电子系统综合设计PSoC.doc

1、实验名称及要求1.1 实验名称简易数字电压表设计1.2 实验任务 对此次设计作品的方案选定：采用PSOC3作为核心；采用内部AD作为电压测量计；采LCD1602字符液晶作为显示模块；使用四个开关来控制；蜂鸣器和LED的闪烁用作报警；一个串口用于通讯。1.3 实验系统要求（1）测量电位器输出电压，显示在LCD第一行，保留1位整数，2位小数，单位“V”；（2）通过按键设置电压报警上下限，显示在第二行。保留1位整数和2位小数。下限最小值0.5V，上限最大值5V。设置步进0.06V，上限必须大于下限；（3）当测试电压低于下限或大于上限时，蜂鸣器产生报警声，同时LED闪烁。要求报警声音和LED闪烁有区别1.4 实验设备及环境微机一台 PSoC Creator软件；PSoC3实验操作板；USB连接线一根；9V电压源一台；电压连线1根；导线若干根。 2、背景知识介绍2.1 PSoC简介 可编程化系统单芯片（PSoC），是一种可编程化的混合讯号阵列架构，由一个芯片内建的微控制器（MCU）所控制，整合可组态的类比与数位电路，内含UART、定时器、放大器（amplifier）、比较器、数位类比转换器（ADC）、脉波宽度调变（PWM）、滤波器（Filter）、以及SPI、GPIO、I2C等元件数十种元件，协助客户节省研发时间。Altera、Atmel、Xilinx、Lattice皆有推出PSoC产品。实现PSoC有两种方法：利用 FPGACPLD；另一是在ASIC中加入可编程模组。凭借其独特的可配置模块阵列， PSoC3 成为一个真正的系统级解决方案，可在单个芯片中提供微控制器单元（MCU）、存储器、模拟和数字外设功能。CY8C32 系列提供了一种新型的信号采集、信号处理和控制方法，并具有高精度、高带宽和高灵活性等特点。其模拟功能涵盖了从热电偶信号 （接近直流电压）到超声波信号的广泛信号范围。CY8C32 系列可以处理数十个数据采集通道和模拟输入，这在每个通用输入/输出（GPIO）引脚上都可实现。CY8C32 系列还是一个高性能的可配置数字系统,部分器件具有USB、多主控内部集成电路（I2C）等接口。除了通信接口之外，CY8C32 系列还具有易于配置的逻辑阵列，至所有 I/O 引脚的灵活走线，以及高性能的单周期 8051 微处理器内核。借助 PSoC Creator 这一基于层级的原理图设计输入工具，您可使用丰富的预建组件和布尔基元库来轻松创建系统级设计。使用 CY8C32 系列不仅可以实现模拟和数字材料表的集成，而且只需通过简单的固件更新，即可轻松纳入最新的设计变更。2.2 LCD模块工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。在PSOC中，字符 LCD 组件包含一组库例程，通过这些库例程易于使用遵循 Hitachi 44780 标准 4 位接口的一行、两行或四行 LCD 模块。该组件提供 API 用于实现水平和垂直条形图，您也可以创建和显示自己的自定义字符。使用字符 LCD 组件可向产品用户，或在设计和调试过程中的开发人员显示文本数据。2.3 PSOC中的串口模块UART 提供异步通信，常用串行异步通信设备为 RS232 或 RS485。UART 组件可配置为全双工、半双工、单接收 RX 或单发送 TX 通信方式。所有通信方式都提供相同的基本功能。它们之间的差异仅在于使用的资源量。为了帮助处理 UART 接收和传送数据，提供了独立大小可配置的缓冲区。SRAM 中的独立循环接收和发送缓冲区和硬件 FIFO 缓冲区可确保数据不会被遗漏。这种机制有利于 CPU 利用更多的时间处理关键的实时任务而不是专职服务 UART。在多数应用中，可通过选择波特率、奇偶校验、数据位数以及起始位数轻松配置 UART。RS232最常见的配置通常列为“8N1”（全称为八个数据位、无奇偶校验、一个停止位）。这是 UART组件的默认配置。因此，在多数应用中只需设置波特率。UART 的第二个常见用途是用于多节点RS485 网络。UART 组件支持带有硬件地址检测功能的 9 位寻址模式，以及用于在传输过程中控制 TX 收发器和输出的使能信号。