淺談PSoC的車用單片機試驗裝置設(shè)計

0 引言

汽車單片機教學(xué)實驗通常需要信號發(fā)生器、示波器等很多輔助設(shè)備，這不但給實驗及教學(xué)帶來很多的麻煩，而且造價昂貴。為了減少實驗輔助設(shè)備，降低實驗成本，本文在PSoC CY8C29466芯片的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套集成有PWM輸出、不同頻率采集、UATR通信并可通過液晶LCD顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)的裝置。該裝置在汽車電子單片機教學(xué)中可代替現(xiàn)行的大多數(shù)實驗輔助設(shè)備，并可簡化實驗的操作步驟、降低實驗成本，從而給實驗及教學(xué)帶來很大方便。

1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

SoC（System on Chip）是將整個電子系統(tǒng)集成在同一芯片上的片上系統(tǒng)，或稱為系統(tǒng)級芯片。2000年，Cypress公司推出了完全基于通用IP核，由可編程選擇來構(gòu)成產(chǎn)品的SoC。這種可編程選擇的SoC取名為PSoC，它是由多種數(shù)字和模擬器件、微處理器、處理器外圍單元、外圍接口電路構(gòu)成的，在周圍集成的模擬和數(shù)字外圍器件陣列都是動態(tài)可配置，而且利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，還可以有效地配置片上模擬和數(shù)字資源，從而構(gòu)成可編程片上系統(tǒng)。該裝置主要由PSoC CY8C29466芯片并擴展以簡單的外圍接口電路構(gòu)成?？赏ㄟ^PSoC芯片的開發(fā)工具PSoC Designer4.3軟件來測量未知方波的頻率（0～200kHz）、輸出可調(diào)頻率和占空比的方波（0～500kHz）、進行UART通信并顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)（00H～FFH）等功能。

本裝置的特點是將測量頻率、PWM輸出和UART通信集成到了一起，而且測量頻率的范圍比較大，且輸出的PWM精度高，最重要的是可在硬件上節(jié)省一部份外圍設(shè)備，因而縮減了印刷板的空間和功耗。

1.1 未知方波信號頻率的測量

該功能可用來監(jiān)測外部的事件和輸入信號。當(dāng)外部事件發(fā)生或信號發(fā)生變化時，將在指定的輸入捕捉引腳上發(fā)生一個指定的沿跳變（上升沿），定時器捕捉到該特定的沿跳變后，捕獲事件將會把計數(shù)器當(dāng)前的數(shù)值傳輸?shù)綌?shù)據(jù)寄存器中，這樣，捕獲值就可以直接從數(shù)據(jù)讀出。然后，通過記錄輸入信號的跳變沿，就可用該軟件算出輸入信號的周期。

在其他的單片機上測量方波信號的頻率也可運用定時器的輸入捕捉功能，由于定時器都是固化好的。且一般為8～16位，而PSoC芯片內(nèi)置8～32位的定時器和計數(shù)器，并且時鐘最高可達24MHz，故可任意調(diào)用以達到較高的測量范圍。

若定時器的系統(tǒng)時鐘SYSCLOCK為24 MHz，分頻之后為FCLOCK=SYSCLOCK／368.3，而周期寄存器的值PERIOD為65536.0；那么，采樣的數(shù)值將為：FSAMPLE=FCLOCK／PERIOD。這樣，當(dāng)定時器有溢出時，頻率fFreqValue的計算公式如下：

f=（NFlow×65535+NTick）FSAMPLE；

而定時器沒有溢出時的計算公式為：

f=NTickFCLOCK／NCount；

式中，NFlow是定時器溢出的次數(shù)，NTick是定時器當(dāng)前計數(shù)值，NCount是計數(shù)器當(dāng)前計數(shù)值。

