基于PSoC的精簡(jiǎn)LED點(diǎn)陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

摘要：本文介紹了傳統(tǒng)采用單片機(jī)控制的LED顯示屏設(shè)計(jì)方法與基于PSoC技術(shù)的LED顯示屏設(shè)計(jì)方法的區(qū)別，闡述了PSoC技術(shù)在LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。以PSoC系列的CY8C27443芯片為核心的LED點(diǎn)陣顯示系統(tǒng)為例，具體描述了PSoC多功能精簡(jiǎn)尺寸型LED點(diǎn)陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、PSoC的配置和軟件功能的具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法。由于CY8C27443 芯片的內(nèi)部資源更加豐富所以進(jìn)行LED點(diǎn)陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比51單片機(jī)電路更加簡(jiǎn)單，性能更加穩(wěn)定，軟件設(shè)計(jì)也更加簡(jiǎn)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(jī)控制LED點(diǎn)陣的顯示屏功能相對(duì)比較單一若要使其實(shí)現(xiàn)功能的多樣化，則往往需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力設(shè)計(jì)復(fù)雜的外圍電路，故其系統(tǒng)設(shè)計(jì)中使軟件、硬件的設(shè)計(jì)更為復(fù)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(yùn)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(shù)所開發(fā)的多功能精簡(jiǎn)尺寸型LED點(diǎn)陣顯示屏是利用片上系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)將各個(gè)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(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的增減，這就在很大程度上彌補(bǔ)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(jí)更新。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　1.1 PSoC 系列單片機(jī)介紹

　　PSoC：（Programmable System-On-Chip）可編程系統(tǒng)級(jí)芯片，是新一代片上系統(tǒng)單片機(jī)。由賽普拉斯公司的PSoC（TM）混合信號(hào)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(kuò)充的模擬及數(shù)字組件。同時(shí)，也可將PSoC 視為8 位微控制器，即8 位單片機(jī)。但是和一般單片機(jī)不同的是它幾乎不需要外圍電路，一片PSoC 芯片就可實(shí)現(xiàn)一個(gè)電子系統(tǒng)，而且PSoC 具有比一般單片機(jī)更多的內(nèi)部資源。國外專家把它的發(fā)展喻為第二次電子學(xué)革命。本系統(tǒng)使用的PSoC 芯片是CY8C27443，CY8C27xxx 是PSoC 混合信號(hào)陣列中在模擬量中處理最為強(qiáng)的一個(gè)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(nèi)部資源更加豐富所以進(jìn)行LED點(diǎn)陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比51 單片機(jī)電路更加簡(jiǎn)單，性能更加穩(wěn)定。該芯片價(jià)格很廉價(jià)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(nèi)部這樣就使得外圍電路大大減少，硬件電路尺寸更加精簡(jiǎn)、可靠。軟件設(shè)計(jì)也更加簡(jiǎn)單方便大大節(jié)省了開發(fā)周期。CY8C27443 芯片價(jià)格相比51單片機(jī)來說雖然高出了2-3 倍但是內(nèi)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(jiǎn)尺寸LED點(diǎn)陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　基于PSoC 的多功能精簡(jiǎn)尺寸型LED點(diǎn)陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)如圖1 所示，以PSoC 為控制器的LED點(diǎn)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(nèi)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(shí)發(fā)布到LED顯示屏上顯示，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時(shí)還可以通過蜂鳴器發(fā)出報(bào)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(jī)進(jìn)行外部環(huán)境監(jiān)測(cè)。同時(shí)也可以在PC 機(jī)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(shí)具有片內(nèi)和片外系統(tǒng)時(shí)鐘源。從而且顯示屏掃描速度可以提高，使得產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)性能更加可靠，加之PSoC可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)所以產(chǎn)品更加靈活多變，功能更加齊全；軟件設(shè)計(jì)方面有廠商提供的API 函數(shù)可供調(diào)選，編程者無須向使用51 單片機(jī)那樣在底層驅(qū)動(dòng)上大費(fèi)心思，這樣使底層驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)周期大大縮短，從而可把精力更多的應(yīng)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(jiǎn)尺寸型LED點(diǎn)陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　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(cè)空氣中含有的CO，CO2，煤氣，甲烷等氣體來檢測(cè)環(huán)境中的煙霧，當(dāng)探測(cè)到這些氣體時(shí)TG202 的內(nèi)阻變小，從而使得輸出端電壓快速上升，以達(dá)到檢測(cè)火災(zāi)的功能。