UART 具有悠久的历史，因此随时间推移产生了许多物理层和协议层的接口形式。这些接口形式包括（但不限于）RS423、DMX512、MIDI、LIN 总线、传统终端协议和 IrDa。为了支持常用的UART 接口形式，UART 组件支持对数据位数、停止位数、奇偶校验、硬件流控制以及奇偶校验生成和检测的配置。2.4 PSOC中的AD模块Delta Sigma 模数转换器（ADC_DelSig）可为精密测量应用提供低功耗、低噪声前端。它可用于多种应用，具体取决于分辨率、采样速率和操作模式。它能够对 16 位音频进行高速低分辨率通信处理，并且能够对应变计、热电偶和其他高精度传感器进行高精度的 20 位低速转换。处理音频信息时，ADC_DelSig 采用连续操作模式。当用于扫描多个传感器时，ADC_DelSig 采用其中一个多样本采样模式。用于单点高分辨率测量时，ADC_DelSig 采用单一样本采样模式。Delta sigma 转换器使用过采样在更广泛的频谱上扩展量化噪声。该噪声的形成是为了将其大部分移至输入信号的带宽之外。内部低通滤波器用于滤出所需输入信号带宽外的噪声。这使 delta-sigma 转换器能够良好地用于高速中分辨率（8 至 16 位）和低速高分辨率（16 至 20 位）应用。采样速率可调整为每秒 10 至 384000 次采样，具体取决于工作模式和分辨率。选择转换模式可简化与音频等单流信号的连接，或多个信号源间的复用。其特点：分辨率可选，8 至 20 位；每个分辨率有 11 个输入范围；采样速率为 8 到 384 ksps；工作模式：单样本采样模式、多样本采样模式、连续模式、多样本（加速）采样模式；高输入阻抗输入缓冲器；可选的输入缓冲器增益（1、2、4、8）或输入缓冲器旁路；多个内部或外部电压参考选项；自动功耗配置；最多四个 ADC 动态配置。3、原理介绍3.1 按键介绍本次实验中共用到了4个按键，效果分别为增加与减少上限与下限。按键Pin_2效果为增加0.06的上限；按键Pin_3的效果为减少0.06的上限；按键Pin_4效果为增加0.06的下限；按键Pin_5效果为减少0.06的下限。并且按键上限最大为5V，下限最小为0.5V，下限不能超过上限。由于key0和key1为上拉输入，所以初始化为低电平，判断按键是否按下的标准为读取的引脚电平为高电平，同理，key2和key3为下拉输入，所以初始化为高电平，判断按键是否按下的标准为读取的引脚电平为低电平。原理图及其配置如下：图13.2 蜂鸣器和LED灯通过电平的翻转来驱动蜂鸣器的鸣叫，而蜂鸣器音调的高低跟电平的持续时间有关，蜂鸣器的鸣叫条件为当测量电压超过设定的上限或下限时。且到达下限与上限的鸣叫音调不同。在此试验中我们采用PWM模块输出驱动波形来驱动蜂鸣器发声和LED的闪烁。其具体原理图和配置如下：图2图33.3 液晶显示器这里使用1602液晶显示屏，它是字符型显示器。在液晶屏上第一行显示测得的电位器传递过来的电压，第二行分别显示低电压阀值和高电压阀值，通过芯片的P20-6引脚对LCD进行控制显示。使用内部资源的元器件配置，原理图如下：图43.4 AD采样因为采样电压的最高范围为5V，保留1位整数和2位小数。理论下限最小值0.00V，上限最大值5.00V。PSoC3系列芯片ADC模块拥有1.024V的内部参考电压，此处我们采用16-bit模式分辨率，因为电压输入为正，所以采用单端输入方式。在采样结束后需要把采样结果转换为电压值显示在LCD上，转化公式为：Vin = CODE / (2 n) * M * Vref 。原理图及配置如下：图5图63.4 总模块图PSOC开发包括原理图设计和软件设计两部分，硬件原理图设计是根据用户需求选择合理的内置模拟数字资源，并进行合理配置和连线，让其组成一个完整的硬件系统。软件设计是通过编写用户命令来合理调用系统内置API函数，让硬件系统可靠、有序的工作。模拟图如下：图73.5 软件流程3.5.1 整个实验的程序设计流程图图83.5.2 键盘扫描程序设计流程图图93.5.3 LCD显示程序设计流程图图104、实验步骤（1）新建工程，并添加ADC模块、LCD模块、四个按键引脚和PWM模块及相关时钟输入和输出。