自动化毕业设计论文基于PSOC的片上系统设计.docx
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自动化毕业设计论文基于PSOC的片上系统设计
基于PSOC的片上系统设计
摘要
现在使用的大多数电子系统设计大多是数字与模拟的混合系统。
在电子技术课程的系统设计中，我们所用的半导体器件一般为中小规模集成电路，分立元件和可编程器件，但是大部分的可编程器件仅仅只是单一的数字或者是模拟器件，所以我们在搭建系统的时候需要外接其它的器件，使系统设计变得复杂，达到设计的要求。
所以，学生和辅导老师会把比较多的精力和时间花费在搭建系统和排除故障上，从而淡化了对电子系统设计的基本要求，影响学生创新能力和实践能力的培养。
而可编程片上系统（ProgrammableSystemonChip,简称PSoC）,集微控制器，可编程数字阵列和可编程模拟阵列为一体，能实现“在系统可编程”，既满足了一般电子系统的资源要求，又顺应了现代电子设计方法的发展方向，利用其设计电子系统不仅快捷方便，而且能充分发挥学生的创造力。
本设计是基于PSOC的系统设计，开发工具使用的是Cypress公司的PSoCCreator3.0,通过硬件电路的的制作以及软件程序的编制，实现Capsense滑块控制LED的亮度。
本文简单介绍了PSOC的特点，以及基于单片机控制的区别，感应电容与传机械按键的区别，该系统应用领域广，成本低，工作可靠，具有很高的工程应用价值。
关键词：
可编程片上系统（PSoC）；电容感应；Capsense滑块
Abstract
Nowmostoftheelectronicsystemdesignusingmostlyamixofdigitalandanalogsystems.Inthedesignofelectronicsystemstechnologycurriculum,weusesemiconductordevicesingeneralforsmallandmedium-scaleintegratedcircuits,discretecomponentsandprogrammabledevices,butmostjustasingleprogrammabledeviceisanalogordigital,sowesetupthesystemwhentheneedforadditionalexternaldevices,thesystemdesignbecomescomplicated,tomeetthedesignrequirements.Therefore,studentsandtutorswillbemoretimeandenergyspentonbuildingsystemsandtroubleshooting,andthusdilutethebasicrequirementsforelectronicsystemdesign,theimpactoftrainingcreativeabilityandpracticalability.Theprogrammablesystemonchip（ProgrammableSystemonChip,referredPSoC）,setamicrocontroller,programmabledigitalarrayandprogrammableanalogarrayasawhole,toachieve"in-systemprogrammable",bothtomeettheresourcerequirementsofgeneralelectronicsystems,butalsoconformtothedevelopmentofmodernelectronicdesignmethods,theuseofanelectronicsystemdesignednotonlyconvenient,butalsogivefullplaytotheircreativity.ThedesignisbasedPSOCsystemdesign,developmenttoolsusingCypress'sPSoCCreator3.0,throughthedevelopmentofsoftwareprogramsandhardwareproductioncircuit,toachieveCapsenseslidercontrolsthebrightnessoftheLED.ThispaperbrieflydescribesthecharacteristicsofthePSOC,anddistinguishthedifferencebetweenmicrocontroller-basedcontrol,sensorcapacitanceandmassmechanicalkeys,thesystemwideapplications,lowcost,reliable,withhighengineeringvalue.
