减小动态信息刷新工作量。在内存中为每个动态信息建立一显示缓冲区，只有那些动态信息发生改变的项，才需要刷新。
综合应用上述方法，可大大提高显示刷新速度。
3．系统参数掉电保存技术
由于LPC2132片内没有EEPROM，当系统掉电后，所有参数都将丢失，如果所需要保存的参数比较多，就只有给系统扩展类似2402等EEPROM芯片，但如果需保存的数据较少（比如小于10字节），则可考虑利用系统的实时时钟寄存器资源，而不必扩展EEPROM，以降低产品成本，下面进行具体介绍。
LPC3123的实时时钟有独立的电源电路，专用电源管脚可与电池或3.3V的电压相连，在产品设计中，一般用电池供电，以维持时钟不间断运行。LPC2132中有完整的时间寄存器。但在设计过程中，并非需要所有的寄存器，比如，年、月、日、时、分、秒、星期等报警寄存器中，就有些在设计时没有被使用，只要在设置报警屏蔽寄存器时将不用的报警寄存器屏蔽，对应报警寄存器的数据对报警就没有影响，则可将这些寄存器用于保存数据，只要维持时钟供电，这些数据就不会丢失。
LPC2132有2个高速I2C接口，当需要存储的数据量教大时，可在I2C接口上连接24xx系列EEPROM芯片，使用前，先对相关引脚进行配置，使其具有I2C总线功能，另外，当采用I2C中断时，还要将对应的中断打开，使用比较方便。但在使用I2C时要注意，连续2次I2C总线读或写，要有必要的时间间隔，即必须等前次总线结束时，才能重新启动总线，否则会出错。
4．其它应用技术
在进行硬件设计时要注意：LPC2132的I/O口的灌入电流大于驱动电流，在驱动LED时可考虑采用灌入电流（I/O口输出低电平时LED亮）技术，如果采用此法依然不能满足要求，则可用多个I/O口并联或加驱动电路。
LPC2132内部8路10位A/D转换器，但在使用时，要给I/O口加稳压二极管保护，防止输入的模拟量超限而损坏芯片。
在进行软件设计时要注意：尽量使用位操作指令IOSET和IOCLR控制LPC2132的I/O口，而不要直接操作I/O口寄存器（如IO0PIN或IO1PIN），否则会出现不可预料的结果。
在调试时要注意：LPC2132支持JTAG调试，但因JTAG使用了系统的定时器T0，所以当用户用JTAG进行软件调试时，不能使用定时器T0，否则会出错。
5．应用实例
以LPC2132为核心，设计了生物安全控制柜的控制器，生物安全控制柜是医疗消毒仪器，医疗器械放进安全控制柜，利用紫外线进行杀菌消毒，当消毒完毕，为防止柜内没有被紫外线照射杀死的病毒漂浮出来，要求当柜门打开时，启动送风机和排风机，送风机从室外补充新风，经过滤器后送进安全控制柜。排风机将内部有菌空气经过滤器过滤后排出到室外。并保证安全控制柜内维持一定的负压。
安全控制柜有两种工作模式：操作模式和消毒模式。在操作模式下，允许进行开门、关门动作，允许对照明灯和外接电源插座的控制，但禁止开启紫外灯，而且只要门打开，就自动启动送风机和排风机，只要门关闭，则送风机和排风机立即自动停止；在消毒模式下，只允许对紫外灯开关动作、照明灯和外接电源插座的控制，而禁止开门和启动风机动作。
系统要求实时显示消毒进度，送、排风机的风速，过滤器差压数值，当出现送风风速大于排风风速、消毒时前门开启、过滤器实效等故障时，则进行报警。另外，还需显示当前时钟等。
系统还设有风机、紫外灯、照明、插座、门开、门关、UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER按键，用来控制相应的操作和参数设置等。图2为生物安全控制柜的结构框图。
可以看出，整个系统仅需少量的外围电路和驱动电路，性能价格比较高。具体实现方法：采用HONYWELL的24PC系列压力传感器测量控制内部压力，经放大电路放大后送LPC2132的内部A/D转换模块，实现A/D转换，根据检测的压力数据，计算风机的风速及内部压力状态，并执行相应的动作。显示采用192x64图形LCM，显示信息量大。全中文界面，用户操作十分方便。
2.JPG
图2 生物安全控制柜结构框图
6. 结束语
本文作者创新点为设计了LPC2132与液晶的硬件接口电路；提出了汇编语言与C语言混合编程方法；摸索出提高液晶显示刷新速度的设计技术；介绍了LCP2132系统中的参数保存技术和其他应用技术；并将这些技术成功地应用到具体产品设计中。
1. 引言
SoC在医疗器械中应用前景广阔，LPC2131/2132/2138是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-STM CPU的微控制器，带有32kB/64kB/512 kB的嵌入的高速Flash存储器和8/16/32kB片内静态RAM。多达47个5V的通用I/O口，1个（LPC2132/2132）或2个（LPC2138）8路10位A/D转换器共包含16个模拟输入，1个10位D/A转换器，可提供不同的模拟输出（LPC2132/2138）。多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C接口（400kbit/s）、SPITM 和SSP。内部集成实时时钟等，资源比较丰富，使它们特别适用于工业控制和医疗等嵌入式系统。本文以LPC2132为例，介绍LPC2132的设计经验与设计技术。