　　通過配置PSoC 中的放大器和8 位8 通道A/D 轉(zhuǎn)換模塊，并且該內(nèi)部采用了sinc2 濾波器是硬件電路來實(shí)現(xiàn)減少了CPU 的開銷，并可以進(jìn)行64 倍過采樣，從而降低了對(duì)前端濾波器的抗混疊要求該濾波器。實(shí)現(xiàn)把氣體傳感器的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并且重復(fù)測(cè)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(chǔ)。

　　一旦發(fā)現(xiàn)氣體超標(biāo)則PWM 模塊輸出口就輸出1KHz的方波來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器以達(dá)到報(bào)警的目的。

　　1.2.2 溫度傳感器

　　PSoC 微控制器內(nèi)部自帶溫度傳感器，其絕對(duì)溫度成正比即線性的輸出電壓。Flash Temp 應(yīng)用程序接口（API）把溫度傳感器轉(zhuǎn)換為每攝氏度一個(gè)計(jì)數(shù)。PSoC內(nèi)部的溫度傳感器Flash Temp 為戶模塊提供了一項(xiàng)bFlashWriteBlock 函數(shù)的初略溫度測(cè)量功能，它的測(cè)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(cè)濕元件選用濕敏電容HS1101，當(dāng)外界相對(duì)濕度變化時(shí)，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(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系即可測(cè)量濕度［3］。

　　HM1500 內(nèi)置放大電路，并采用了恒壓源供電能夠輸出和相對(duì)濕度呈比例的伏級(jí)電壓信號(hào)。由于溫度會(huì)影響濕敏電阻的延遲性，所以根據(jù)電壓和相對(duì)濕度的關(guān)系在PSoC 內(nèi)部添加PGA 模塊進(jìn)行電路補(bǔ)償?shù)姆绞絹韺?duì)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，然后連接12 位A/D 轉(zhuǎn)換器。

　　1.2.4 LED點(diǎn)陣顯示屏

　　該顯示屏的實(shí)現(xiàn)過程如圖2 所示，LED點(diǎn)陣顯示屏是由128 個(gè)1.9mm 的8×8 的LED點(diǎn)陣塊組成，每八塊形成32×32 矩形點(diǎn)陣。采用逐行掃描方式因?yàn)閽呙钑r(shí)間很快及人眼的視覺暫留效應(yīng)，就可看到LED點(diǎn)陣顯示的是完整的圖形或文字。行驅(qū)動(dòng)使用ULN2803高電壓大電流達(dá)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(qū)動(dòng)電平匹配所以在PSoC27443 里面配置反相器模塊而且單塊列驅(qū)動(dòng)電路由集成電路74HC595，它構(gòu)成一個(gè)8 位串入并出的移位寄存器和一個(gè)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(dú)立的，通過74HC595 的級(jí)聯(lián)可實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時(shí)，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達(dá)到重疊處理的目的。從單片機(jī)I/O 口串行輸出的點(diǎn)陣數(shù)據(jù)隨著移位時(shí)鐘的作用逐位移動(dòng)到對(duì)應(yīng)位置，在接收到鎖存信號(hào)后，將數(shù)據(jù)并行輸出至LED 的列線，最后在行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的作用下點(diǎn)亮一行LED象素。

　　1.2.5 PSoC 與PC 機(jī)之間的通信

　　PSoC與PC機(jī)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(gè)頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時(shí)器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)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(shí)所需的外部元件很少，僅需30MHz 的晶振、幾個(gè)電容和電感就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且成本低。

　　Si4432 的接收靈敏度達(dá)到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴(kuò)大傳輸范圍的同時(shí)將功耗降至最低；最小濾波帶寬達(dá)8 kHz，具有極好的頻道選擇性；在240~960 MHz 頻段內(nèi)，不加功率放大器時(shí)的最大輸出功率就可達(dá)+20dBm，設(shè)計(jì)良好時(shí)收發(fā)距離最遠(yuǎn)可達(dá)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(lǐng)域。

　　圖3 基于PSoC 的多功能精簡(jiǎn)尺寸型LED點(diǎn)陣系統(tǒng)和PC 機(jī)通信的硬件框圖

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