Keywords:
PSoC;Capacitivesensing;Capsenseslider
第一章绪论
1.1设计背景和意义
随着电子技术的发展，触摸感应技术已进入我们的生活，越来越多的人们开始讨论和使用触摸感应技术，尤其是在多媒体触摸终端上的广泛使用。
触摸感应技术之所以能快速、广泛的推广，是因为其具有坚固耐用、反应速度快、节省空间、易于交流等许多优点。
Cypress公司为PSoC系列产品集成了CapSense触摸感应技术，它利用电容感应原理来判断手指或其他导体存在与否的触摸感应技术，它可以替代机械按键、机械滑条、薄膜键盘等，实现触摸式按键（Button）、触摸式滚动条（Slider）、触摸式平板（TouchPad）及接近式感应等。
本文提出一种基于PSOC的Capsense触摸感应滑条块控制LEN灯的颜色渐变，它使用的开发工具是赛普瑞斯公司开发的PSOCCreator3.0实现的功能主要包含数据的输入，数据的处理，数据的显示。
该设计能实现LED灯颜色渐变。
设计任务：
Capsense触摸感应滑块对LED灯的控制
1.2设计思路
如何通过触摸感应滑块控制LED灯颜色的变化呢？
答案就是触摸感应滑块可以检测到手指的位置，通过PWM的控制，就可以实现LED灯的颜色渐变了。
绿色和红色发光二极管的亮度是基于用户的手指的位置不同，设计工程采用小红板上的五段Capsense滑块，滑块上的每个电容传感器是利用塞普拉斯的CSD的Capsense组件实现算法。
算出手指的位置，把这个信号传达给PWM，在一定的频率的方波中，调整高电平和低电平的占空比，即可实现。
比如本次设计我们用高电平点亮一个LED灯，我们假设把一个频率周期分为10个时间等份，如果方波中的高低电平占空比是9：
1，这个就是一个比较暗的亮度，如果方波中高低电平占空比是10：
0，这时，全部是高电平，灯是灭的。
如果占空比是5：
5，就是一个中间亮度，如果高低比是1：
9，是一个比较亮的亮度，如果高低是0：
10，这时全部是低电平，就是最亮的。
实际上应用中，电视屏幕墙中的几十百万LED象素都是这样控制的，而且每一个象素都有红绿蓝3个LED，每个LED可以变化的亮度是几百到几万或者更多的级别，以实现真彩色的显示。
还有在您的手机中，背光灯的亮度如果是可以变化的，也应该是这种工作方式。
目前的城市彩灯也有很多都使用了LED，需要控制亮度是也是PWM控制。
在程序中，我们将定时器2溢出定为1/1200秒。
每10次脉冲输出一个120HZ频率。
这每10次脉冲再用来控制高低电平的10个比值。
这样，在每个1/120秒的方波周期中，我们都可以改变方波的输出占空比，从而控制LED灯的10个级别的亮度。
为什么输出方波的频率要120HZ这么高？
因为如果频率太低，人眼就会看到闪烁感觉。
一般起码要在60HZ以上才感觉好点，120HZ就基本上看不到闪烁，只能看到亮度的变化了。
1.3本文的安排
第一章简述电容触摸感应的背景及发展
第二章简述psoc技术特点
第三章分析硬件电路，包括PSOC的资源配置以及本设计中用到的模块
第四章分析PSOCCreator3.0软件的一般开发流程及本设计中的软件部分
第五章对所做设计进行调试和测试
第二章简述PSOC
2.1PSOC技术特点
作为新的嵌入式系统的设计平台，使用PSOC进行嵌入式系统设计具有以下几个方面的优点
（1）定制
基于PSOC嵌入式系统，系统的设计人员能够很灵活自由地选择所需要连接的外部设置和控制器。
所以，设计人员能够设计出一个非常独特的外部设置，这个外部设置可以直接和总线相接。
不是标准的外部设置，系统设计人员能够非常容易使用PSOC内嵌的UDB阵列来实现对不是标准外设的定制。
例如，系统设计工作者很容易在PSOC上设计出多个UART接口的嵌入式系统，而这些在传统的单片机和嵌入式系统是没有办法实现的。
所以，在PSOC平台中，向这样的相似的配置是非常容易实现的。
（2）降低元件成本
由于基于PSOC平台的嵌入式系统的功能非常的多，以前需要用很多元件才得以实现的设计系统，而现在只需要使用一个PSOC芯片实现设计功能。
例如，辅助I/O芯片或协处理器和现有的处理器之间的连接。
我们在设计时减少在设计中所使用的元件的数目，不仅可以降低元件的成本，而且能够非常大的缩小电路板的尺寸，提高系统的可靠性。
（3）硬件加速
之所以要选择可编程片上系统PSOC,重要的原因就是，PSOC能够在软件和硬件的中间进行权衡，让嵌入式系统最终可以达到最大的效率和最好的性能。
例如，当我们在做系统设计的时候，遇到软件算法无法实现嵌入式系统设计的时候。
这个算法的实现可以通过用一个定制的协处理器引擎来最终实现，这个协处理器通过特定的通道与嵌入式处理器连接。
可以用现在的硬件工具，很容易将软件难以解决的问题转化为硬件方面的处理。
2.2设计重用技术与项目的可继承性