2. 显示设计
显示设计是所有嵌入式系统的重要组成部分之一。显示器件包括LED、字符LCM、图形LCM、VFD等，其中图形LCM（如128x64、192x64等点阵）可显示ASCII字符、汉字和图形，且性价比较高，在嵌入式系统中的应用日趋广泛，虽在MCS-51系列中的设计已非常成熟。但由于ARM与MCS-51有许多不同之处，其设计方法当然也有差别，下面以LPC2132和192x64点阵LCM为例进行说明。
2.1 与液晶显示模块（LCM）的硬件接口设计
1） 电平匹配：LPC2132系列操作电压范围：3.0“3.6 V，选择3V的LCM当然没有问题，但市场上3V的LCM价格常常比5V贵，而LPC2132的I/O口可承受5V的最大电压，所以可采用5V的LCM，但需在LCM与LPC2132相连的I/O口上接5V上拉电阻。
2） I/O连接：LPC2132没有外部总线，所有I/O口都需要进行配置，由内部寄存器决定是输入还是输出。其中P0口共有31个I/O口，P1口有16个I/O口，而且I/O口的编号不连续（如P0.28与P1.25相邻），由于编程时对I/O口采用位操作，所以具体连接时，可根据硬件电路板布线需求进行连接。为提高显示刷新速度，需检测LCM内部的忙标志，每次向LCM写数据前，先读取LCM的状态，当状态为非忙时才能写入显示数据，这样，要注意动态设置与LCM数据线相连的LPC2132的I/O口方向，而且8个数据位要用IOSET和IOCLR逐一控制。
3） 液晶背光控制：由于液晶的背光电流需要100多毫安，电压一般在5V左右，而LPC2132的I/O口驱动能力较弱，LPC2132能可靠控制背光LED的亮与灭，且对系统无干扰。
1.JPG
图1液晶背光控制电路
2．2 液晶显示的软件设计
LPC2132可采用CodeWarrior进行软件开发，由于用C语言进行编程，开发速度比较快。在编写LCM程序时，先编写硬件驱动程序，包括LCM初始化函数，写LCM数据函数，写LCM命令函数，读LCM数据函数，读LCM命令函数，在这些函数的基础上，编写显示16x16点阵汉字的函数，设置显示位置函数等，鉴于篇幅限制，就不在此赘述，下面重点向读者介绍如何显示汉字的技巧和提高液晶显示刷新速度。
在显示汉字信息时，需要先用工具软件提取待显示汉字的点阵，并将这些点阵信息保存在程序中，如果单纯采用C语言，则只能定义数组变量，然后在显示时调用所定义的数组变量。但采用这种方法有以下缺点。1）采用数组变量定义字符点阵，将浪费宝贵的RAM资源。2）当显示内容丰富，需定义的大量的点阵数据时，造成RAM容量不足。如果采用汇编语言文件与C语言文件混合编程，将字符点阵信息以程序代码的形式保存，不占用RAM，则可克服上述问题。下面以显示汉字“上海”（16x16点阵）为例，介绍具体方法：
1） 点阵信息的定义。
建立一个以s为扩展名的汇编语言文件，文件内容具体如下。
EXPORT shang16x16
EXPORT hai16x16
AREA TTTT，CODE，READONLY
ENTRY;
shang16x16
DCB 0，0，0，0，0，0，255，32
DCB 32，32，32，48，32，0，0，0
DCB 6，16，16，16，16，16，31，16
DCB 16，16，16，16，24，16，0，0
hai16x16
DCB 16，33，198，144，136，247，148，180
DCB 212，148，148，246，132，128，0，0
DCB 2，62，1，0，12，11，8，9
DCB 10，40，56，15，8，0，0，0
END
上面的文件中定义了“上海”的汉字点阵信息，将此文件添加到项目文件中，编译后点阵信息以程序代码的方式存储在FLASH中。
2） 点阵信息的申明。
建立一个以h为扩展名的头文件，对汇编语言文件中定义的字符点阵信息进行申明，以便项目中其他程序可使用定义的点阵信息，例如lattice.h，文件具体内容如下：
extern unsigned char shang16x16［］;
extern unsigned char hai16x16［］;
3） 点阵信息的引用。
将此头文件插入到其他文件中。例如：假设函数void WR_LCM16x16（unsigned char x_row，unsigned char y_col，unsigned char *p_matrix）的功能是在x_row行，y_col列位置开始显示p_matrix所指向的字符点阵。则WR_LCM16x16（2，0，shang16x16）和WR_LCM16x16（2，16，hai16x16）就可显示“上海”。