整個系統(tǒng)選用的是數(shù)字模塊中的16位定時器和24位計數(shù)器，以及模擬模塊中的比較器。定時器的捕捉使能端與比較器相連，計數(shù)器的主要作用是為定時器提供一個采樣頻率。比較器的作用是將一個模擬量電壓信號與一個參考電壓相比較，并在二者幅度相等的附近輸出一個電壓的躍變信號，然后再相應(yīng)輸出高電平或低電平。比較器的應(yīng)用既節(jié)省了外圍設(shè)備，又提高了測量的準確性，同時也給測量帶來了很大的方便。

1.2 輸出可調(diào)頻率和占空比的方波

脈寬調(diào)制波（PWM）的輸出是利用定時器的比較功能。通過更改比較寄存器（CompareValue）值在0到周期（Period）寄存器填充值之間變化，定時器就可以輸出一定占空比的方波。當(dāng)比較條件滿足后，定時器輸出高電平；而在Period寄存器自動裝入預(yù)置數(shù)的后一個周期，定時器將輸出低電平。所以，定時器輸出波形的占空比可用下式表示：

Duty=n／（N+1）

式中，Duty為輸出波形的占空比，n為比較寄存器的填充值，N為周期寄存器的填充值。

在計算定時時間時，可設(shè)置定時器應(yīng)用程序接口以修改計數(shù)器Period值，其輸出周期值與填充周期的值之間的關(guān)系如下式所示：

T=t（N+1）

式中，t為定時器計一次數(shù)所需要的時間，N為周期寄存器的填充值，N加1是因為計數(shù)器是計數(shù)到0結(jié)束而不是到1結(jié)束。因此，如果要實現(xiàn)可調(diào)占空比和周期的輸出，其硬件電路只需要兩個電位計即可，而在軟件編程中只要將采集到的A／D數(shù)據(jù)寄存器的值經(jīng)過計算之后再賦給定時器預(yù)置周期寄存器和對應(yīng)通道的輸出比較寄存器中，并通過計算得出相應(yīng)的頻率和占空比，就可通過調(diào)節(jié)電位計輸出不同周期和占空比的方波。其PWM輸出原理示意圖如圖1所示。

要實現(xiàn)可調(diào)頻率和占空比并不難，但要達到一定的范圍和精度，使用一般單片機就比較困難了。由于CY8C29466型PSoC芯片的定時器為8～32位，A／D轉(zhuǎn)換器為6～14位可調(diào)，所以，本裝置選擇了12位ADCINC和24位計數(shù)器，并選擇調(diào)節(jié)精度較高的電位計，因為這樣可以輸出較高范圍和精度的PWM波形。

在與汽車電子有關(guān)的教學(xué)和實驗中，PWM波的應(yīng)用范圍很廣，電動機控制中也廣泛使用PWM，此外，在發(fā)動機電子控制中，噴油器噴射油量的控制一般也是由PWM控制的。

1.3 UART通信和相應(yīng)數(shù)據(jù)的顯示

通過UART （Universal Asynchronous Receiver／Transmitter）可實現(xiàn)串行通信中的異步數(shù)據(jù)傳輸，它是一個全雙工異步收發(fā)器，采用RS232通信協(xié)議，可通過兩根電纜同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。PSoC中的UART用戶模塊是PSoC數(shù)字模塊，該模塊接收和發(fā)送的字符為一個數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包括4部分：起始位、數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、停止位。另外，UART數(shù)據(jù)模塊也支持可編程時鐘、發(fā)送和接收中斷以及輪詢操作。UART數(shù)字模塊也可提供應(yīng)用程序接口（API）程序，以給編程帶來方便。它可由一個串行接收器和一個串行發(fā)送器組成，分別為RX UART和TX UART。

（1）通用異步接收器RX-UART

異步接收器需要有關(guān)通信類型的數(shù)字PSoC模塊，它有自己的RX緩沖區(qū)寄存器、RX移位寄存器以及RX控制寄存器?？梢允褂肬ART用戶模塊固件中的API程序來對RX控制寄存器進行初始化和配置。本裝置的RX初始化包括UART無奇偶校驗、滿足RX寄存器條件的中斷使能。

