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LPC800前生今世 第六章-开关矩阵(SWM: Switch Matrix)

恩智浦MCU加油站 来源:未知 2023-10-26 09:25 次阅读

总体概述

开关矩阵顾名思义就是一个由多个,甚至多组开关组成的阵列,这个阵列的目的就是把片内外设的输入输出信号线,按照用户的意向,通过编程连接到特定的外部引脚上。

开关矩阵可以为LPC800的使用者带来很多方便和实用的特性:
  • 很多用户都碰到过,设计PCB芯片引脚的顺序与板上的器件不匹配,走线绕来绕去;有了这个开关矩阵,用户可以按照最佳布线要求,安排MCU的功能引出脚。

  • 有些工程师在设计PCB时,由于疏忽或对器件的理解有误,可能会造成连线错误,例如把I2CSDA和SCL搞反了,把UART的TX和RX搞反了等。遇到这种情况,不必割线、飞线、重新设计PCB,只需要在配置开关矩阵时,在代码中按照实际的连线编程配置即可,完全不必改动硬件

  • 用户经常会因为产品升级换代,需要重新设计PCB,但只是做少量的修改或扩充,或者仅仅是更换一个功能更强的MCU,而希望尽可能地保持原有的布局和布线走向不变;开关矩阵同样能满足用户的这个需要。

  • 通常一款MCU都会内置多个及多种外设,例如LPC824的串行通信外设就包含3个USART、4个I2C和2个SPI,即使不计算其它外设(例如SCT、GPIO等)的引出脚,所有这些串行通信外设的引出脚数目,就已经超过芯片总的引脚数目。有了开关矩阵,用户可以按照自己的意愿引出需要的功能,在引脚总数允许的情况下,可以进行随意的功能组合。

开关矩阵也有其局限性,interwetten与威廉的赔率体系 功能和电源/地线引脚不能通过开关矩阵重新分配引出脚;模拟功能具有固定的不能被重新分配的引出脚,但用户可以按照需要关闭引出脚对应的模拟功能,从而腾出该引出脚用于其它数字功能。

1.1 SWM模型特性LPC800全系列的每个型号都标配SWM开关矩阵。

开关矩阵的功能有两个:

  • 把数字外设的输入输出功能自由地分配到指定的外部引脚。能够自由分配外部引脚的功能称为可移动功能。

  • 使能或关闭模拟功能或需要特定电气特性的功能,例如ADC和/或模拟比较器的输入功能,晶体振荡器的输入输出引脚,具有超快速模式的I2C0功能等。对于这些不能自由分配外部引脚的功能,称为固定功能。

下面两张表分别列出了所有可移动功能和固定功能,以及它们在各个系列中的配置情况。* 括号中为LPC81x的信号名称。

wKgaomU5wAOAeHQ2AAL1q6-qZPg167.png表1 可移动功能一览表

上表中列出了所有目前LPC800产品系列的可移动功能信号,可以看出这些信号全部是数字信号右边四列分别是各个系列的配置情况,数字代表所在行的信号在对应的系列中是可移动功能,编号的意义将在1.3节的应用例程中介绍;格中“-”表示对应的系列没有这个信号。

I2C0_SDA和I2C0_SCL这两个信号只在LPC81x中是可移动功能,在其它系列中都是不可移动的。LPC82x和LPC84x的其它I2C模块,I2C1~3的信号是可移动功能信号。

这里需要注意的是,在LPC81x系列中,I2C0_SDA和I2C0_SCL这两个信号是可移动的,但只有把它们安排在PIO0_10和PIO0_11引脚时,才能达到超高速(1Mbit/s),移动到其它的引脚时只能实现最高400 kbit/s的速率。

固定功能信号分两类:数字信号和模拟信号;这样的区分将涉及到信号间互联的策略,本章后面的段落将讨论这个策略。* 对应的信号与其它信号复用相同引脚。

wKgaomU5wAOAO3J6AAID1SDlpyM335.png表2固定功能一览表

表2中右边四列分别是各个系列的配置情况,数字代表所在行的信号在对应的系列中是否有该功能,编号的意义将在1.3节的应用例程中介绍;格中“-”表示对应的系列没有这个信号。

