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

1、基于PSoC的精簡尺寸型LED點(diǎn)陣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 傳統(tǒng)采用51 單片機(jī)控制led 點(diǎn)陣的顯示屏功能相對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

2、更容易升級更新。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，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，cy8c27x

3、xx 是psoc 混合信號陣列中在模擬量中處理最為強(qiáng)的一個系列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l(wèi)ed點(diǎn)陣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比51 單片機(jī)電路更加簡單，性能更加穩(wěn)定。該芯片價格很廉價而且還增加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、可靠。軟件設(shè)計(jì)也更加簡單方便大大節(jié)省了開發(fā)周期。cy8c27443 芯片價格相比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

4、50%60%左右。表1 cy8c24533 和at89c51 之間的比較 1.2 基于psoc 的精簡尺寸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發(fā)布到led 顯示屏上顯示，當(dāng)出現(xiàn)異常情況時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。同時也可以在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

5、來發(fā)布廣告和通知等信息。由于psoc 同時具有片內(nèi)和片外系統(tǒng)時鐘源。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)動上大費(fèi)心思，這樣使底層驅(qū)動程序開發(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空氣中含有的co，co2，煤氣，甲烷等氣體來檢測環(huán)境中的煙霧，當(dāng)探測到這些

6、氣體時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。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，其絕對溫度成正比即線性的輸出電壓。flash temp 應(yīng)用程序接口（a

7、pi）把溫度傳感器轉(zhuǎn)換為每攝氏度一個計(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)的初略溫度測量功能，它的測量范圍在-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 的測濕元件選用濕敏電容hs1101，當(dāng)外界相對濕度變化時，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。利用電容量與相對濕度的函數(shù)關(guān)系即可測量濕度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濕度呈比

8、例的伏級電壓信號。由于溫度會影響濕敏電阻的延遲性，所以根據(jù)電壓和相對濕度的關(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φ`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1.9mm 的88 的led 點(diǎn)陣塊組成，每八塊形成3232 矩形點(diǎn)陣。采用逐行掃描方式因?yàn)閽呙钑r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)動電平匹配所以在psoc27443

9、里面配置反相器模塊而且單塊列驅(qū)動電路由集成電路74hc595，它構(gòu)成一個8 位串入并出的移位寄存器和一個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 的級聯(lián)可實(shí)現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，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)隨著移位時鐘的作用逐位移動到對應(yīng)位置，在接收到鎖存信號后，將數(shù)據(jù)并行輸出至led 的列線，最后在行驅(qū)動信號的作用下點(diǎn)亮一行l(wèi)ed 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sili

10、con 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1.93.6 v，可工作在315/433/868/915 mhz 四個頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、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 在使用時所需的外部元件很少，僅需30mhz 的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡單，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

11、960 mhz 頻段內(nèi)，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達(dá)+20dbm，設(shè)計(jì)良好時收發(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)組成了一個星型網(wǎng)絡(luò)，pc 與多個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 控制無線收發(fā)模塊不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，由主機(jī)控制并且在一個多機(jī)系統(tǒng)中，只有一臺主機(jī)即pc 機(jī)，各臺從機(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)過無線收發(fā)模

12、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)包在傳輸過程中會在每個包的前面加上可設(shè)置好長度的前導(dǎo)碼；接收端為了識別幀的到來，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 個字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2dd4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)載荷長度為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)載荷長度和crc校驗(yàn)

13、和都通過硬件自動加上去的，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 平臺下簡單、易學(xué)、強(qiáng)大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快、高效的可視

14、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166點(diǎn)陣字模來舉例，每一個字由16 行16 列的點(diǎn)陣組成顯示。即國標(biāo)漢字庫中的每一個字均由256 點(diǎn)陣來表示。我們可以把每一個點(diǎn)理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實(shí)上這個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，矩陣大小自動調(diào)節(jié)mscomm1.settings ：=9600，n，8，1；/參數(shù)設(shè)置，返