基于PSoC的車用單片機(jī)試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

　　0 引言

　　汽車單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)及教學(xué)帶來很多的麻煩，而且造價(jià)昂貴。為了減少實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，降低實(shí)驗(yàn)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(jī)教學(xué)中可代替現(xiàn)行的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，并可簡化實(shí)驗(yàn)的操作步驟、降低實(shí)驗(yàn)成本，從而給實(shí)驗(yàn)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(gè)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(dòng)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(kuò)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(jìn)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(diǎn)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(shí)，將在指定的輸入捕捉引腳上發(fā)生一個(gè)指定的沿跳變(上升沿)，定時(shí)器捕捉到該特定的沿跳變后，捕獲事件將會把計(jì)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(jī)上測量方波信號的頻率也可運(yùn)用定時(shí)器的輸入捕捉功能，由于定時(shí)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(shí)器和計(jì)數(shù)器，并且時(shí)鐘最高可達(dá)24MHz，故可任意調(diào)用以達(dá)到較高的測量范圍。

　　若定時(shí)器的系統(tǒng)時(shí)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(shí)器有溢出時(shí)，頻率fFreqValue的計(jì)算公式如下：

　　f=(NFlow×65535+NTick)FSAMPLE；

　　而定時(shí)器沒有溢出時(shí)的計(jì)算公式為：

　　f=NTickFCLOCK／NCount；

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

　　整個(gè)系統(tǒng)選用的是數(shù)字模塊中的16位定時(shí)器和24位計(jì)數(shù)器，以及模擬模塊中的比較器。定時(shí)器的捕捉使能端與比較器相連，計(jì)數(shù)器的主要作用是為定時(shí)器提供一個(gè)采樣頻率。比較器的作用是將一個(gè)模擬量電壓信號與一個(gè)參考電壓相比較，并在二者幅度相等的附近輸出一個(gè)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(zhǔn)確性，同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)器輸出高電平；而在Period寄存器自動(dòng)裝入預(yù)置數(shù)的后一個(gè)周期，定時(shí)器將輸出低電平。所以，定時(shí)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(jì)算定時(shí)時(shí)間時(shí)，可設(shè)置定時(shí)器應(yīng)用程序接口以修改計(jì)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(shí)器計(jì)一次數(shù)所需要的時(shí)間，N為周期寄存器的填充值，N加1是因?yàn)橛?jì)數(shù)器是計(jì)數(shù)到0結(jié)束而不是到1結(jié)束。因此，如果要實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比和周期的輸出，其硬件電路只需要兩個(gè)電位計(jì)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(jì)算之后再賦給定時(shí)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(jì)算得出相應(yīng)的頻率和占空比，就可通過調(diào)節(jié)電位計(jì)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(shí)現(xiàn)可調(diào)頻率和占空比并不難，但要達(dá)到一定的范圍和精度，使用一般單片機(jī)就比較困難了。由于CY8C29466型PSoC芯片的定時(shí)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(jì)數(shù)器，并選擇調(diào)節(jié)精度較高的電位計(jì)，因?yàn)檫@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(shí)驗(yàn)中，PWM波的應(yīng)用范圍很廣，電動(dòng)機(jī)控制中也廣泛使用PWM，此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制中，噴油器噴射油量的控制一般也是由PWM控制的。