基于PSoC的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)*

王鳳英 ，沈湘洪 ，劉金豹

（1.內(nèi)蒙古科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.呼和浩特市第三職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010030）

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測量技術(shù)對測量精度和功能的要求也越來越高，而數(shù)字電壓表作為實(shí)驗(yàn)室的基本測量設(shè)備，可以很好地滿足測量的精度和功能。數(shù)字電壓表DVM（Digital Voltmeter）采用數(shù)字化測量技術(shù)，把連續(xù)的模擬量（直流輸入電壓）轉(zhuǎn)換成不連續(xù)、離散的數(shù)字形式并加以顯示的儀表[1]。在設(shè)計(jì)的過程中，通常要用到A/D轉(zhuǎn)換芯片，一般在A/D轉(zhuǎn)換芯片的模擬輸入端輸入模擬信號（電壓），然后通過微型機(jī)的I/O端口讀取A/D轉(zhuǎn)換芯片數(shù)字量輸出端的數(shù)字信號，接著通過線性化處理得到相應(yīng)的模擬量并顯示出來。在這個過程中，為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，會使用電壓表測量轉(zhuǎn)化的輸入電壓與轉(zhuǎn)化后的顯示電壓進(jìn)行比較。在這個過程中，會遇到兩個問題：（1）一般的電壓表精度不夠；（2）不能看到此時的數(shù)字量。本設(shè)計(jì)采用PSoC3很好地解決了這個問題，PSoC3中集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換精度最大可以達(dá)到16位，基本可以滿足所有的精度要求；通過模塊化的調(diào)用，還可以讀取相應(yīng)的數(shù)字量，并且使用LCD顯示模塊實(shí)時顯示出來。傳統(tǒng)的指針式電壓表功能單一、精度低，不能滿足數(shù)字化時代的需求。數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)和開發(fā)已有很多類型和款式，采用PSoC設(shè)計(jì)的數(shù)字電壓表，具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)、集成方便等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為基于PSoC的數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)的原理方框圖。其工作原理：利用模擬總線將外部的電壓信號傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，將得到的數(shù)字信號傳送給LCD驅(qū)動模塊，然后通過數(shù)字總線將要顯示的內(nèi)容傳送給外部的LCD液晶顯示屏。在本設(shè)計(jì)中采用Cy83c3866AXI-040作為控制芯片，此處理器為PSoC3可編程混合信號處理器。此處理器以8051作為內(nèi)核，包含了非易失性存儲子系統(tǒng)、編程和調(diào)試子系統(tǒng)、輸入和輸出、時鐘資源、電源、數(shù)字子系統(tǒng)及模擬子系統(tǒng)。在本設(shè)計(jì)中主要使用芯片上集成的8051處理器、ADC模塊及LCD驅(qū)動模塊來實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。

Cypress半導(dǎo)體公司推出的可編程片上系統(tǒng)PSoC（Programmable System on Chip），集微控制器、可編程數(shù)字陣列和可編程模擬陣列為一體，實(shí)現(xiàn) “在系統(tǒng)可編程”，既滿足了一般電子系統(tǒng)的資源要求，又順應(yīng)了現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)方法的發(fā)展方向，非常適合用于模數(shù)混和的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[2-3]。新一代產(chǎn)品 PSoC3分別包含 8位8051微處理器、32位ARMCortex-M3微處理器。

圖1 數(shù)字電壓表原理框圖

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 開發(fā)環(huán)境PSoC Creator簡介

PSoC Creator是一個功能齊全的圖形化軟硬件設(shè)計(jì)及編程環(huán)境，帶有創(chuàng)新性的圖形設(shè)計(jì)界面，可以對PSoC3芯片進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試、工程的編譯和下載。

圖形化的設(shè)計(jì)入口簡化了配置一個特殊元件的任務(wù)。設(shè)計(jì)者可以從元件庫內(nèi)選擇所需要的功能，并將其放置在設(shè)計(jì)中。所有的參數(shù)化元件都有一個編輯器對話框，允許設(shè)計(jì)者根據(jù)需要對功能進(jìn)行裁減。

