基于PSoC的精簡LED點陣系統(tǒng)設計方案

摘要：本文介紹了傳統(tǒng)采用單片機控制的LED顯示屏設計方法與基于PSoC技術的LED顯示屏設計方法的區(qū)別，闡述了PSoC技術在LED點陣顯示系統(tǒng)設計中的優(yōu)勢。以PSoC系列的CY8C27443芯片為核心的LED點陣顯示系統(tǒng)為例，具體描述了PSoC多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的硬件設計、PSoC的配置和軟件功能的具體設計實現(xiàn)方法。由于CY8C27443 芯片的內部資源更加豐富所以進行LED點陣系統(tǒng)的設計比51單片機電路更加簡單，性能更加穩(wěn)定，軟件設計也更加簡單方便，從而大大節(jié)省了開發(fā)周期和成本。

　　傳統(tǒng)采用51 單片機控制LED點陣的顯示屏功能相對比較單一若要使其實現(xiàn)功能的多樣化，則往往需要花費大量的時間和精力設計復雜的外圍電路，故其系統(tǒng)設計中使軟件、硬件的設計更為復雜，增加了開發(fā)難度；增大了顯示屏的體積和重量，不易于運輸和安裝；更重要的是產(chǎn)品生產(chǎn)成本也較為高昂。與傳統(tǒng)LED顯示屏相比，基于PSoC 技術所開發(fā)的多功能精簡尺寸型LED點陣顯示屏是利用片上系統(tǒng)的技術優(yōu)點將各個不同功能的模塊集成在同一芯片上，由于其僅僅通過添加和減少芯片上的模塊就可以實現(xiàn)相應功能的增減，這就在很大程度上彌補了傳統(tǒng)LED顯示屏的不足，縮短了開發(fā)周期，使產(chǎn)品更容易升級更新。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　1.1 PSoC 系列單片機介紹

　　PSoC：（Programmable System-On-Chip）可編程系統(tǒng)級芯片，是新一代片上系統(tǒng)單片機。由賽普拉斯公司的PSoC（TM）混合信號陣列是可編程的片上系統(tǒng)（SOC），該芯片集成了微控制器及嵌入式系統(tǒng)中常需擴充的模擬及數(shù)字組件。同時，也可將PSoC 視為8 位微控制器，即8 位單片機。但是和一般單片機不同的是它幾乎不需要外圍電路，一片PSoC 芯片就可實現(xiàn)一個電子系統(tǒng)，而且PSoC 具有比一般單片機更多的內部資源。國外專家把它的發(fā)展喻為第二次電子學革命。本系統(tǒng)使用的PSoC 芯片是CY8C27443，CY8C27xxx 是PSoC 混合信號陣列中在模擬量中處理最為強的一個系列［1］，下表1 是28 管腳的CY8C24533和AT89C51 之間的比較。從上表中我們不難看到CY8C27443 芯片的內部資源更加豐富所以進行LED點陣系統(tǒng)的設計比51 單片機電路更加簡單，性能更加穩(wěn)定。該芯片價格很廉價而且還增加A/D 模塊，D/A模塊，SPI 接口模塊，PWM 模塊，溫度傳感器等都可以集成在芯片內部這樣就使得外圍電路大大減少，硬件電路尺寸更加精簡、可靠。軟件設計也更加簡單方便大大節(jié)省了開發(fā)周期。CY8C27443 芯片價格相比51單片機來說雖然高出了2-3 倍但是內部有其豐富的資源可供配置所以該系統(tǒng)成本可以節(jié)省50%~60%左右。

　　表1 CY8C24533 和AT89C51 之間的比較

　　1.2 基于PSoC 的精簡尺寸LED點陣系統(tǒng)的硬件設計

　　基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的硬件設計如圖1 所示，以PSoC 為控制器的LED點陣系統(tǒng)通過TG202 煙霧傳感器傳感器，HM1500 濕度傳感器，以及PSoC 片內集成的溫度傳感器。分別采集到空氣中的煙霧濃度，濕度和溫度情況后及時發(fā)布到LED顯示屏上顯示，當出現(xiàn)異常情況時還可以通過蜂鳴器發(fā)出報警。采集到的數(shù)據(jù)也可以通過Si4432 無線收發(fā)模塊送入PC 機進行外部環(huán)境監(jiān)測。同時也可以在PC 機上輸入字符后通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到LED顯示屏來發(fā)布廣告和通知等信息。由于PSoC 同時具有片內和片外系統(tǒng)時鐘源。從而且顯示屏掃描速度可以提高，使得產(chǎn)品硬件設計性能更加可靠，加之PSoC可以動態(tài)重構所以產(chǎn)品更加靈活多變，功能更加齊全；軟件設計方面有廠商提供的API 函數(shù)可供調選，編程者無須向使用51 單片機那樣在底層驅動上大費心思，這樣使底層驅動程序開發(fā)周期大大縮短，從而可把精力更多的應用程序開發(fā)上，提高了開發(fā)效率。