如下图：图11（2）ADC模块配置为单端输入，分辨率15-bit，输入电压范围为Vssa-6.144V；按键配置为输入模式，软件连接，同时设置为上拉或下拉输入；PWM模块配置为两路输出，分别控制LED和Bell蜂鸣器，并把相关的器件连接在一起。如下图：图12图13图14（3）进行引脚的分配，ADC的模拟输入引脚分配P17,四个按键分别分配P40-P43,而LED引脚和Bell引脚分别分配P46和P45,完成分配后保存。如下图：图15（4）编写代码，通过调用库函数和自己编写键盘扫描函数KeyScan()和LCD显示函数Display2()。（5）进行Build编译，然后Program下载，再调试。5、测试方法、结果与分析测试方法：1、通电前检查，导线是否连接正确，元器件是否安装正确。2、通电检查，先观察有无异常现象，LCD等元器件电压供应是否正常，能否正常显示。 3、下载调试，把编译后的程序下载到开发板，观察LCD是否有读数显示，测试按键是否有作用，并用万用表测试ADC模块读取的电压值是否正确，误差多少。测试结果：程序编译无错后下载，显示结果如下：（此处有图）结果分析：从图中可以看出，LCD分两行显示，第一行显示测量得到的电压值，第二行显示的分别是下限值和上限值，按下按键key0时，可以看到上限值增大了0.06V，一直重复key0知道上限值到达4.49时停止了增加，因此符合最大上限不超过5V的要求；此时按下key1时，上限值减少0.06V，同理，按下key2时，下限值增加0.06V，一种重复按键key2，看可以看到当下限值接近上限值时便不再增加，保持下限值始终小于上限值。当按下key3时，下限值减少0.06V，当在减少到0.5V附近是便停止减少。从而完全符合题目要求。在用万用表进行电压测量时，LCD显示读数为3.21V，而万用表显示的读数为3.18V，误差0.03V，误差比例为0.93。我们分析，误差的来源主要是：1） ADC的精度相关，通过提高精度可以达到减小误差的目的；2） 在程序设计时电压值的转换上，由于小数位的舍取导致一定的误差，通过改善程序的质量从而减小误差；6、心得体会在电子系统综合设计实训中，在小组成员的合作下成功的实现了想要的功能，得到老师的认可。从资料的搜集到程序的编写及撰写报告，整个过程中使我们学到了很多专业性的知识，对片上系统PSoC更是有了进一步的学习。更加深刻理会到将理论与实践相结合的重要性，真正把两者相结合，运用好的话，才能做到学以致用的效果。在设计的过程中，我们遇到了很多小问题，譬如精度的把握、程序上的调试。在克服这些困难后，使我们对PSoC的知识有了更深一步的理解，不仅提高了动手能力，而且使我们对产品开发的过程有了更深刻的了解，也深刻了用理论来指导实践的方法，理论指导的重要性。通过本次设计我们积攒了很多经验并收获了很多知识，真是受益匪浅。在成功模拟的背后，老师的帮助与组员之间的互相合作是必不可少的。在我们实训完成过程中，老师提供了许多宝贵意见，让我们学到了许多知识，开阔了眼界，增强了我们的动手和动脑能力。同时，在设计本系统的时候，我们组里面的同学之间的相互探讨、取长补短，大家受益匪浅。所以感谢老师能够给我们这个机会来进行这次实训。7、程序附录#include #include #define ROW_0 0 /* LCD row 0 */#define ROW_1 1 /* LCD row 0 */#define COLUMN_0 0 /* LCD column 0 */#define COLUMN_9 9 /* LCD column 9 */#define COLUMN_10 10 /* LCD column 10 */#define COLUMN_11 11 /* LCD column 11 */ void UpdateDisplay(uint16 voltageRawCount); void Delay(uint16 z); void KeyScan(); void Display2 (double Down,double Up); double topnum = 3.20, lownum = 1.22;int main() uint16 voltageRawCount,volt_m; ADC_DelSig_1_Start(); /* Configure