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

摘 要：介紹了傳統(tǒng)采用單片機(jī)控制的LED 顯示屏的設(shè)計(jì)方法與基于PSoC 技術(shù)的LED 顯示屏的設(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 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，所以大大節(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(guó)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(wú)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(wú)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(wú)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。[!--empirenews.page--]

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(wú)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(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)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)通信。采用主從式結(jié)構(gòu)：主機(jī)是PC 機(jī)通過查找相應(yīng)的地址控制不同的從機(jī)，作為從機(jī)的PSoC 控制無(wú)線收發(fā)模塊不主動(dòng)發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，由主機(jī)控制并且在一個(gè)多機(jī)系統(tǒng)中，只有一臺(tái)主機(jī)即PC 機(jī)，各臺(tái)從機(jī)之間不相互通信，即使要信息交換也必須經(jīng)過主機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。最后經(jīng)過無(wú)線收發(fā)模塊以數(shù)據(jù)包的形式，發(fā)送到LED 顯示屏。本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式如下表2 所示：其中，前導(dǎo)碼是0XFFAA55.

數(shù)據(jù)包在傳輸過程中會(huì)在每個(gè)包的前面加上可設(shè)置好長(zhǎng)度的前導(dǎo)碼;接收端為了識(shí)別幀的到來，需要前導(dǎo)碼進(jìn)行幀同步，從而確定收發(fā)系統(tǒng)之間何時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同步字在前導(dǎo)碼之后，要用設(shè)定好的同步字作為同步模式的標(biāo)志碼。本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2 個(gè)字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2DD4,接收端在檢測(cè)到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度為1 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)載荷是用戶所發(fā)送的數(shù)據(jù)。CRC 校驗(yàn)和由內(nèi)置CRC 校檢。Si4432 內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，從而前導(dǎo)碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長(zhǎng)度和CRC校驗(yàn)和都通過硬件自動(dòng)加上去的，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容如前導(dǎo)碼和同步字就可以。

表2 數(shù)據(jù)包格式

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用中斷分時(shí)處理的原理構(gòu)成系統(tǒng)主程序和中斷服務(wù)程序。其中主程序如圖4,該主程序不斷的判斷相應(yīng)的flag 是否為1 只要flag 等于1 就通過中斷進(jìn)入相應(yīng)的子程序。中斷子程序(Timer8 Interrupt)， 作時(shí)間間斷、計(jì)數(shù)器標(biāo)志單元為70H、每當(dāng)?t=100ms 到了就是相應(yīng)的flag 置1.

1.4 主機(jī)應(yīng)用程序

應(yīng)用程序如圖5 所示是利用Delphi 開發(fā)編制。

Delphi 是Windows 平臺(tái)下簡(jiǎn)單、易學(xué)、強(qiáng)大、簡(jiǎn)便易用和代碼執(zhí)行速度快、高效的可視化開發(fā)環(huán)境(IDE)，其具有所見即所得的可視化界面設(shè)計(jì)風(fēng)格和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

Delphi 提供了良好的界面設(shè)計(jì)能力，在PC 串口通信方面也有很強(qiáng)的功能。

圖5 上位機(jī)軟件界面之一

1.4.1 取模

顯示漢字必然要用到漢字的點(diǎn)陣字形信息， 也叫做漢字的字模。即漢字字形的數(shù)字化。根據(jù)漢字的顯示清晰度，本應(yīng)用軟件多種字模供用戶選擇。以16×6點(diǎn)陣字模來舉例，每一個(gè)字由16 行16 列的點(diǎn)陣組成顯示。即國(guó)標(biāo)漢字庫(kù)中的每一個(gè)字均由256 點(diǎn)陣來表示。

我們可以把每一個(gè)點(diǎn)理解為一個(gè)像素，而把每一個(gè)字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個(gè)顯示屏不僅可顯示漢字， 也可顯示在256 像素范圍內(nèi)的任何圖形。通過建立位圖的方法來取?？煞奖泔@示各種特殊字符。

取模方式可分成橫向，縱向取模，供用戶選擇。

1.4.2 Delphi 環(huán)境下串口通信實(shí)現(xiàn)方法

本系統(tǒng)選用了MSComm 控件，它通過串行端口傳送和接收數(shù)據(jù)為應(yīng)用程序提供基本的串口通信功能，使得程序員不必花費(fèi)大量的時(shí)間去了解較為復(fù)雜的API 函數(shù)。本系統(tǒng)：采用的是發(fā)送二進(jìn)制數(shù)，需要使用Variant變量矩陣，矩陣大小自動(dòng)調(diào)節(jié)mscomm1.Settings :='9600,N,8,1';//參數(shù)設(shè)置，返回波特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)位、停止位mscomm1.SThreshold:= 0;//一次發(fā)送所有數(shù)據(jù)mscomm1.PortOpen:=true; // 打開端口mscomm1.RThreshold := 16;//設(shè)置接收多少字節(jié)并產(chǎn)生OnComm 事件，捕獲并處理通信中發(fā)生的事件或錯(cuò)誤。

2 結(jié)論

采用PSoC 芯片設(shè)計(jì)的多功能精簡(jiǎn)尺寸型LED 點(diǎn)陣系統(tǒng)的功能強(qiáng)大，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，軟件編程只需要調(diào)用API 函數(shù)而且系統(tǒng)可配置可以靈活多變無(wú)需外加芯片從而大大提高了性價(jià)比。