每一个可移动功能,可以被分配使用任意一个引脚。而固定功能只能使用芯片指定的引脚。GPIO的输出端口也只能使用芯片指定的引脚。

下面是LPC80x的可移动功能和固定功能列表,这个新的子系列的SWM寄存器排列与其它系列略有不同,但不会影响用户的使用。

wKgaomU5wAOAOStnAAJBvvcgBiI986.png表3LPC80x可移动功能一览表

* 对应的信号与其它信号复用相同引脚wKgaomU5wAOABDV4AAFDP8TQN4Q257.png    4LPC80x固定功能一览表

另外,在LPC804中的PLU模块共有6个输入端和8个输出端,它们也是可移动功能,但不能向其它可移动功能那样可以被任意地分配到任一个引脚,每个PLU的输入/输出端分别只能在PINASSIGNFIXED0寄存器中被分配到3个引脚,如下表:

wKgaomU5wASAJRqpAABBDehciZk970.png

每个PLU的信号在PINASSIGNFIXED0寄存器中占据2个二进制控制位,具体配置方法请参考用户手册。

1.2 SWM模块的内部构成1.2.1 模块框图

下面这个框图来自LPC800的用户手册:

wKgaomU5wASAeY-UAAElORvVzt4320.png图1.开关矩阵(SWM)框图

这个图全面地描绘了开关矩阵与各个内部外设、连接外部引脚的焊盘、GPIO模块以及引脚中断单元之间的关系。这张图只画出了一个外部引脚和与之对应的内部结构,其它引脚及内部结构和这张图基本一样;以LPC824封装为HVQFN33的芯片为例,它有29个GPIO引脚,则其内部就有29套上图这样的电路。

对于某些不具备模拟功能的引脚,它们的片内结构将不包含上图中的模拟部分(黄色区域)。

wKgaomU5wASAcVuyAABN9DJ1uoE292.png

按照用户手册的功能描述,可以把LPC824的最大引脚封装的开关矩阵,用图2示意性地展现出来。这张图清晰地展示了一个完整的开关阵列(矩阵)的结构;此图只是一个帮助理解和记忆的示意图,并不代表芯片内部的真实电路。图中左边一列的PIO0_0~PIO0_28表示外部引脚,而右边一列的PIO0_0~PIO0_28表示GPIO模块的内部输出端。

wKgaomU5wASAZaEWAAYACWlOpAI966.png图2.LPC824的HVQFN33封装内部开关矩阵完整示意图

下面把SWM的功能分成三个组,分别进行介绍。(注:这里的分组只是为了方便说明,实际在芯片手册中并没有此类分组)

1.2.2 固定功能开关组

上图左侧以黄色标注的一组开关,可以称它为固定功能开关组,每一个开关旁边,都用黄字标示该开关对应的固定功能信号。这组开关中,在芯片复位后,多数开关默认为断开固定功能与外部引脚的连接;但有三个信号特殊,在芯片复位后,SWDIO、SWCLK和RESETN对应的开关将这三个信号连接到外部引脚上。

另外PIO0_1对应的固定功能信号有一个模拟功能(ACMP_I2)和一个数字功能(CLKIN);PIO0_6、PIO0_14和PIO0_23,分别对应两个固定功能模拟信号;这些信号的连接示意图如下。

wKgaomU5wASACbyMAAB4EIwi3QM843.png      图3.LPC824的复用固定功能模拟信号开关示意图

▲固定功能开关组:决定需要把某个固定功能信号连接到对应的外部引脚,这组开关是一对一的;以LPC82x为例,表2列出了25个固定功能,其中有四对固定功能信号复用输入引脚,因此共有25个固定功能开关。(注:LPC82x中最大配置的芯片有25个固定功能,其它芯片中固定功能则少于这个数目)
模拟的固定功能信号对应的开关是排他性的,当对应的模拟信号连接到外部引脚时,其它任何信号不能再连接到该引脚;数字的固定功能信号对应的开关,用于把使能的信号连接到对应的引脚,但不排斥其它可移动功能也连接到这个相同的引脚。

wKgaomU5wASAe1f5AADGgzMmoOc379.png                图4.固定功能开关组(模拟信号)示意图

wKgaomU5wAWAOR0fAACMrh8W6uI883.png 图5.固定功能开关组(数字信号)示意图

引脚使能寄存器0(PINENABLE0)中的每一位,对应图4或图5所示的一个开关。

图2中部兰色阴影框起来的部分,可以称为可移动功能开关组。在这个纵横矩阵中,每个交叉点都是一个开关;每列(纵向)只能有一个开关闭合;每行(横向)可以有多个开关闭合;复位后所有开关默认为断开。

