基于PSOC3的多功能控制板的设计

许岩，王帅

(山东科技大学 电子通信与物理学院， 山东 青岛 266590)

0 引言

微处理器在日常生活、工业农业生产、医学、环境和科研等领域广泛应用.传统的微处理器在设计多功能系统时往往系统比较复杂，外设比较多，研制造价低、功能强、使用便捷的多功能系统一直是电子工程师追求的目标.随着半导体技术和微处理器技术的发展，已经有许多模拟与数字混合处理器可以完成此项任务.设计采用Cypress公司生产的PSOC(programmable system on chip)系列芯片进行多功能系统设计.PSOC作为一款新的嵌入式系统设计平台，它在原8051核和Cortex-M3核的基础上，在芯片的PLD实现可配置的固件元件提供给用户，使设计人员根据项目需求自己灵活地选择外设进行配置和与微处理器自动连接[1 ].PSOC提供了大量的模拟和模拟数字混合外设元件，适合在多功能系统设计中应用，且具有小型、低功耗、低成本的多功能系统，能满足人们日常生活和工作的需求[2 ,3 ].

1 多功能系统的系统结构框图及工作原理

图1所示为采用PSOC3的多功能系统板的系统结构框图.主要包括旋转编码器与四种传感器，其中四种传感器分别用于测量角度、转速和感知压力、位移、温度等量的变化，下面简单介绍一下整个系统的结构.

图1多功能系统板结构图2恒流源电路

变压器由PSOC自带的VDAC直接进行电压输出.转速检测则是在车轮装上磁铁，车壳上对应磁铁经过的地方安装霍尔传感器.检测霍尔传感器单位时间内输出的脉冲数，乘以车轮周长即可得到速度.角度检测通过对旋转编码器输出的脉冲信号进行记数，然后与旋转编码器的分辨率进行比较，得出旋转的角度.温度检测则是通过PT100温度传感器的阻值的变化进行温度的测量.压力和行程的检测是将压力和位移传感器的输出输入ADC，ADC对输入的电压信号进行转换后得出数据，通过这些数据得出相应的压力和位移.1路开关输出是PSOC通过对继电器的开关的控制实现小电流驱动大电流.

2 多功能系统的元件配置和参数说明

PSOC的元件应用起来很灵活，大多数元件都有配置参数，这些参数可以在设计时配置，也可以在程序运行时修改配置，下面介绍几个元件的配置方法和参数[4].

2.1 变压器设计的配置

电压输出型数模转换器VDAC的配置主要是对输出电压及模型进行设置，输出电压范围为0～4.080V，如果需要更大的电压，可以外接放大电路进行电压放大.速度为慢速，输出电压为1.6V，数据源为CPU或DMA，选通模式为寄存器写.

2.2 角度检测设计的配置

角度检测的工作原理是当旋转编码器旋转的时候，旋转编码器会产生脉冲信号，此时将脉冲信号送入计数器中，对脉冲信号的个数进行记数，当停止旋转时，计数器会有一个读数，此时在于脉冲信号的分辨率(旋转编码器的分辩率是指旋转编码器转一圈输出的脉冲的个数，比如360，就是说编码器转一圈输出360个脉冲，那么1个脉冲就是1度，分辨率越高，测的越准)进行比较，得出最后的角度.计数器COUNTER的参数配置，分辨率选择为8位，执行模式为UDB模式，周期选择为最大周期255，比较模式选择less than，比较值为0，时钟模式为down counter.

2.3 转速检测设计的配置

转速检测的原理和角度检测的类似.转速检测是在车轮上装上磁铁，在对应磁铁经过的地方安装霍尔传感器.当车轮旋转的时候，装在车轮上的的磁铁会经过霍尔传感器，它便会从测得脉冲信号.然后脉冲信号输入计数器，可以测出单位时间内车轮的转速，然后再乘以车轮的周长，从而得到转速.

2.4 温度、压力和行程的参数配置

温度检测用的是热敏电阻pt100，pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变.PT后的100 即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5 欧姆.pt100在100℃内有着具有良好的线性，即温度每升高一度，电阻值增加0.385Ω.设计一个恒流源通过PT100热电阻，以便提供稳定的电流输出，如图2，电阻R1和R3是分配到左边上下两个桥臂上，因此其共同的变化也就不会影响输出，而右下桥臂包含了R5、R6的增益部分，这个电路最大的特点是简单，只用了一个恒流源，桥的4臂既是作为检测，也是作为差分放大的桥，放大倍数=R5/R6+1.

2.5 1路开关输出的参数配置

1路开关输出是PSOC通过对继电器的开关的控制实现小电流驱动大电流.继电器是一种电控制器件，是当输入量(激励量)的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器.它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)之间的互动关系.通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”.故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用.本系统用SMPS的开关来控制继电器的开关，从而控制负载的开启或停止.

3 多功能控制板的软件设计

多功能控制板的软件设计首先进行初始化，变压器部分软件控制开始并输出电压；转速检测部分通过霍尔传感器向计数器内输入脉冲信号，计数器显示在单位时间内的脉冲数；角度检测部分是编码器输出脉冲信号，计数器记录并显示脉冲数；温度，压力和行程检测是通过相应的传感器输出电压值，经过跟随器和放大器输入ADC显示出电压值，并得出相应的数据；开关输出部分则由按键控制电流的通断；然后将所得的数据依次显示在LCD1602上.

4 测试结果分析

该控制板将电压输出、转速测量、角度测量、温度检测、压力检测和位移检测等多种功能集于一体，并将数据依次显示在LCD1602上，经过系统的运行得出的数据，该设计基本达到预期的指标.因数据过多，此处只说明个别数据，温度检测数据为TempK=293.15K，TempS=20°C，即将ADC得到的PT100的数据经过算法的计算后进行四舍五入得出数据，TempK为绝对温度，TempS为摄氏度，当前气温为20°C，符合当前气温.转速检测round=15r/s ,Speed=4.71m/s，round为轮子每秒钟旋转的圈数，Speed则为转速，这里轮子的半径为5cm，经计算符合要求.角度检测round=248 r, degree=248d,round为脉冲数，degree为旋转的角度，本系统使用的是精度为360的旋转编码器，即1个脉冲为1度，LCD显示的数据基本符合指标.其余各项数据也基本正常，系统测试结果基本上达到了预期的指标.

5 结语

该多功能控制板充分发挥了PSoC3 集微控制器、数字电路、模拟电路、数模混合电路为一体的高集成度优势，具有功能强大、价格低廉等显著优点，有助于推动PSOC在科研、生产、教学等实际工作中获得广泛应用.通过实物测试，本设计已达到了预期的相关技术指标，克服设计复杂、成本高昂等困难.对比传统的单片机系统，外围硬件电路简单、操作方便、节能、便携、成本低廉、开发周期短、生命周期长和性能稳定等特点，且体现了PSOC强大的内部资源、灵敏度高、抗干扰能力强和系统效果良好，具有广泛的市场应用前景.

[1]何宾.可编程片上系统PSOC设计指南[M].北京:化学工业出版社,2011.

[2]叶朝辉,华成英.可编程片上系统PSOC原理及实训[M].北京:清华大学出版社,2008.

[3]朱明程,李晓滨.PSOC原理与应用设计[M].北京:机械工业出版社,2008.

[4]徐泽清,高旭东,韩春喜.基于PSOC的电子称设计[M].黑龙江工程学院学报(自然科学版),2012,26(4):48-51.