液晶显示刷新速度是液晶应用的关键技术，笔者摸索如下的方法，可大大提高显示刷新速度。
1）充分利用LCM的判忙标志位，减小读写间隔。如192x64等液晶显示模块，其接口中含有判忙标志位。如果只是简单在两次读写间隔插入一定的延迟，则会使等待时间加长，刷新变慢。
2）信息分类，减少重复刷新。可将整个屏幕分成空白区、显示固定信息区、显示动态信息区。如参数名称、单位等可划归固定信息，而实时数据则归为动态信息。只有在第一次进入某个画面时，刷新固定信息区，其余时刻，只刷新动态信息区。
3）建立数据更新标记，进一步减小动态信息刷新工作量。在内存中为每个动态信息建立一显示缓冲区，只有那些动态信息发生改变的项，才需要刷新。
综合应用上述方法，可大大提高显示刷新速度。
3．系统参数掉电保存技术
由于LPC2132片内没有EEPROM，当系统掉电后，所有参数都将丢失，如果所需要保存的参数比较多，就只有给系统扩展类似2402等EEPROM芯片，但如果需保存的数据较少（比如小于10字节），则可考虑利用系统的实时时钟寄存器资源，而不必扩展EEPROM，以降低产品成本，下面进行具体介绍。
LPC3123的实时时钟有独立的电源电路，专用电源管脚可与电池或3.3V的电压相连，在产品设计中，一般用电池供电，以维持时钟不间断运行。LPC2132中有完整的时间寄存器。但在设计过程中，并非需要所有的寄存器，比如，年、月、日、时、分、秒、星期等报警寄存器中，就有些在设计时没有被使用，只要在设置报警屏蔽寄存器时将不用的报警寄存器屏蔽，对应报警寄存器的数据对报警就没有影响，则可将这些寄存器用于保存数据，只要维持时钟供电，这些数据就不会丢失。
LPC2132有2个高速I2C接口，当需要存储的数据量教大时，可在I2C接口上连接24xx系列EEPROM芯片，使用前，先对相关引脚进行配置，使其具有I2C总线功能，另外，当采用I2C中断时，还要将对应的中断打开，使用比较方便。但在使用I2C时要注意，连续2次I2C总线读或写，要有必要的时间间隔，即必须等前次总线结束时，才能重新启动总线，否则会出错。
4．其它应用技术
在进行硬件设计时要注意：LPC2132的I/O口的灌入电流大于驱动电流，在驱动LED时可考虑采用灌入电流（I/O口输出低电平时LED亮）技术，如果采用此法依然不能满足要求，则可用多个I/O口并联或加驱动电路。
LPC2132内部8路10位A/D转换器，但在使用时，要给I/O口加稳压二极管保护，防止输入的模拟量超限而损坏芯片。
在进行软件设计时要注意：尽量使用位操作指令IOSET和IOCLR控制LPC2132的I/O口，而不要直接操作I/O口寄存器（如IO0PIN或IO1PIN），否则会出现不可预料的结果。
在调试时要注意：LPC2132支持JTAG调试，但因JTAG使用了系统的定时器T0，所以当用户用JTAG进行软件调试时，不能使用定时器T0，否则会出错。
5．应用实例
以LPC2132为核心，设计了生物安全控制柜的控制器，生物安全控制柜是医疗消毒仪器，医疗器械放进安全控制柜，利用紫外线进行杀菌消毒，当消毒完毕，为防止柜内没有被紫外线照射杀死的病毒漂浮出来，要求当柜门打开时，启动送风机和排风机，送风机从室外补充新风，经过滤器后送进安全控制柜。排风机将内部有菌空气经过滤器过滤后排出到室外。并保证安全控制柜内维持一定的负压。
安全控制柜有两种工作模式：操作模式和消毒模式。在操作模式下，允许进行开门、关门动作，允许对照明灯和外接电源插座的控制，但禁止开启紫外灯，而且只要门打开，就自动启动送风机和排风机，只要门关闭，则送风机和排风机立即自动停止；在消毒模式下，只允许对紫外灯开关动作、照明灯和外接电源插座的控制，而禁止开门和启动风机动作。
系统要求实时显示消毒进度，送、排风机的风速，过滤器差压数值，当出现送风风速大于排风风速、消毒时前门开启、过滤器实效等故障时，则进行报警。另外，还需显示当前时钟等。
系统还设有风机、紫外灯、照明、插座、门开、门关、UP、DOWN、LEFT、RIGHT、ENTER按键，用来控制相应的操作和参数设置等。图2为生物安全控制柜的结构框图。
可以看出，整个系统仅需少量的外围电路和驱动电路，性能价格比较高。具体实现方法：采用HONYWELL的24PC系列压力传感器测量控制内部压力，经放大电路放大后送LPC2132的内部A/D转换模块，实现A/D转换，根据检测的压力数据，计算风机的风速及内部压力状态，并执行相应的动作。显示采用192x64图形LCM，显示信息量大。全中文界面，用户操作十分方便。
2.JPG
图2 生物安全控制柜结构框图
6. 结束语
本文作者创新点为设计了LPC2132与液晶的硬件接口电路；提出了汇编语言与C语言混合编程方法；摸索出提高液晶显示刷新速度的设计技术；介绍了LCP2132系统中的参数保存技术和其他应用技术；并将这些技术成功地应用到具体产品设计中。
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