基于STM32的报警显示系统设计

张文新（广州海格通信集团股份有限公司，广州　510663）

基于STM32的报警显示系统设计

张文新
（广州海格通信集团股份有限公司，广州510663）

介绍一种以STM32F103VE芯片为主控制器，以FPGA芯片为时序逻辑控制器，以AD9985A芯片为模数转换器的实时报警显示系统。该系统硬件架构简单，可靠性高，可灵活应用于各种需要人机交互使用环境的工业级数据采集系统中，应用前景广泛。

报警显示系统；STM32F103VE；AD9985A；人机交互

0　引言

报警显示系统作为数据采集系统中的一个独立子系统，是保障整个数据采集系统稳定可靠运行的重要人机交互设备。其一方面可以实时显示上位主机传送过来的数据图像，并在上位主机的控制指令下，实现声光报警动作；另一方面还可以通过人为操作其功能按键，实现报警显示系统与上位主机间的指令交互，完成显示画面切换、显示参数调整、屏幕解锁、消音等功能操作，实现实时的人机交互功能。

本文介绍了一种以STM32F103VE芯片为主控制器、以FPGA芯片EP3C10F256为时序逻辑控制器、以AD9985A芯片为模数转换器的实时报警显示系统。该系统可将输入的VGA模拟视频图像实时转换为24bits RGB数字图像进行输出显示，支持最大 1280× 1024@75Hz的图像分辨率；同时具有CAN总线接口和RS-422维护接口，用以实现报警显示系统与上位主机间的通信及系统调试、维护。该系统硬件架构简单、可靠性高，应用前景广泛。

1　系统组成说明

整个报警显示系统由结构部分、硬件部分及软件部分组成。其中结构部分采用金属铝制材料配合橡胶垫进行防水设计，整体重量小于500g；硬件部分由主控板、按键板、液晶显示屏组成，且均采用三防设计，有效提高系统的可靠性；软件部分采用VHDL语言和C语言进行程序设计，简单、可读性好，便于升级和维护。

2　系统硬件设计

系统硬件主要由主控板、按键板及液晶显示屏组成。系统硬件的组成框图如图1所示。

图1

图中，主控板是硬件系统的核心控制板，按键板是硬件系统的输入设备，液晶显示屏是硬件系统的显示设备。通过主控板各输入、输出接口，实现上位主机与报警显示系统及报警显示系统内部各组成单元的互联。

2.1主控板设计

主控板是整个报警显示系统的核心控制板，其主要功能是通过VGA视频输入接口接收上位机发送过来的实时VGA数据图像，并通过RGB数字图像输出接口驱动TFT-LCD液晶显示屏进行实时数据图像显示；通过CAN总线接口实现与上位机的实时通信；通过RS-422接口完成报警显示系统的调试和维护操作；通过键盘接口实现与按键板互联，进而实现人机交互功能。主控板的硬件设计原理框图如图2所示。

由图2可知，主控板主要由电源转换电路、AD9985A模数转换电路、FPGA时序逻辑控制电路、STM32F103VE核心处理电路、TFT-LCD液晶屏显示驱动电路及背光灯驱动电路、CAN通信接口电路、RS-422通信接口电路、报警电路、电源自检电路组成。

（1）电源转换电路设计

本报警显示系统的外部输入电源为DC24V，无法为系统中的各组成单元电路直接使用，因此必须设计相应的电源转换电路。本系统电源转换电路共提供9路独立输出电源供系统各组成单元使用，分别为1路DC5V电源、4路DC3.3V电源、1路DC1.2V电源、1路DC2.5V电源及2路DC12V的恒流源输出电源。电源转换电路硬件设计原理框图如图3所示。

本设计中首先通过DC/DC电源转换芯片LTM8032MPV将DC24V转换为DC5V电源输出，再通过LDO芯片LM1085-3.3、REG1117-3.3及恒流源芯片LTM8042IV将DC5V电源分别转换为DC3.3V电源和DC12V、250mA恒流源输出。FPGA芯片所需的DC2.5V电源和DC1.2V电源则通过LDO芯片LT1763CS8-2.5 和LT3021ES8-1.2、将LM1085-3.3输出的DC3.3V电源作为输入电源而转换得到。