▲可移动功能开关组:该组开关决定需要把某个可移动功能信号连接到哪个外部引脚。表1的第一列的每一个可移动功能,都对应这样的可移动功能开关组;表1列出了48个可移动功能,也就是说芯片内部实现了48个这样的开关组。(注:最大配置的芯片有48个可移动功能,其它芯片中可移动功能数目可参看表1)

wKgaomU5wAWAJzhhAADP89amWx0719.png图6.可移动功能开关组(共48组)示意图A

每个引脚分配寄存器0~11(Pin assign register)都有4个字节,每个字节控制上图所示的一个可移动功能开关组,即每个引脚分配寄存器控制四个可移动功能信号的引脚分配。

wKgaomU5wAWAFWUuAAE41P3xBus772.png图7.可移动功能开关组(共48组)示意图B

上图是图6的另一种画法,虚线框起来的一组开关,由引脚分配寄存器的对应字节控制,任何时候,只能有一个开关闭合或所有开关断开。

图2右侧以橘红色标注的一组开关,称为GPIO开关组。当其中任一开关闭合时,对应的GPIO输出端口已固定功能开关的状态,将有可能连接到外部引脚。当某个开关K所在行中有任意一个开关闭合时,这个开关K会自动断开,很显然这样可以避免GPIO模块的输出与可移动功能信号相互冲突。

▲GPIO开关组:该组开关决定是否要把GPIO模块的某个端口输出到对应的引脚。

wKgaomU5wAWAPObdAABYuQwVVbY218.png图8.GPIO开关组示意图

将GPIO模块的某个端口的输出连接到外部引脚的条件有两个:一是没有任何作为输出的可移动功能分配到对应的引脚;二是没有使能对应的固定功能,例如:如果要输出GPIO模块的PIO0_6信号,则应该关闭对应的固定功能ADC_1和VDDCMP。

从图1可以看出,每个引脚都有两个内部连接点(焊盘),分别处理数字信号和模拟信号;实际使用中,对IOCON(输入输出配置)模块的设置决定数字焊盘的输入输出特性;而使用数字焊盘还是模拟焊盘与外部引脚相连接,则由开关矩阵决定;当在开关矩阵中使能了某个端口的固定模拟功能,则该外部引脚将使用模拟焊盘;其它情况下,不论引脚是分配了可移动的功能信号,还是固定功能的数字信号,或是GPIO的输出端,该外部引脚都是对应数字焊盘的信号。

1.2.3 开关矩阵的使用特性

从图2和以上的描述,可以总结出以下一些特性:

■一旦使能某个固定模拟功能时,该功能将占用对应的引脚,所有其它任何信号都不能使用该引脚。

■当使能某个固定数字功能信号时,其他的可移动数字信号,也可以被分配使用该引脚,即多个信号线在芯片内部是互通的。例如使能了CLKIN输入功能后,还可以分配一个或多个SCT的输入端至相同的引脚,这样CLKIN信号也同时输入至SCT中。

■如果某个引脚对应的固定功能未使能时,一个或多个可移动功能可以被分配使用该引脚;当没有任何可移动功能使用该引脚时,对应的GPIO输出端口将能够取得该引脚的控制权。使用GPIO输出功能时,需要关闭对应的固定功能并且没有任何可移动功能使用对应的引脚。

■一个或多个可移动功能可以被分配使用相同的引脚,但其中只能有一个可移动输出功能(包含双向功能信号)。多个可移动输入功能可以使用同一个引脚;例如多个SCT的输入端可以使用同一个引脚,这样可以用一个外部信号同步SCT的多组定时。

■当可移动输入功能与某个可移动输出功能被分配到同一个引脚时,这些输入功能将接收前述输出功能的信号。使用者可以用这个特性实现很多环回的操作;例如把USART的RXD和TXD信号通过此方式连接,实现自循环。

■不管引脚连接到哪种数字功能信号(固定数字功能、可移动功能或GPIO模块),GPIO模块的输入端都始终与它对应的引脚连接,GPIO输入寄存器将反映引脚的数字电平状态。

