基于PSoC的車用單片機試驗裝置設(shè)計

　　0 引言

　　汽車單片機教學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是定時器當前計數(shù)值，NCount是計數(shù)器當前計數(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。