基于PSoC 3的傳感器教學實驗平臺研制

王廣君, 李　寧

(1. 中國地質大學(武漢) 自動化學院, 湖北 武漢　430074；2. 中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院, 湖北 武漢　430074)

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基于PSoC 3的傳感器教學實驗平臺研制

王廣君1, 李寧2

(1. 中國地質大學(武漢) 自動化學院, 湖北 武漢430074；2. 中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院, 湖北 武漢430074)

結合傳感器實驗課程,研制了一款基于PSoC 3(programmable system-On-Chip 3,片上可編程系統)的傳感器實驗平臺。該實驗平臺以美國Cypress公司生產的PSoC 3為核心,根據PSoC 3所集成的微控制器以及嵌入式系統中常用的模擬、數字等優點,實現了傳感器實驗中的溫度、光電、霍爾以及其他常用傳感器的數據采集與處理,并通過USB2.0與基于LabVIEW設計的上位機軟件進行數據交互與處理。該平臺體積小、功能強大,配有外部擴展用的通用接口(GPIO)和可編程差分放大接口(SIO)。該實驗平臺除了可以開設傳統實驗外,還可以進行自主實驗和拓展創新實驗。

實驗平臺； 片上可編程系統； PSoC 3； 傳感器技術

“傳感器實驗”是一門多交叉、綜合性強的課程,涉及到控制技術、通信技術、電子技術以及物理學等相關知識,且與生產、科研、實踐聯系密切。在現代控制技術和檢測技術中具有相當重要的地位[1-2]。由于傳感器實驗課程涉及測量種類范圍較廣,某些實驗平臺不得不采用多個CPU之間相互通信的方式進行數據的測量和處理,因此在設計上容易導致電路繁雜、體積龐大、操作繁瑣,設計成本較高,且硬件故障率高、檢修麻煩。同時,由于傳感器種類不同,對數據采集的精度和速度也要求不同,給前置放大電路和數據采集系統的設計帶來困難。

本文介紹了一種基于PSoC的傳感器教學實驗平臺,該平臺的控制芯片采用了美國Cypress公司生產的超低功耗閃存可編程片上系統(programmable system-On-Chip 3)PSoC 3。該芯片集成了8051內核,工作頻率高達67 MHz,單周期指令工作方式比標準8051處理器快10倍。同時,圍繞CPU子系統提供了多個可配置的模擬、數字和互連電路模塊[3-4]。通過CPU同高度靈活的模擬子系統、數字子系統、路由及I/O口相結合,實現了設計的高度集成。

1　實驗平臺總體概述

傳感器數據采集系統實質為傳感器測量數據的處理,要進行相應的濾波、放大、A/D轉換和信號調理[5]。本實驗平臺是一個典型的傳感器數據采集系統,硬件部分由外部傳感器、信號調理機制、數據采集、USB傳輸和PC機等部分組成；軟件部分由固件、驅動和應用程序組成。采用PSoC 3的最大優勢是,可以實現濾波器編程、運算放大器編程設及AD精度和速率可編程的模擬和數字系統的設計[6],簡化了電路的設計。根據每個組件配有的標準API函數進行快速編程,使得程序設計簡單快捷。

2　實驗平臺硬件系統設計

2.1實驗平臺結構介紹

本實驗平臺是一種多功能、擴展性強的傳感器教學實驗平臺。平臺采用了模塊化的設計方案,主要由外部模塊和內部模塊組成。外部模塊由各類外接傳感器數據采集模塊和PC機上位機模塊組成；內部模塊由PSoC 3內部的可編程數字模塊、可編程模擬模塊、可編程USB通信模塊和其他可編程模塊組成。該平臺充分利用了PSoC 3內部豐富的可編程資源進行設計。實驗平臺結構圖見圖1。

圖1　實驗平臺結構圖

2.2獨立傳感器模塊

該實驗平臺采用獨立設計的各類外接傳感器模塊,實驗時按照要求將不同的傳感器模塊連接至實驗平臺,實驗的連線過程不僅是模仿的過程,更是能啟發學生的聯想力、創造力和增強動手能力的過程。

2.3PSoC 3內部可編程資源

PSoC 3內部集成了豐富的可編程數字子系統和可編程模擬子系統。可編程數字子系統能夠針對應用創建標準數字外設、高級數字外設和定制邏輯功能的組合,數字子系統有20～24個通用可編程邏輯器件(programmable logic device,PLD)的通用數字模塊(UBD),4個16位的可配置定時器、計數器和PWM模塊,通用異步收發器(UART)、串行外設接口(SPI)、I2C、CAN2.0b和全速USB2.0,以及可用于實現FIR和IIR數字濾波器設計的67 MHz、24位的定點數字濾波器模塊(DFB)；可編程模擬子系統提供了靈活可配置的模擬全局總線、模擬復用器總線和模擬局部總線,高分辨率的Δ-∑ADC、4個可配置DAC、4個電壓比較器、4個運算放大器、用于電容式觸摸的CapSense子系統和用于為內部模擬模塊產生精確模擬電壓的高精度參考源。