■当任意模拟信号被分配使用外部引脚,该引脚的模拟焊盘被使能,同时数字焊盘将被断开。

■当任意数字输出信号被分配到外部引脚,该引脚的数字焊盘被使能。

■只要引脚的数字焊盘被使能(未断开),对应的引脚中断就会有输入信号,即该引脚的输入信号(如果被使能的话)将可能触发引脚中断。

下面这个简单的流程图,以另一种方式描述了开关矩阵的用法。wKgaomU5wAWAerDCAAOCUFgnWfg713.png图9.开关矩阵的使用

1.3 开关矩阵的应用例程下面将以两个例子展示如何使用开关矩阵:

第一个例子是使用SCT在板载LED灯上实现一个呼吸灯(SCT的呼吸灯不是本章重点,将不做注解),然后通过改变开关矩阵的设置,实现一组LED灯的轮流显示。

第二个例子是使用LPC824的开关矩阵,把芯片上的两个USART模块进行对接,实现一发一收而不需片外连线。

1.3.1 设置开关矩阵的函数

开关矩阵的设置是通过一组32位寄存器PINASSIGN[n],和一个32位寄存器PINENABLE0实现。

寄存器PINENABLE0中的每一位,是对应的固定功能的使能位,即图4或图5中的一个开关;表2最右边三列中的数字,分别是每个系列中各个固定功能信号使能位在寄存器PINENABLE0中的索引号。

对于PINASSIGN[n] 寄存器组,我们把它相像成一个字节数组,每个字节对应图6或图7所示的一个可移动功能开关组,即每个字节对应一个可移动功能,这个字节中填写的内容就是该功能被分配到的引脚编号。表1最右边三列中的数字,分别是每个系列中各个可移动功能信号,在上述字节数组中的索引号。例如在LPC82x和LPC83x系列中,功能SCT_OUT0的索引号是31,由于每个PINASSIGN寄存器里有四个字节,所以SCT_OUT0的配置字节是PINASSIGN[7]的第三个字节,即位24~31,如下图:wKgaomU5wAWAWamMAAA_RQorYTA826.png

读者可以方便地使用下面这个函数设置可移动功能信号。

wKgaomU5wAaAOf-QAABzlU3hgxw186.png代码片段1.置可移动功能信号引脚的函数

这个函数简化了SWM寄存器的配置,以后会经常用到。

1.3.2 设置开关矩阵简例

■例1:使能I2C0的两个信号。

在LPC82x和LPC83x中,I2C0的两个信号是固定功能,需要使用PINENABLE0使能,分别使用P0_11和P0_12两个引脚:wKgaomU5wAaAIhwyAABOVFezh7s653.pngLPC81x中,I2C0的两个信号是可移动功能,可以使用上一节的函数设置引脚分配。wKgaomU5wAaAJkPAAABOxud1zoc667.png

■例2:使能CLKIN输入功能,同时把这个信号作为所有SCT的输入。这个例子演示了把多个可移动功能分配至同一个引脚,同时使能这个引脚的固定功能。

wKgaomU5wAaAJpagAAC673Xrgrs714.png

引脚P0_1是固定功能CLKIN对应的引脚,使能CLKIN后P0_1即成为它的输入引脚,再把所有SCT的输入端也分配使用这个输入脚,这样输入信号也同时同步地导入至所有SCT的输入端。

1.3.3 通过开关矩阵实现呼吸灯的轮转

在LPC824-Lite开发板上共有八个LED灯,这部分线路图如下:

wKgaomU5wAaAGFQyAAC1gNTTLok945.png

从上图中可以看出,八个LED灯分别连接到MCU的P0_7、13、16、17、19、27、28、18引脚上。

本例程使用LPC824的SCT产生一个PWM波形,当这个PWM信号输出到某个LED时,对应的LED就会忽明忽暗地显现呼吸灯的效果。例程中通过开关矩阵(SWM),在不改变任何SCT配置的情况下,实现轮流逐个点亮LED灯的效果。在此基础上,通过变换GPIO输出,实现另一个LED灯的闪烁。

本例程可以让读者体会到,在不改变信号源的配置的情况下,仅改变SWM的配置即可改变信号的输出引脚;作为对比,GPIO的输出是不能通过开关矩阵改变输出引脚的,LED灯的闪烁操作则必须通过改变对应的GPIO输出状态,才能改变输出引脚的状态。