　　圖1 基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的硬件設計

　　1.2.1 TGS202 作為氣體傳感器

　　本系統(tǒng)采用TGS202 作為氣體傳感器來檢測空氣中含有的CO，CO2，煤氣，甲烷等氣體來檢測環(huán)境中的煙霧，當探測到這些氣體時TG202 的內阻變小，從而使得輸出端電壓快速上升，以達到檢測火災的功能。

　　通過配置PSoC 中的放大器和8 位8 通道A/D 轉換模塊，并且該內部采用了sinc2 濾波器是硬件電路來實現(xiàn)減少了CPU 的開銷，并可以進行64 倍過采樣，從而降低了對前端濾波器的抗混疊要求該濾波器。實現(xiàn)把氣體傳感器的模擬量轉化成數(shù)字量，并且重復測試三次以上將得到的數(shù)據(jù)的平均值送到指定的單元存儲。

　　一旦發(fā)現(xiàn)氣體超標則PWM 模塊輸出口就輸出1KHz的方波來驅動蜂鳴器以達到報警的目的。

　　1.2.2 溫度傳感器

　　PSoC 微控制器內部自帶溫度傳感器，其絕對溫度成正比即線性的輸出電壓。Flash Temp 應用程序接口（API）把溫度傳感器轉換為每攝氏度一個計數(shù)。PSoC內部的溫度傳感器Flash Temp 為戶模塊提供了一項bFlashWriteBlock 函數(shù)的初略溫度測量功能，它的測量范圍在-40 - +80 度之間，單位是攝氏度。

　　1.2.3 濕度傳感器

　　濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量［2］，本系統(tǒng)采用HUMIREL 公司的HM1500 濕度送變器，HM1500 的測濕元件選用濕敏電容HS1101，當外界相對濕度變化時，感濕膜能吸附和釋放水汽分子，引起其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使元件電容量改變。利用電容量與相對濕度的函數(shù)關系即可測量濕度［3］。

　　HM1500 內置放大電路，并采用了恒壓源供電能夠輸出和相對濕度呈比例的伏級電壓信號。由于溫度會影響濕敏電阻的延遲性，所以根據(jù)電壓和相對濕度的關系在PSoC 內部添加PGA 模塊進行電路補償?shù)姆绞絹韺φ`差進行補償，然后連接12 位A/D 轉換器。

　　1.2.4 LED點陣顯示屏

　　該顯示屏的實現(xiàn)過程如圖2 所示，LED點陣顯示屏是由128 個1.9mm 的8×8 的LED點陣塊組成，每八塊形成32×32 矩形點陣。采用逐行掃描方式因為掃描時間很快及人眼的視覺暫留效應，就可看到LED點陣顯示的是完整的圖形或文字。行驅動使用ULN2803高電壓大電流達林頓晶體管陣列集成芯片， 由于ULN2803 單腳最大輸出灌電流500mA，為使驅動電平匹配所以在PSoC27443 里面配置反相器模塊而且單塊列驅動電路由集成電路74HC595，它構成一個8 位串入并出的移位寄存器和一個8 位輸出鎖存器，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，通過74HC595 的級聯(lián)可實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達到重疊處理的目的。從單片機I/O 口串行輸出的點陣數(shù)據(jù)隨著移位時鐘的作用逐位移動到對應位置，在接收到鎖存信號后，將數(shù)據(jù)并行輸出至LED 的列線，最后在行驅動信號的作用下點亮一行LED象素。

　　1.2.5 PSoC 與PC 機之間的通信

　　PSoC與PC機之間的通信如圖3 所示，采用Si4432無線收發(fā)模塊通信，在這里采用的是Si4432 芯片是Silicon Labs 公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EzRadioPRo 系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9~3.6 V，可工作在315/433/868/915 MHz 四個頻段；內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調制解調器、64 字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO 等。Si4432 在使用時所需的外部元件很少，僅需30MHz 的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設計簡單，且成本低。

　　Si4432 的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極好的頻道選擇性；在240~960 MHz 頻段內，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20dBm，設計良好時收發(fā)距離最遠可達2km.

　　Si4432 可適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線RS485/RS232 數(shù)據(jù)通信等諸多領域。

　　圖3 基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)和PC 機通信的硬件框圖

　　該系統(tǒng)組成了一個星型網(wǎng)絡，PC 與多個LED顯示屏間的通信屬于多機通