許巖，王帥

(山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院， 山東 青島 266590)

0 引言

微處理器在日常生活、工業(yè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、環(huán)境和科研等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用.傳統(tǒng)的微處理器在設(shè)計多功能系統(tǒng)時往往系統(tǒng)比較復(fù)雜，外設(shè)比較多，研制造價低、功能強、使用便捷的多功能系統(tǒng)一直是電子工程師追求的目標.隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有許多模擬與數(shù)字混合處理器可以完成此項任務(wù).設(shè)計采用Cypress公司生產(chǎn)的PSOC(programmable system on chip)系列芯片進行多功能系統(tǒng)設(shè)計.PSOC作為一款新的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計平臺，它在原8051核和Cortex-M3核的基礎(chǔ)上，在芯片的PLD實現(xiàn)可配置的固件元件提供給用戶，使設(shè)計人員根據(jù)項目需求自己靈活地選擇外設(shè)進行配置和與微處理器自動連接[1 ].PSOC提供了大量的模擬和模擬數(shù)字混合外設(shè)元件，適合在多功能系統(tǒng)設(shè)計中應(yīng)用，且具有小型、低功耗、低成本的多功能系統(tǒng)，能滿足人們?nèi)粘Ｉ詈凸ぷ鞯男枨骩2 ,3 ].

1 多功能系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖及工作原理

圖1所示為采用PSOC3的多功能系統(tǒng)板的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖.主要包括旋轉(zhuǎn)編碼器與四種傳感器，其中四種傳感器分別用于測量角度、轉(zhuǎn)速和感知壓力、位移、溫度等量的變化，下面簡單介紹一下整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu).

圖1多功能系統(tǒng)板結(jié)構(gòu)圖2恒流源電路

變壓器由PSOC自帶的VDAC直接進行電壓輸出.轉(zhuǎn)速檢測則是在車輪裝上磁鐵，車殼上對應(yīng)磁鐵經(jīng)過的地方安裝霍爾傳感器.檢測霍爾傳感器單位時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)，乘以車輪周長即可得到速度.角度檢測通過對旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的脈沖信號進行記數(shù)，然后與旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨率進行比較，得出旋轉(zhuǎn)的角度.溫度檢測則是通過PT100溫度傳感器的阻值的變化進行溫度的測量.壓力和行程的檢測是將壓力和位移傳感器的輸出輸入ADC，ADC對輸入的電壓信號進行轉(zhuǎn)換后得出數(shù)據(jù)，通過這些數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的壓力和位移.1路開關(guān)輸出是PSOC通過對繼電器的開關(guān)的控制實現(xiàn)小電流驅(qū)動大電流.

2 多功能系統(tǒng)的元件配置和參數(shù)說明

PSOC的元件應(yīng)用起來很靈活，大多數(shù)元件都有配置參數(shù)，這些參數(shù)可以在設(shè)計時配置，也可以在程序運行時修改配置，下面介紹幾個元件的配置方法和參數(shù)[4].

2.1 變壓器設(shè)計的配置

電壓輸出型數(shù)模轉(zhuǎn)換器VDAC的配置主要是對輸出電壓及模型進行設(shè)置，輸出電壓范圍為0～4.080V，如果需要更大的電壓，可以外接放大電路進行電壓放大.速度為慢速，輸出電壓為1.6V，數(shù)據(jù)源為CPU或DMA，選通模式為寄存器寫.

2.2 角度檢測設(shè)計的配置

角度檢測的工作原理是當旋轉(zhuǎn)編碼器旋轉(zhuǎn)的時候，旋轉(zhuǎn)編碼器會產(chǎn)生脈沖信號，此時將脈沖信號送入計數(shù)器中，對脈沖信號的個數(shù)進行記數(shù)，當停止旋轉(zhuǎn)時，計數(shù)器會有一個讀數(shù)，此時在于脈沖信號的分辨率(旋轉(zhuǎn)編碼器的分辯率是指旋轉(zhuǎn)編碼器轉(zhuǎn)一圈輸出的脈沖的個數(shù)，比如360，就是說編碼器轉(zhuǎn)一圈輸出360個脈沖，那么1個脈沖就是1度，分辨率越高，測的越準)進行比較，得出最后的角度.計數(shù)器COUNTER的參數(shù)配置，分辨率選擇為8位，執(zhí)行模式為UDB模式，周期選擇為最大周期255，比較模式選擇less than，比較值為0，時鐘模式為down counter.

2.3 轉(zhuǎn)速檢測設(shè)計的配置

轉(zhuǎn)速檢測的原理和角度檢測的類似.轉(zhuǎn)速檢測是在車輪上裝上磁鐵，在對應(yīng)磁鐵經(jīng)過的地方安裝霍爾傳感器.當車輪旋轉(zhuǎn)的時候，裝在車輪上的的磁鐵會經(jīng)過霍爾傳感器，它便會從測得脈沖信號.然后脈沖信號輸入計數(shù)器，可以測出單位時間內(nèi)車輪的轉(zhuǎn)速，然后再乘以車輪的周長，從而得到轉(zhuǎn)速.