电源转换电路中选用的LTM8032MPV芯片支持3.6V～36V的电压输入、0.8V～10V的电压输出范围，最大支持2A输出电流，且最高输出效率可达95%，因此可在实现DC24V电源转换为DC5V电源输出的同时，有效降低电源转换功耗，提高输出效率。芯片LM1085-3.3、REG1117-3.3、LT1763CS8-2.5和 LT3021ES8-1.2均为LDO芯片，可为负载提供稳定供电电源。LTM8042IV为升压型 LED恒流源驱动器，可通过PWM方式及外置电阻控制输出电压及电流大小，最高支持1A的输出驱动电流，满足设计需求。

（2）AD9985A模数转换电路设计

图2

AD9985A模数转换电路用于实现将输入的模拟VGA信号转换为24bits RGB数字图像信号及行频信号、场频信号，输出给后级FPGA时序逻辑电路进行处理。

图3

本系统中，该电路以AD9985A芯片为核心处理器进行设计。AD9985A芯片是ADI公司生产的一款工业级、且具有24bits、140MSPS转换率、300MHz带宽的单模拟通道视频模数转换芯片，可最高支持 1280× 1024@75Hz的图像分辨率。该芯片集成度高，仅需外扩部分阻容器件、并在初始上电期间进行简单的寄存器配置操作，即可实现电路功能设计，应用十分简单。

本设计中，采用STM32F103VE芯片通过I2C接口对其进行初始化配置，完成如图像分辨率、充电泵寄存器数值配置等设置。

（3）FPGA时序逻辑控制电路设计

FPGA时序逻辑控制电路以ALTERA公司生产的CycloneⅢ系列芯片EP3C10F256为核心处理器，并外扩4Mbits容量、SPI串行接口的FPGA配置存储器芯片EPCS4SI8N进行设计。该电路一方面通过接收AD9985A芯片输出的24bits RGB数字图像信号及行频信号VGA_HS_out、场频信号VGA_VS_out，缓冲并计算输出TFT-LCD液晶显示屏显示所需的640×480分辨率数字图像信号及显示使能控制信号LCD_EN；另一方面也通过I2C接口、在STM32F103VE芯片的控制下，实现显示自检功能，验证图像显示电路的工作状态是否正常。当EP3C10F256芯片工作不良时，可通过STM32F103VE对其进行复位操作，重新启动工作。

本系统中，设计EP3C10F256芯片的全局输入时钟为8MHz，因此采用EP3C10F256芯片内部的PLL锁相环电路将其倍频为640×480分辨率数字图像所需的25.2MHz像素时钟作为内部时序设计参考时钟，完成显示图像输出功能。FPGA程序调试采用JTGA方式，配置存储器芯片EPCS4SI8N的程序烧写采用AS模式实现。

（4）STM32F103VE核心处理电路设计

STM32F103VE核心处理电路是报警显示系统的控制核心，其一方面通过配置AD9985A芯片和控制EP3C10F256芯片，实现将输入的模拟VGA视频信号转换为RGB数字图像信号，并通过TFT-LCD液晶屏显示出来；另一方面通过其CAN总线接口、RS-422通信接口、键盘接口，实现报警显示系统与上位主机间的实时交互，实现如显示数据实时变化、切换显示页面、显示参数调整、解锁屏、声光报警等功能。

本系统中，核心处理电路以ST公司生产的低功耗处理器STM32F103VE芯片为核心处理芯片进行设计，该芯片采用ARM 32-bit Cortex-M3内核，工作主频最高支持72MHz。其具有丰富的外设接口及内置存储器空间，包括512KB的Flash存储器、64KB的SRAM存储器及8个定时器、3个SPI外设接口、2个I2C外设接口、5个 USART串行接口、1个 USB2.0接口、1个CAN2.0B接口、1个SDIO接口、80个GPIO接口、5个12-bit ADC接口。因此，采用该芯片仅需简单外扩复位电路、BOOT配置电路、时钟电路、电源供电电路即可实现本系统核心处理电路的设计要求。