PSoC Creator軟件平臺自動配置時鐘和布線I/O到所選擇的引腳，并且為給定的應(yīng)用程序接口函數(shù)API對硬件進(jìn)行控制。在開發(fā)的任意階段，能自由地修改硬件配置，甚至是目標(biāo)處理器，也可修改C編譯器和進(jìn)行性能評估。

PSoC Creator軟件平臺的特點(diǎn)主要有：集成了原理圖捕獲功能用于設(shè)備配置；提供了豐富的元件IP核資源；集成了源代碼編輯器；內(nèi)置調(diào)試器；支持自定義元件創(chuàng)建 （設(shè)計(jì)重用）功能；PSoC 3編譯器——Keil CA51（無代碼大小限制）；PSoC5編譯器——CodeSourcery TM 的 Sourcery TM Lite版[4]。

圖2為在PSoC Creator下實(shí)現(xiàn)的數(shù)字電壓表程序功能圖。在本設(shè)計(jì)中包含 INPUT、ADC_Delsig及CharacterLCD三個模塊，INPUT用來將外部電壓信號輸入到ADC_Delsig，ADC_Delsig將范圍為 （0～Vdda）V 的電壓轉(zhuǎn)換成12位的二進(jìn)制數(shù)字量，通過線性化處理可以得到相應(yīng)的電壓值，并通過CharacterLCD驅(qū)動模塊連接外部的LCD顯示屏，將數(shù)字量和模擬量都顯示出來。

圖2 程序功能圖

圖3為INPUT參數(shù)配置圖。在這個對話框中，設(shè)置Type為“Analog”，因?yàn)樵谶@個設(shè)計(jì)中，要求從外部輸入模擬電壓信號，所以采用模擬輸入模式。

圖3 INPUT參數(shù)配置

模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC_Delsig的屬性配置如圖4所示，轉(zhuǎn)換模式為 Continuous，分辨率為 12 bit，時鐘頻率為 320 kHz，輸入模式為Single，輸入電壓范圍為Vass to Vdda，即0～5 V。

圖4 ADC_Delsig參數(shù)配置

圖5為CharacterLCD參數(shù)配置圖。

圖5 CharacterLCD參數(shù)配置

2.2 輸入輸出端口分配

圖6為輸入輸出端口分配圖。分配引腳后，就可以下載到芯片，觀察結(jié)果。

圖6 輸入輸出端口分配

2.3 程序流程圖設(shè)計(jì)

圖7 總流程圖

圖7為數(shù)字電壓表總體程序流程圖設(shè)計(jì)。在PSoC Creator開發(fā)環(huán)境支持下，編譯器自動生成了固件元件的C語言源代碼。但是，中斷子程序和main子程序僅提供了程序框架，子程序內(nèi)容需要開發(fā)者根據(jù)固件元件原理圖所要完成的任務(wù)來編寫。在工作空間瀏覽區(qū)找到元件的源程序，打開后在編輯區(qū)找到中斷子程序框架，在里面嵌入應(yīng)用的源代碼即可。在main主函數(shù)中需要對使用的元件進(jìn)行初始化和啟動（有的元件不需要），根據(jù)應(yīng)用程序流程調(diào)用元件的子程序和函數(shù)。數(shù)字電壓表的程序見下所示：

利用PSoC強(qiáng)大的圖形化集成開發(fā)環(huán)境Creator提供的固件元件實(shí)現(xiàn)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)，通過簡單的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)硬件電路是一種值得重視和推廣的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)方法。

[1]徐毅，趙龍，王海峰.基于單片機(jī)的新型數(shù)字電壓表設(shè)計(jì)[J].河南科技，2010（11）：44-45.

[2]葉朝輝，華成英.可編程片上系統(tǒng)（PSoC）原理及實(shí)訓(xùn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[3]王瑩，李健.PSoC3和 PSoC5：可編程嵌入式 SoC的新時代[J].電子產(chǎn)品世界，2009（10）：7-9.

[4]Cypress發(fā)布PSoC Creator集成開發(fā)環(huán)境.http：//www.mcuol.com/News/214/33438.htm[OL].