(1) 可編程差分放大接口(SIO)。PSoC 3專門提供了用于連接CPU、數字外設和中斷的接口,并能夠提供可編程的高閾值電壓、模擬比較器和非常高的灌電流,在器件未加電壓時保持處于高阻態。該實驗平臺利用PSoC 3特有的SIO接口和內置可編程運算放大器,設計了有兩單端、兩差分輸入的運算放大接口,以實現對輸入模擬量的處理,進行相關實驗的測量。

PSoC 3內部包含了最多4個通用的運算放大器。運算放大器結構圖見圖2,這些運算放大器可配置為增益級、電壓跟隨器、或者外部/內部信號的輸出緩沖區。

圖2　PSoC 3內部通用運算放大器結構圖

如圖3所示,在任何一種配置中,輸入/輸出信號都能夠連接到內部全局信號,并使用ADC或電壓比較器進行監控。通過使用這些信號和GPIO引腳之間的模擬開關來實現用戶配置。

圖3　PSoC 3內部通用運算放大器配置

運算放大器有慢速、中速、快速3種工作模式。慢速有最小的靜態功耗,快速有最大的靜態功耗。輸出具有軌對軌擺動能力,在低電流輸出下,輸出電壓值在VSSA+50 mV≤Vout≤VDDA-50 mV內擺動。當驅動高電流負載(約25 mA)時輸出電壓值在VSSA+500 mA≤Vout≤VDDA-500 mV范圍內擺動[7]。

(2) 可編程通用接口(GPIO)。PSoC 3的GPIO引腳允許硬件資源連接到物理端口引腳,該組件通過合理配置的物理I/O接口來訪問外部信號。該芯片的最大優點在于引腳可編程,可以通過PSoC Creator軟件來進行引腳組件的配置,配置模式有數字輸入、數字輸出、數字雙向和模擬；還可以配置成高阻抗模擬、高阻抗數字、電阻上拉、電阻下拉、低驅動開漏、高驅動開漏、強制驅動和上拉/下拉電阻等模式,如圖4所示。PSoC 3引腳的可編程功能極大地方便、快捷地滿足了用戶對各類引腳功能的配置。

圖4　GPIO引腳配置功能圖

(3) USB 2.0數據通信。PSoC 3提供了一個專用12 Mbps全速USB 2.0可編程收發器,支持控制傳輸、中斷傳輸、批量傳輸和同步傳輸4種USB傳輸類型,兼容USB 2.0通信協議,可以實現硬件的即插即用和熱插拔。USB外設通過PSoC 3上的2個專用USBIO引腳與主機相連,實現數據的發送和接收[8]。圖5為USB模塊結構圖。

圖5　PSoC 3 USB模塊結構圖

PSoC 3特有的可編程全速USB模塊,優點在于免去了像其他USB設備開發的繁瑣復雜,用戶可以根據自己的需要,利用官方給出的API功能函數和驅動文件來完成組件的配置和程序的編寫,使得USB開發和上位機軟件交互設計變得方便快捷。

3　實驗平臺支持的實驗項目

該平臺在基于可編程片上系統的基礎上,可以完成對溫度、轉速、振動、重量、超聲波、單端/差分輸入對應的模擬量測量和GPIO接口輸入對應的數字量測量,以及自主設計的實驗數據測量。可以方便學生特殊需要的學習和探索擴展。增強學生的探索精神和動手能力。主要實驗項目見表1。

表1　實驗平臺支持實驗項目

3.1溫度采集

本實驗平臺的溫度傳感器采用的是PT100鉑熱電阻,考慮到溫度數據采集的穩定性和高精度,外部電路采用了AD620儀器高精度放大器。然后依次通過PSoC 3內部的濾波器、運算放大器、A/D采樣、RTD溫度計算器進行相關的信號調理和計算,最后輸出精度為0.01 ℃的溫度值。溫度采集框圖見圖6。式(1)和式(2)為RTD溫度計算器組件的高階方程組求解關系式。

圖6　溫度采集框圖

當T>0°時有

(1)

其中,RT是T時的電阻值。

在0 ℃以下時,除A和B外,還涉及第3個常量(C),如等式(2)所示:

(2)

針對標準工業級鉑,PT100RTD的A、B、C已經指定,分別為:

(3)

(4)

(5)