本系统核心处理电路中，自动复位电路采用Maxim公司生产的MAX706TESA进行设计，可上电自动发出周期约为1s～2s、低电平在（200±50）ms范围内的脉冲复位信号；手动复位电路采用单刀常开可自恢复式开关接地设计，两组复位电路输出信号在STM32F103VE芯片的复位信号输入端口NRST端并行接入使用。

BOOT配置电路采用硬件配置的方式进行设计，即STM32F103VE的BOOT0和BOOT1管脚均下拉10kΩ电阻接地，配置为低电平，使得STM32F103VE的BOOT方式为Flash启动模式。

时钟电路采用8MHz有源晶振配合5通道输出时钟发生器CY2305SI-1进行设计，其中8MHz有源晶振作为时钟源输出8MHz时钟给时钟发生器CY2305SI-1芯片，CY2305SI-1芯片将输入的8MHz时钟扩展为5路零延迟的并行8MHz时钟源输出。本设计中只选用两路使用， 分别用于 STM32F103VE芯片和EP3C10F256芯片的全局工作时钟。

STM32F103VE核心处理电路的工作电源为DC3.3V，由电源转换电路提供。

（5）TFT-LCD液晶显示屏驱动电路设计

为了保证显示系统可靠、稳定运行，本设计中在FPGA时序逻辑控制电路与TFT-LCD液晶显示屏间之间增加了液晶显示屏驱动电路进行电气隔离，采用8路总线收发器SN74LVCC3245ADBR芯片进行设计。该电路在提高液晶显示屏驱动能力的同时，也保证了EP3C10F256芯片与TFT-LCD液晶显示屏的安全、可靠工作

（6）TFT-LCD液晶显示屏驱背光灯驱动电路设计

由于本系统选用的液晶显示屏为TFT-LCD屏，因此需要设计相应的LED背光灯驱动电路。

本系统中所用液晶显示屏背光灯的典型工作电流为250mA，工作电压为DC12V，因此选用Linear公司的LTM8042IV进行设计，该芯片可以提供最大1A的驱动电流，支持DC3V～DC30V的输入电压范围，满足设计需求。

（7）CAN通信接口电路设计

CAN通信接口电路用于实现报警显示系统与上位主机通信接口的物理电气连接及数据通信。

由于本系统中所选核心处理器STM32F103VE本身集成CAN总线控制器，因此CAN通信接口电路仅需选用物理层收发器进行相应设计即可。本设计方案中，选用2500Vrms/min耐压值、符合ISO11898标准的ADM3053隔离驱动器进行CAN通信接口电路设计，可最高支持1Mbits的数据传输率。

（8）RS-422通信接口电路设计

RS-422通信接口电路用于实现对报警显示系统的调试与维护操作。本设计方案中，采用美信公司生产的MAX3490芯片进行相应设计，该芯片支持DC3.3V工作电压，最高支持10Mbits数据传输率。

（9）报警电路设计

报警电路用于实现报警显示系统的声音报警功能。本设计方案中选用台湾志丰公司生产的KSSGH5B43型有源蜂鸣器作为声音发生器件，采用三极管2SC1741AS作为蜂鸣器工作驱动芯片进行设计，其驱动脉冲由STM32F103VE芯片提供。所选蜂鸣器的工作电压为DC5V，其典型工作频率3.1KHz，输出声压典型值90dB。

（10）电源自检电路设计

电源自检电路用于实现各路供电电源的实时自检，保证系统的稳定、可靠运行。

本设计方案中，首先将报警显示系统中的各路供电电源均转换为0V～DC3V之间，然后通过模拟转换开关进行各路切换，送STM32F103VE的AD接口，进行实时检测，完成自检功能。其中高于DC3V的供电电源，如DC24V、DC5V、DC3.3V采用电阻衰减电路将其调制到0V～DC3V之后，再送后级电路采集检测；对于0V～DC3V之间的供电电源，则直接送后级电路采集检测；对于250mA恒流源则采用先连接模拟开关，在通过电阻衰减电路的方式，将电流信号转换为电压信号后送STM32F103VE的AD接口进行检测。