下图是SCT的PWM波形轮流输出至八个LED灯的示意图。

wKgaomU5wAaAPbYtAACYk17Q_lU119.png图10.轮流输出PWM信号至八个LED灯的示意图

为了实现呼吸灯的效果,即LED灯逐渐地由暗变亮,再逐渐地由亮变暗,需要控制输出PWM波形的占空比,从100%(全灭)逐渐减少至0%(全亮),再从0%逐渐增加到100%。

本例程使用SysTick和几个全局变量控制PWM占空比的改变和时序。

wKgaomU5wAeATDZdAAAxENMvk-s112.png

wKgaomU5wAeATouyAAC32UCm7zo676.png代码片段2.SysTick中断处理函数——改变PWM占空比

SysTick的中断处理函数的操作非常简单,每次进入都会改变输出占空比;改变的速度快慢是由SysTick的设置决定。

下面代码就是主程序部分。

wKgaomU5wAeAKDiNAAEAyb1zosk541.png代码片段3.开关矩阵实现呼吸灯轮转主程序

初始化完所有用到的资源后,在主循环中有两个操作,其一是当SCT输出的占空比达到100%,转换SCT输出的外部引脚,实现呼吸灯的轮转;其二是使用GPIO输出控制另一个LED灯的闪烁。

数组LED_Pins[8],是为了方便程序轮流操作八个LED灯;数组中存放了每个灯对应的引脚编号。

用GPIO输出,实现LED灯闪烁的实现代码如下。

wKgaomU5wAeAEU6pAABxvIk35n4789.png代码片段4. GPIO实现LED灯闪烁

函数Toggle_LED_Pins()的作用就是定时变换LED灯的亮或灭,实现闪烁的效果。该函数以呼吸灯信号的占空比为定时依据,实现LED循环闪烁:

wKgaomU5wAeAP9YjAAArmvR9ew0776.png

上述LED_On和LED_Off是两个宏定义,直接控制GPIO输出端口的状态:

#define LED_On(led) LPC_GPIO_PORT->CLR0 = (1<<(led))

#define LED_Off(led) LPC_GPIO_PORT->SET0 = (1<<(led))

1.3.4 两个USART模块对接

这个实例演示了通过开关矩阵实现片内外设模块的互连,完成互相通信。

LPC800的每个USART模块都可以实现同步的串行传输,即比普通的异步传输多一条时钟信号线。本实例配置USART1作为发送方,配置USART2作为接收方,需要分别连接三个信号线,如下图:

wKgaomU5wAeAN0EtAAA4v0jdHYg748.png

通过开关矩阵的配置,上述连接可以在芯片内部直接实现。如果不需要连接其它外设,用户不必再对开发板进行任何改动。

下图是开关矩阵的配置代码, USART1和USART2的初始化代码和通信的测试代码不在此说明。wKgaomU5wAiAHTK8AACt4oNIEDs017.png 代码片段5.为USART1和USART2配置输入输出引脚

读者在运行这个例程时,可以尝试更改上述06~11行代码,分别把USART1和USART2的三个信号配置到不同的引脚,然后再在开发板上把对应的信号短接,以此体会开关矩阵在内部信号互连的特点。

在实际的项目开发中,用户可以使用开关矩阵的这一特性,配置本项目中没有用到的片内模块,对那些对外通信的模块实行适当的监测,在不干扰正常通信并且不增加任何外部硬件的情况下,提供更多的调试跟踪手段。

1.4注意事项

开关矩阵的使用相当简单,但有以下几点需要注意的:

1. 配置开关矩阵时,必须先打开SWM的时钟,配置完成后,可以关闭SWM的时钟节省功耗。

2. 不能把多于一个的输出功能或双向功能信号,分配至同一个引脚上。

3. 只要引脚不是模拟功能,不管是输出功能还是输入功能,对应的GPIO输入端始终连接到引脚,这样通过GPIO端口随时可以读出引脚的电平状态。同时,如果在SYSCON中选择了该端口作为中断触发源,该引脚将可能触发中断,尤其当该引脚为数字输出功能时,芯片内部的输出信号也会触发中断。

通过开关矩阵SWM能够实现一个输出对多个输入信号的链接,这是通过把输出信号送到引脚上,再通过引脚的输入端口“穿回”到芯片内部。如果选择了模拟信号,那么只有模拟信号送到引脚上,数字信号不能送到引脚上,否则就会干扰模拟信号。而且这时候数字输入的那部分也是关闭的。如果不是最大封装,那些没封出来的引脚是可以用来做这种穿回,来实现内部信号互联。

END

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