and power up ADC */ LCD_Char_1_Start(); /* Initialize and clear the LCD */ LCD_Char_1_Position(ROW_0,COLUMN_0); /* Move the cursor to Row 0 Column 0 */ /* Print Label for the pot voltage raw count */ LCD_Char_1_PrintString(V Count: ); ADC_DelSig_1_StartConvert(); /* Force ADC to initiate a conversion */ while(1) /* Wait for end of conversion */ ADC_DelSig_1_IsEndConversion(ADC_DelSig_1_WAIT_FOR_RESULT); voltageRawCount = ADC_DelSig_1_GetResult16(); /* Get converted result */ if (voltageRawCount 0x7FFF) voltageRawCount = 0; volt_m = voltageRawCount/53; UpdateDisplay(volt_m); KeyScan(); if(volt_m (topnum*100) Clock_1_SetSourceRegister( CYCLK_SRC_SEL_IMO ); Clock_1_Enable(); PWM_1_Start(); else if(volt_m lownum*100) Clock_1_SetSourceRegister(CYCLK_SRC_SEL_ILO); Clock_1_Enable(); PWM_1_Start(); else PWM_1_Stop(); void KeyScan() /Pin2为高电平加，Pin3为高电平减，Pin4为低电平加，Pin4为低电平减 if (Pin_2_Read() = 1 & (topnum + 0.06) lownum)/高电压减少 CyDelay(10); if(Pin_3_Read() = 1) while(Pin_3_Read()!=0); topnum = topnum - 0.06; if (Pin_4_Read() = 0 & (lownum + 0.06) =0.5)/低电压减少 CyDelay(10); if(Pin_5_Read() = 0 ) while(Pin_5_Read() != 1); lownum = lownum - 0.06; Display2(lownum,topnum ); void Display2 (double Down,double Up) /显示第二行 uint16 voltD3,voltU3,numD,numU; numD = Down*100; numU = Up*100; voltD0 = numD/100;/百位 voltD1 = numD%100/10;/十位 voltD2 = numD%100%10;/个位 voltU0 = numU/100;/百位 voltU1 = numU%100/10;/十位 voltU2 = numU%100%10;/个位 LCD_Char_1_Position(ROW_1,1); LCD_Char_1_PrintString(D:); LCD_Char_1_Position(ROW_1,3); LCD_Char_1_PrintNumber(voltD0); LCD_Char_1_Position(ROW_1,4); LCD_Char_1_PutChar(.); LCD_Char_1_Position(ROW_1,5); LCD_Char_1_PrintNumber(voltD1); LCD_Char_1_Position(ROW_1,6); LCD_Char_1_PrintNumber(voltD2); LCD_Char_1_Position(ROW_1,7); LCD_Char_1_PutChar(