本电路中所用模拟开关为Maxim公司生产的工业级8选1低阻抗模拟复用器MAX14752EUE芯片，该芯片导通电阻典型值60Ω，导通电阻平坦度为0.03Ω。

数据仓库，是多个数据源的集合。数据从分散的数据库中抽取，经过清理、加工、汇总、整理，在数据仓库中集中存放。数据仓库是出于数据挖掘与决策支持的目的而创建的，所涉及的操作主要是查询，通常只需要与数据库定期同步即可。

2.2按键板设计

按键板作为报警显示系统的输入设备，用于完成对报警显示系统的控制操作。本设计中共设置了5个功能按键，分别为解锁屏键、上翻键、下翻键、消音键和确定按键。

为了节约I/O端口资源，按键板采用1线式方案进行设计。即按键板硬件电路采用主控板电源转换电路输出的DV3.3V电源为基准电源，分别串接5组独立的单刀常开可自恢复式开关及电阻进行设计，5组开关电路的输出端并联在一起，经电压射随器输入到STM32F103VE的AD输入端口。当按下不同的按键时，由于各路开关串接的电阻不同，会使得输入到AD端口的电压不同，从而实现对不同按键的识别。

本设计中，各按键以DC360mV为步进电压进行设计，即5个按键分别对应的电压值为0V、DC360mV、DC720mV、DC1080mV、DC1440mV。当无按键按下时，默认输出电压为DC1.8V。

2.3液晶显示屏选型

3　系统软件设计

系统软件设计包括FPGA程序设计及STM32F103VE程序设计，其中FPGA程序采用VHDL语言进行设计，STM32F103VE程序采用C语言进行设计。

3.1FPGA程序设计

本设计中的FPGA程序采用层次化的设计方法进行设计。首先采用VHDL语言进行底层模块设计，然后通过原理图输入法将各个底层模块进行综合，进而实现整个时序逻辑控制功能，FPGA程序设计流程框图如图4所示。

3.2STM32F103VE程序设计

本系统的控制核心选用ST公司生产的32位ARM内核处理器STM32F103VE进行设计，其软件程序设计流程框图如5所示。

4　结语

本文介绍的报警显示系统，硬件架构简单，运行稳定、可靠，可灵活应用与各种需要人机交互使用环境的工业级数据采集系统中，具有良好的应用前景。

图4

图5

［1］ST Microelectronics Corporation.STM32F103xC/STM32F103xD/STM32F103xE Datasheet.2009（9）.

［2］Altera Corporation.CycloneⅢDevice Handbook，Volume 1 Datasheet.（2012-8）.

［3］Altera Corporation.CycloneⅢDevice Handbook，Volume 2 Datasheet.（2012-8）.

［4］KOE JDI Group Kaohsiung Opto-Electronics Inc.，TX13D200VM5BAA Techincal Data.（2013-11-1）.

［5］Analog Devices，Inc.，AD9985A Datasheet Rev.0.

［6］Analog Devices，Inc.，ADM3053 Datasheet Rev.0.

［7］Maxim Integrated Products，Inc.，MAX706P/R/S/T，MAX706AP/AR/AS/AT，MAX708R/S/T Datasheet Rev.5.

［8］Texas Instruments Incorporation，SN74LVCC3245A Datasheet.SCAS585O-NOVEMBER 1996-REVISED MARCH 2005.

［9］Liner Technology Corporation，LTM8032 Datasheet.2009.

［10］Liner Technology Corporation，LTM8042 Datasheet.2010.

Warning and Display System；STM32F103VE；AD9985A；Human-Computer Interaction

Design of Warning and Display System Based on STM32

ZHANG Wen-xin
（Guangzhou HAIGE Communications Group Incorporated Company，Guangzhou 510663）

Introduces a kind of Warning and Display System，in this system，the chip that STM32F103VE is the operation core，FPGA is the control component of timer and logic，and AD9985A is the analog to digital converter.The hardware design of this system's is simple，and reliability is high.It can be flexibly applied to all kinds of industrial data acquisition system which requires the human-computer interaction using environment，and has a wide application prospect.

1007-1423（2016）20-0085-06

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.20.017

张文新（1978-），男，吉林蛟河人，硕士，工程师，研究方向为数据采集、图像处理、ATE测试设备、通信技术等方面产品的研发及设计工作

2016-07-09

2016-07-13