多項式系數通過最小二乘方擬合方法獲得。本平臺設計為精度0.05的四階方程組求解[9]。

3.2光電/霍爾轉速采集

本實驗平臺的光電/霍爾轉速采集部分,外部傳感器采用由12 V直流電機搭載的光電/霍爾傳感器組成,通過電機驅動電路,將采集數據送至PSoC 3,再由PSoC 3內部的濾波器、定時器、計數器以及PWM控制器、PID編程算法進行數據采集與處理[10],最后將數據通過USB 2.0傳到上位機,采集框圖見圖7。

圖7　光電/霍爾轉速采集框圖

4　實驗平臺的軟件設計

本實驗平臺的特色之一在于軟件部分的設計。軟件部分采用了基于LabVIEW的G語言開發,可以在Windows操作系統中運行。將虛擬儀器技術引入到傳感器實驗是目前高校中實驗教學的一個重要方向[11]。基于LabVIEW的圖形化虛擬儀器開放平臺從根本上更新了儀器的概念,它既有傳統儀器的特征,又有傳統儀器無法比擬的優勢,操作人員可以在PC機上就可以像操作傳統儀器一樣完成對被測對象的信息采集、分析、顯示和存儲[12-13]。

在溫度和光電/霍爾采集等實驗中,可以通過軟件部分設置手動/自動控制,如圖8所示。手動情況下,通過調節軟件界面上相應的控制按鈕來控制外部繼電器運行與停止,直接實現對外接傳感器模塊的控制；自動情況下,在軟件相應的位置手動輸入預期指標值,經過PSoC 3相應的編程計算,來實現對外接傳感器模塊的控制,實現采集數值與設定數值的統一。

圖8　實驗平臺軟件運行界面

5　結語

本文設計了一種基于PSoC 3核心芯片和其他外圍功能模塊的傳感器教學實驗平臺。該平臺充分利用了PSoC 3內部豐富的可編程數字資源和可編程模擬資源進行設計。硬件電路簡單、體積小、成本低、可擴展性強。軟件部分的界面友好,易于操作。除了可以實現開設傳統實驗外,還可以進行自主實驗和拓展創新實驗,增強了學生的動手能力和探索精神,讓學生對傳感器工作原理及應用有更深刻的理解和認識,適合于各類高校的傳感器實驗教學。

References)

[1] 張宣妮.《傳感器原理及應用》課程教學改革[J].科技信息,2009(31):22-23.

[2] 張崢,吳瓊水.《傳感器原理》實驗課程教學改革探討[J].長江大學學報:自然科學版,2011,8(2):127-128.

[3] 王廣君. PSoC4技術與應用[M].北京:清華大學出版社,2014.

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[5] 童永嬌.傳感器實驗平臺的相關技術研究[D].武漢:中國地質大學(武漢),2012.

[6] 何賓. 可編程片上系統PSoC設計指南[M].北京:化學工業出版社,2011.

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[10] 何賓. 8051片上可編程系統原理及應用[M].北京:化學工業出版社,2012.

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[13] 盧超,楊琳瑜,鄔冠華.基于虛擬儀器的傳感器課程綜合實驗教學[J].實驗室研究與探索,2005,24(11):69-71.

Development of sensor teaching experimental platform based on PSoC 3

Wang Guangjun1, Li Ning2

(1. School of Automation ,China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China;2 School of Mechanical & Electronic Information, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074,China)

Combined with sensor experiment in universities curriculum, a sensor experimental platform based on PSoC 3(Programmable System-On-Chip 3) is developed. The experimental platform works around the PSoC 3 produced by United States Cypress Company as the core. With the microcontrollers integrated by PSoC 3 and the advantages commonly used in embedded systems such as analog, digital and so on, the experimental platform realizes the data acquisition and processing of the temperature, photoelectric, Hall and other common sensors used in sensor experiments, and carries out data exchange and processing with PC software designed based on LabVIEW via USB2.0. The platform is small and powerful, with general purpose input output (GPIO) and programmable differential amplifier super input output (SIO) for external expansion. Beside setting up traditional experiment, the platform also can be used for independent and developed innovative experiments.

experimental platform; programmable system-on-chip; PSoC 3; sensor technology

2015- 08- 01修改日期:2015- 10- 13

王廣君(1964—),男,河南禹州,博士,教授,自動化學院副院長,主要研究方向為圖形處理、模式識別、虛擬儀器、智能儀器與信息處理、數字系統設計

E-mail:gjwang@cug.edu.cn

李寧(1989—),男,河北任丘,工學碩士研究生,主要研究方向為智能儀器與信息處理.

10.16791/j.cnki.sjg.2016.03.018

儀器設備研制與應用

TP212.1；G484

A

1002-4956(2016)3- 0066- 04