基于PSoC 3的传感器教学实验平台研制

王广君, 李　宁

(1. 中国地质大学(武汉) 自动化学院, 湖北 武汉　430074；2. 中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院, 湖北 武汉　430074)



基于PSoC 3的传感器教学实验平台研制

王广君1, 李宁2

(1. 中国地质大学(武汉) 自动化学院, 湖北 武汉430074；2. 中国地质大学(武汉) 机械与电子信息学院, 湖北 武汉430074)

结合传感器实验课程,研制了一款基于PSoC 3(programmable system-On-Chip 3,片上可编程系统)的传感器实验平台。该实验平台以美国Cypress公司生产的PSoC 3为核心,根据PSoC 3所集成的微控制器以及嵌入式系统中常用的模拟、数字等优点,实现了传感器实验中的温度、光电、霍尔以及其他常用传感器的数据采集与处理,并通过USB2.0与基于LabVIEW设计的上位机软件进行数据交互与处理。该平台体积小、功能强大,配有外部扩展用的通用接口(GPIO)和可编程差分放大接口(SIO)。该实验平台除了可以开设传统实验外,还可以进行自主实验和拓展创新实验。

实验平台； 片上可编程系统； PSoC 3； 传感器技术

“传感器实验”是一门多交叉、综合性强的课程,涉及到控制技术、通信技术、电子技术以及物理学等相关知识,且与生产、科研、实践联系密切。在现代控制技术和检测技术中具有相当重要的地位[1-2]。由于传感器实验课程涉及测量种类范围较广,某些实验平台不得不采用多个CPU之间相互通信的方式进行数据的测量和处理,因此在设计上容易导致电路繁杂、体积庞大、操作繁琐,设计成本较高,且硬件故障率高、检修麻烦。同时,由于传感器种类不同,对数据采集的精度和速度也要求不同,给前置放大电路和数据采集系统的设计带来困难。

本文介绍了一种基于PSoC的传感器教学实验平台,该平台的控制芯片采用了美国Cypress公司生产的超低功耗闪存可编程片上系统(programmable system-On-Chip 3)PSoC 3。该芯片集成了8051内核,工作频率高达67 MHz,单周期指令工作方式比标准8051处理器快10倍。同时,围绕CPU子系统提供了多个可配置的模拟、数字和互连电路模块[3-4]。通过CPU同高度灵活的模拟子系统、数字子系统、路由及I/O口相结合,实现了设计的高度集成。

1　实验平台总体概述

传感器数据采集系统实质为传感器测量数据的处理,要进行相应的滤波、放大、A/D转换和信号调理[5]。本实验平台是一个典型的传感器数据采集系统,硬件部分由外部传感器、信号调理机制、数据采集、USB传输和PC机等部分组成；软件部分由固件、驱动和应用程序组成。采用PSoC 3的最大优势是,可以实现滤波器编程、运算放大器编程设及AD精度和速率可编程的模拟和数字系统的设计[6],简化了电路的设计。根据每个组件配有的标准API函数进行快速编程,使得程序设计简单快捷。

2　实验平台硬件系统设计

2.1实验平台结构介绍

本实验平台是一种多功能、扩展性强的传感器教学实验平台。平台采用了模块化的设计方案,主要由外部模块和内部模块组成。外部模块由各类外接传感器数据采集模块和PC机上位机模块组成；内部模块由PSoC 3内部的可编程数字模块、可编程模拟模块、可编程USB通信模块和其他可编程模块组成。该平台充分利用了PSoC 3内部丰富的可编程资源进行设计。实验平台结构图见图1。

图1　实验平台结构图

2.2独立传感器模块

该实验平台采用独立设计的各类外接传感器模块,实验时按照要求将不同的传感器模块连接至实验平台,实验的连线过程不仅是模仿的过程,更是能启发学生的联想力、创造力和增强动手能力的过程。