當(dāng)檢測到RX輸入起始位到來時，RX模塊中的除8時鐘開始啟動，然后開始對輸人的數(shù)據(jù)位進行異步接收。而在下一個8位時鐘的上升沿到來時，輸入的數(shù)據(jù)將被接收并送到RX移位寄存器中。當(dāng)在下一個時鐘的上升沿接收到停止位以后，RX控制寄存器中的RX寄存器滿的這一位被置位，同時接受中斷使能，并在中斷中記錄異步通信所接收到的值，然后在LCD中顯示。

（2）通用異步發(fā)送器TX-UART

異步發(fā)送器也需要一個通信類型的數(shù)字PSoC模塊。它有自己的TX緩沖區(qū)寄存器、TX移位寄存器以及TX控制寄存器。可以使用UART用戶模塊固件API程序來對TX控制寄存器進行初始化和配置。本裝置的TX初始化包括UART無奇偶校驗、RX寄存器不產(chǎn)生中斷（輪詢操作發(fā)送數(shù)據(jù)）。

當(dāng)TX控制寄存器的使能位被置位時，TX模塊中的除8時鐘開始啟動，此時在鍵盤中將會得到一個數(shù)據(jù)。把此數(shù)據(jù)送往LCD顯示，再把此數(shù)據(jù)字節(jié)通過API函數(shù)寫入到TX緩沖區(qū)寄存器中，然后清除TX控制寄存器的TX緩沖區(qū)空狀態(tài)位，再在下一個時鐘的上升沿到來時將緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送到移位寄存器，然后將TX控制寄存器的TXBuffer Empty狀態(tài)位置位，即可完成數(shù)據(jù)發(fā)送。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

單片機系統(tǒng)初始化后，首先運行UART通信并顯示，然后由鍵盤中斷進行選擇。每次進入按鍵中斷便進行了一次選擇，以選擇所需要執(zhí)行的另一個子程序。選擇完所有的子程序后系統(tǒng)又跳回UART通信子程序，如此循環(huán)。顯示程序便可把所執(zhí)行的子程序所得到的結(jié)果，用串口通信方式輸出到LCD并以顯示相應(yīng)的值。其軟件程序流程圖如圖2所示。

3 實驗

將p［0］3與示波器相連接，可以觀察示波器所顯示的波形和LCD中顯示的周期和占空比，然后調(diào)節(jié)電位計，即可觀察示波器和數(shù)碼管顯示是否保持一致。

把信號發(fā)生器與p［0］7和地線相連，并輸入一定頻率的方波，可以觀察信號發(fā)生器顯示的頻率值與LCD顯示的值，之后，可通過改變信號發(fā)生器的輸出頻率。來觀察兩個值的變化是否保持一致。

本實驗需要硬件MAX232和軟件程序“串口調(diào)試助手V2.1”的支持。利用MAX232芯片可將串口通訊總線信號轉(zhuǎn)換為單片機可以接收和發(fā)送的信號，從而使單片機與PC微機相連來實現(xiàn)串口通訊。在“串口調(diào)試助手V2.1”下邊的發(fā)送框中輸入任意數(shù)字或字符，然后選擇自動或手動發(fā)送，即可觀察LCD的接收區(qū)的顯示，然后調(diào)節(jié)裝置使其發(fā)送16進制數(shù)，最后就可以觀察軟件窗口上顯示區(qū)所顯示的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

多次實驗表明：本裝置中LCD的顯示值均與其它實驗設(shè)備的值相符，且誤差很小，響應(yīng)時間很短，穩(wěn)定性好，可靠性強且各項工作穩(wěn)定，可以達到較高的精度要求和測量范圍。所以，基于PSoC教學(xué)裝置的開發(fā)具有較高的實用性和可靠性，而且體積小，經(jīng)濟性較好，可在教學(xué)和實驗中實現(xiàn)一機多用，故可降低實驗成本。

編輯：jq