摘 要： 采用Cypress公司生產(chǎn)的PSoC3芯片實(shí)現(xiàn)了一個(gè)數(shù)字電壓表的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)使用芯片集成的A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，并且通過(guò)程序調(diào)用讀取相應(yīng)的數(shù)字量及芯片強(qiáng)大的LCD顯示模塊，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量和相應(yīng)的模擬量顯示出來(lái)。本設(shè)計(jì)具有硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、軟件設(shè)計(jì)圖形化、可以充分利用PSoC提供的固件元件的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞： PSoC3；電壓表；A/D；LCD；PSoC creator
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)對(duì)測(cè)量精度和功能的要求也越來(lái)越高，而數(shù)字電壓表作為實(shí)驗(yàn)室的基本測(cè)量設(shè)備，可以很好地滿足測(cè)量的精度和功能。數(shù)字電壓表DVM（Digital Voltmeter）采用數(shù)字化測(cè)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(guò)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(hào)（電壓），然后通過(guò)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(hào)，接著通過(guò)線性化處理得到相應(yīng)的模擬量并顯示出來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)換的準(zhǔn)確性，會(huì)使用電壓表測(cè)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(gè)過(guò)程中，會(huì)遇到兩個(gè)問(wèn)題：（1）一般的電壓表精度不夠；（2）不能看到此時(shí)的數(shù)字量。本設(shè)計(jì)采用PSoC3很好地解決了這個(gè)問(wèn)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(guò)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(shí)顯示出來(lái)。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(shí)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(hào)傳送到A/D轉(zhuǎn)換模塊，將得到的數(shù)字信號(hào)傳送給LCD驅(qū)動(dòng)模塊，然后通過(guò)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(hào)處理器。此處理器以8051作為內(nèi)核，包含了非易失性存儲(chǔ)子系統(tǒng)、編程和調(diào)試子系統(tǒng)、輸入和輸出、時(shí)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(dòng)模塊來(lái)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。
2 軟件設(shè)計(jì)
2.1 開發(fā)環(huán)境PSoC Creator簡(jiǎn)介
PSoC Creator是一個(gè)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(duì)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(jiǎn)化了配置一個(gè)特殊元件的任務(wù)。設(shè)計(jì)者可以從元件庫(kù)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(gè)編輯器對(duì)話框，允許設(shè)計(jì)者根據(jù)需要對(duì)功能進(jìn)行裁減。
PSoC Creator軟件平臺(tái)自動(dòng)配置時(shí)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(duì)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(píng)估。
PSoC Creator軟件平臺(tái)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(wú)代碼大小限制）；PSoC 5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(gè)模塊，INPUT用來(lái)將外部電壓信號(hào)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(guò)線性化處理可以得到相應(yīng)的電壓值，并通過(guò)CharacterLCD驅(qū)動(dòng)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(lái)。
圖3為INPUT參數(shù)配置圖。在這個(gè)對(duì)話框中，設(shè)置Type為“Analog”，因?yàn)樵谶@個(gè)設(shè)計(jì)中，要求從外部輸入模擬電壓信號(hào)，所以采用模擬輸入模式。
2.3 程序流程圖設(shè)計(jì)
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(dòng)生成了固件元件的C語(yǔ)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(lái)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(duì)使用的元件進(jìn)行初始化和啟動(dòng)（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：
#include<device.h>
#include"stdio.h"
#include"math.h"
void main（）
{ uint32 result；
uint32 value；
char displayStr[15]={′0′}；ADC_DelSig_1_Start（）；
ADC_DelSig_1_StartConvert（）；
LCD_Char_1_Start（）；
LCD_Char_1_Position（0u，0u）；
LCD_Char_1_PrintString（"ADC Output："）；
LCD_Char_1_Position（1u，0u）；
LCD_Char_1_PrintString（"voltage："）；
for（；；）
{ADC_DelSig_1_IsEndConversion（ADC_DelSig_1_WAIT_FOR_RESULT）；result=ADC_DelSig_1_GetResult16（）；
value=result*3300/4096.0；
if（（value<0）||（value>3400））value=0；
LCD_Char_1_Position（0，strlen（"ADC Output："））；
LCD_Char_1_PrintInt16（ADC_DelSig_1_GetResult16（））；
sprintf（displayStr，"%7ldmV"，value）；
LCD_Char_1_Position（1，7）；
LCD_Char_1_PrintString（displayStr）； }
}
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(guò)簡(jiǎn)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。
參考文獻(xiàn)
[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(shí)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].