2.3PSoC 3内部可编程资源

PSoC 3内部集成了丰富的可编程数字子系统和可编程模拟子系统。可编程数字子系统能够针对应用创建标准数字外设、高级数字外设和定制逻辑功能的组合,数字子系统有20～24个通用可编程逻辑器件(programmable logic device,PLD)的通用数字模块(UBD),4个16位的可配置定时器、计数器和PWM模块,通用异步收发器(UART)、串行外设接口(SPI)、I2C、CAN2.0b和全速USB2.0,以及可用于实现FIR和IIR数字滤波器设计的67 MHz、24位的定点数字滤波器模块(DFB)；可编程模拟子系统提供了灵活可配置的模拟全局总线、模拟复用器总线和模拟局部总线,高分辨率的Δ-∑ADC、4个可配置DAC、4个电压比较器、4个运算放大器、用于电容式触摸的CapSense子系统和用于为内部模拟模块产生精确模拟电压的高精度参考源。

(1) 可编程差分放大接口(SIO)。PSoC 3专门提供了用于连接CPU、数字外设和中断的接口,并能够提供可编程的高阈值电压、模拟比较器和非常高的灌电流,在器件未加电压时保持处于高阻态。该实验平台利用PSoC 3特有的SIO接口和内置可编程运算放大器,设计了有两单端、两差分输入的运算放大接口,以实现对输入模拟量的处理,进行相关实验的测量。

PSoC 3内部包含了最多4个通用的运算放大器。运算放大器结构图见图2,这些运算放大器可配置为增益级、电压跟随器、或者外部/内部信号的输出缓冲区。

图2　PSoC 3内部通用运算放大器结构图

如图3所示,在任何一种配置中,输入/输出信号都能够连接到内部全局信号,并使用ADC或电压比较器进行监控。通过使用这些信号和GPIO引脚之间的模拟开关来实现用户配置。

图3　PSoC 3内部通用运算放大器配置

运算放大器有慢速、中速、快速3种工作模式。慢速有最小的静态功耗,快速有最大的静态功耗。输出具有轨对轨摆动能力,在低电流输出下,输出电压值在VSSA+50 mV≤Vout≤VDDA-50 mV内摆动。当驱动高电流负载(约25 mA)时输出电压值在VSSA+500 mA≤Vout≤VDDA-500 mV范围内摆动[7]。

(2) 可编程通用接口(GPIO)。PSoC 3的GPIO引脚允许硬件资源连接到物理端口引脚,该组件通过合理配置的物理I/O接口来访问外部信号。该芯片的最大优点在于引脚可编程,可以通过PSoC Creator软件来进行引脚组件的配置,配置模式有数字输入、数字输出、数字双向和模拟；还可以配置成高阻抗模拟、高阻抗数字、电阻上拉、电阻下拉、低驱动开漏、高驱动开漏、强制驱动和上拉/下拉电阻等模式,如图4所示。PSoC 3引脚的可编程功能极大地方便、快捷地满足了用户对各类引脚功能的配置。

图4　GPIO引脚配置功能图

(3) USB 2.0数据通信。PSoC 3提供了一个专用12 Mbps全速USB 2.0可编程收发器,支持控制传输、中断传输、批量传输和同步传输4种USB传输类型,兼容USB 2.0通信协议,可以实现硬件的即插即用和热插拔。USB外设通过PSoC 3上的2个专用USBIO引脚与主机相连,实现数据的发送和接收[8]。图5为USB模块结构图。

图5　PSoC 3 USB模块结构图

PSoC 3特有的可编程全速USB模块,优点在于免去了像其他USB设备开发的繁琐复杂,用户可以根据自己的需要,利用官方给出的API功能函数和驱动文件来完成组件的配置和程序的编写,使得USB开发和上位机软件交互设计变得方便快捷。

3　实验平台支持的实验项目

该平台在基于可编程片上系统的基础上,可以完成对温度、转速、振动、重量、超声波、单端/差分输入对应的模拟量测量和GPIO接口输入对应的数字量测量,以及自主设计的实验数据测量。可以方便学生特殊需要的学习和探索扩展。增强学生的探索精神和动手能力。主要实验项目见表1。

表1　实验平台支持实验项目

3.1温度采集

本实验平台的温度传感器采用的是PT100铂热电阻,考虑到温度数据采集的稳定性和高精度,外部电路采用了AD620仪器高精度放大器。然后依次通过PSoC 3内部的滤波器、运算放大器、A/D采样、RTD温度计算器进行相关的信号调理和计算,最后输出精度为0.01 ℃的温度值。温度采集框图见图6。式(1)和式(2)为RTD温度计算器组件的高阶方程组求解关系式。