2.4 溫度、壓力和行程的參數(shù)配置

溫度檢測用的是熱敏電阻pt100，pt100是鉑熱電阻，它的阻值會隨著溫度的變化而改變.PT后的100 即表示它在0℃時阻值為100歐姆，在100℃時它的阻值約為138.5 歐姆.pt100在100℃內(nèi)有著具有良好的線性，即溫度每升高一度，電阻值增加0.385Ω.設(shè)計一個恒流源通過PT100熱電阻，以便提供穩(wěn)定的電流輸出，如圖2，電阻R1和R3是分配到左邊上下兩個橋臂上，因此其共同的變化也就不會影響輸出，而右下橋臂包含了R5、R6的增益部分，這個電路最大的特點是簡單，只用了一個恒流源，橋的4臂既是作為檢測，也是作為差分放大的橋，放大倍數(shù)=R5/R6+1.

2.5 1路開關(guān)輸出的參數(shù)配置

1路開關(guān)輸出是PSOC通過對繼電器的開關(guān)的控制實現(xiàn)小電流驅(qū)動大電流.繼電器是一種電控制器件，是當輸入量(激勵量)的變化達到規(guī)定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發(fā)生預(yù)定的階躍變化的一種電器.它具有控制系統(tǒng)(又稱輸入回路)和被控制系統(tǒng)(又稱輸出回路)之間的互動關(guān)系.通常應(yīng)用于自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關(guān)”.故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護、轉(zhuǎn)換電路等作用.本系統(tǒng)用SMPS的開關(guān)來控制繼電器的開關(guān)，從而控制負載的開啟或停止.

3 多功能控制板的軟件設(shè)計

多功能控制板的軟件設(shè)計首先進行初始化，變壓器部分軟件控制開始并輸出電壓；轉(zhuǎn)速檢測部分通過霍爾傳感器向計數(shù)器內(nèi)輸入脈沖信號，計數(shù)器顯示在單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)；角度檢測部分是編碼器輸出脈沖信號，計數(shù)器記錄并顯示脈沖數(shù)；溫度，壓力和行程檢測是通過相應(yīng)的傳感器輸出電壓值，經(jīng)過跟隨器和放大器輸入ADC顯示出電壓值，并得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)；開關(guān)輸出部分則由按鍵控制電流的通斷；然后將所得的數(shù)據(jù)依次顯示在LCD1602上.

4 測試結(jié)果分析

該控制板將電壓輸出、轉(zhuǎn)速測量、角度測量、溫度檢測、壓力檢測和位移檢測等多種功能集于一體，并將數(shù)據(jù)依次顯示在LCD1602上，經(jīng)過系統(tǒng)的運行得出的數(shù)據(jù)，該設(shè)計基本達到預(yù)期的指標.因數(shù)據(jù)過多，此處只說明個別數(shù)據(jù)，溫度檢測數(shù)據(jù)為TempK=293.15K，TempS=20°C，即將ADC得到的PT100的數(shù)據(jù)經(jīng)過算法的計算后進行四舍五入得出數(shù)據(jù)，TempK為絕對溫度，TempS為攝氏度，當前氣溫為20°C，符合當前氣溫.轉(zhuǎn)速檢測round=15r/s ,Speed=4.71m/s，round為輪子每秒鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，Speed則為轉(zhuǎn)速，這里輪子的半徑為5cm，經(jīng)計算符合要求.角度檢測round=248 r, degree=248d,round為脈沖數(shù)，degree為旋轉(zhuǎn)的角度，本系統(tǒng)使用的是精度為360的旋轉(zhuǎn)編碼器，即1個脈沖為1度，LCD顯示的數(shù)據(jù)基本符合指標.其余各項數(shù)據(jù)也基本正常，系統(tǒng)測試結(jié)果基本上達到了預(yù)期的指標.

5 結(jié)語

該多功能控制板充分發(fā)揮了PSoC3 集微控制器、數(shù)字電路、模擬電路、數(shù)模混合電路為一體的高集成度優(yōu)勢，具有功能強大、價格低廉等顯著優(yōu)點，有助于推動PSOC在科研、生產(chǎn)、教學(xué)等實際工作中獲得廣泛應(yīng)用.通過實物測試，本設(shè)計已達到了預(yù)期的相關(guān)技術(shù)指標，克服設(shè)計復(fù)雜、成本高昂等困難.對比傳統(tǒng)的單片機系統(tǒng)，外圍硬件電路簡單、操作方便、節(jié)能、便攜、成本低廉、開發(fā)周期短、生命周期長和性能穩(wěn)定等特點，且體現(xiàn)了PSOC強大的內(nèi)部資源、靈敏度高、抗干擾能力強和系統(tǒng)效果良好，具有廣泛的市場應(yīng)用前景.

[1]何賓.可編程片上系統(tǒng)PSOC設(shè)計指南[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011.

[2]葉朝輝,華成英.可編程片上系統(tǒng)PSOC原理及實訓(xùn)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[3]朱明程,李曉濱.PSOC原理與應(yīng)用設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2008.

[4]徐澤清,高旭東,韓春喜.基于PSOC的電子稱設(shè)計[M].黑龍江工程學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2012,26(4):48-51.