图6　温度采集框图

当T>0°时有

(1)

其中,RT是T时的电阻值。

在0 ℃以下时,除A和B外,还涉及第3个常量(C),如等式(2)所示:

(2)

针对标准工业级铂,PT100RTD的A、B、C已经指定,分别为:

(3)

(4)

(5)

多项式系数通过最小二乘方拟合方法获得。本平台设计为精度0.05的四阶方程组求解[9]。

3.2光电/霍尔转速采集

本实验平台的光电/霍尔转速采集部分,外部传感器采用由12 V直流电机搭载的光电/霍尔传感器组成,通过电机驱动电路,将采集数据送至PSoC 3,再由PSoC 3内部的滤波器、定时器、计数器以及PWM控制器、PID编程算法进行数据采集与处理[10],最后将数据通过USB 2.0传到上位机,采集框图见图7。

图7　光电/霍尔转速采集框图

4　实验平台的软件设计

本实验平台的特色之一在于软件部分的设计。软件部分采用了基于LabVIEW的G语言开发,可以在Windows操作系统中运行。将虚拟仪器技术引入到传感器实验是目前高校中实验教学的一个重要方向[11]。基于LabVIEW的图形化虚拟仪器开放平台从根本上更新了仪器的概念,它既有传统仪器的特征,又有传统仪器无法比拟的优势,操作人员可以在PC机上就可以像操作传统仪器一样完成对被测对象的信息采集、分析、显示和存储[12-13]。

在温度和光电/霍尔采集等实验中,可以通过软件部分设置手动/自动控制,如图8所示。手动情况下,通过调节软件界面上相应的控制按钮来控制外部继电器运行与停止,直接实现对外接传感器模块的控制；自动情况下,在软件相应的位置手动输入预期指标值,经过PSoC 3相应的编程计算,来实现对外接传感器模块的控制,实现采集数值与设定数值的统一。

图8　实验平台软件运行界面

5　结语

本文设计了一种基于PSoC 3核心芯片和其他外围功能模块的传感器教学实验平台。该平台充分利用了PSoC 3内部丰富的可编程数字资源和可编程模拟资源进行设计。硬件电路简单、体积小、成本低、可扩展性强。软件部分的界面友好,易于操作。除了可以实现开设传统实验外,还可以进行自主实验和拓展创新实验,增强了学生的动手能力和探索精神,让学生对传感器工作原理及应用有更深刻的理解和认识,适合于各类高校的传感器实验教学。

References)

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Development of sensor teaching experimental platform based on PSoC 3

Wang Guangjun1, Li Ning2

(1. School of Automation ,China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China;2 School of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074,China)

Combined with sensor experiment in universities curriculum, a sensor experimental platform based on PSoC 3(Programmable System-On-Chip 3) is developed. The experimental platform works around the PSoC 3 produced by United States Cypress Company as the core. With the microcontrollers integrated by PSoC 3 and the advantages commonly used in embedded systems such as analog, digital and so on, the experimental platform realizes the data acquisition and processing of the temperature, photoelectric, Hall and other common sensors used in sensor experiments, and carries out data exchange and processing with PC software designed based on LabVIEW via USB2.0. The platform is small and powerful, with general purpose input output (GPIO) and programmable differential amplifier super input output (SIO) for external expansion. Beside setting up traditional experiment, the platform also can be used for independent and developed innovative experiments.

experimental platform; programmable system-on-chip; PSoC 3; sensor technology

2015- 08- 01修改日期:2015- 10- 13

王广君(1964—),男,河南禹州,博士,教授,自动化学院副院长,主要研究方向为图形处理、模式识别、虚拟仪器、智能仪器与信息处理、数字系统设计

E-mail:gjwang@cug.edu.cn

李宁(1989—),男,河北任丘,工学硕士研究生,主要研究方向为智能仪器与信息处理.

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.018

仪器设备研制与应用

TP212.1；G484

A

1002-4956(2016)3- 0066- 04