设计重用技术并不是一个新的思想，它在很多年前就已经提出，把它作为一个正在完成项目的必要的部分。
之所以使用设计重用技术，就是让设计人员能够尽可能不需要修改一个设计或者说尽可能很少的修改，就可以使该设计可以在不同的平台之间运行和实现。
到目前，实际上，设计重用个思想都没有能够完全的让它实现，大多数的做法都是，单纯的软件（RTOS,协议栈，实时库等等）或硬件（微处理器核，可重用的IP核外设，硬件加速器等）的复用，并不是所有的软硬件的复用。
设计重用这个思想非常引人入胜，但是到目前为止，标准的解决方式仅仅是迫使在项目的另一部分加入“定制”的开发，这不能根本上解决问题。
使得IP核重用利用最大化的方法是将软件和硬件作为“同等地位”的“合作者”，不需要使得软件或硬件的任何一方需要了解对方的具体实现过程。
实现这个目的的方法是，在定义硬件IP核的时候，顺便也要考虑到软件和开发工具，这样在应用程序和硬件之间的接口就非常方便、高效，同时，彼此不需要“深入了解对方”。
Cypress的PSOCCreator开发平台非常好地实现了设计重用这个思想，并且将其转变成现实，即，在生成硬件IP时，也同时提供了对应的我们所需要的软件API函数，这样使得设计能够更容易运行，可以更快的速度完成，更加容易维护和便携。
我们在使用HDL语言开发IP核时，用户例化他要用到的IP核时后，也为每个被例化的IP核产生对应的API函数。
在PSOCcreator中支持这种功能并且还能完全的展示出它的强大的设计重用功能，元件用API函数进行封装从而使软件的开发得以简化，并且提高设计过程的速度。
PSOCCreator还用原理图来捕获接口，在建设原理图的界面内，工作人员通过从模拟和数字元件库中通过拖拉元件到与力图界面来创建设计。
一个元件对应一个在原理图界面内可见的字符或者由其它原理图的实现构成。
当设计者在创建设计的时候，软件就可以根据元件的名称产生对应的API函数。
PSOCcreator内的元件都是参数化的，对于那些重要的设置选项，比如UART中的流控制和波特率，有些没有必要的功能通过参数的设置可以从具体实现中删掉。
2.3PSOC与单片机，FPGA的区别及应用特色说明
单片机、PSOC、FPGA、DSP四者的主要区别，我们可以粗略地用数学公式表达如下：
PSoC=MCU+可编程模拟外围电路+可编程数字外围电路。
FPGA=可编程数字外围电路。
单片机=mcu+有限的固定的模拟或数字外围
DSP=特殊微处理器
ispPAC=可编程模拟
PSoC的最大特点就是集成度高，设计灵活。
可以看成是MCU，FPGA/CPLD,ispPAC集合。
1.它里面包含MCU，它可以很方便的实现系统设计，虽然FPGA可以通过设计实现软核，但增加了设计难度，性能也达不到硬核的程度。
2.PSoC还包含可编程数字模块（类似FPGA/CPLD），以及可编程模拟模块（类似ispPAC），即具有处理数字和模拟两种信号的能力，此外，PSOC具有的A/D,D/A模块解决了两种信号的接口问题.
3.PSoC设计很简单，并且可以实现设计重构。
4.psoc除了具备一般单片机的资源外，还有可编程时钟，低电压检测，升压泵，内部精密参考电压等等资源。
第三章硬件电路分析
3.1PSOC的内部资源与结构
如图3-1是PSOC的内部结构图
如图3_1所示,PSoC的内部结构可以划分为2个大块。
如图3_1的上半部分是一个很典型的微控制器系统，FLASH和SRAM以及8位CPU构成基本的微处理器系统。
在芯片内已经有时钟振荡器，所以不需要在外部提供时钟，此外，器件内部还建有温度传感器，接近度传感器和基准参考电平电路。
如图3_1的下半块就是PSoC的结构模块单元，他由许多数字PSoC模块和模拟PSoC模块和可编程互联阵列（PIA）构成。
这些数字和模拟PSoC模块通过PIA的互联可以组合成各种外围设备,用户模块就是这些被组合而成的外围设备。
数字用户模块主要包括UART，PWM，SPI接口等；模拟用户模块主要包括ADC，DAC，放大器、滤波器等；混合模块主要包括DTMF发生器、Modem等。
可以通过PIA把这些用户模块连接到I/O口的管脚（GPIO）上。
除此这些之外，芯片内还集成有累加和乘法器单元以支持DSP算法，以及数字滤波器专用的采样电路模块。
PSOC内有一个内核（M8CCPUCORE），所有的外围器件主要有模拟和数字模块、乘法器、累加器、静态存储、中断控制器、分频器、看门狗、休眠记时器、复位电源，这些器件是通过系统的内部总线和PSOC内核相连。
闪存、震荡器、锁相环和PSOC内核直接相连。
模拟与数字模块通过比较器相连。
模拟模块可以采用数字模块的时钟信号。
外部的信号通过芯片的管脚进到PSOC，然后再通过多路开关从而进入到模拟模块，管脚的输出可以有模拟模块驱动。
通过输入输出总线把数字模块和外部管脚相连，模拟模块之间由指定模块中的参数值直接表示出来。
，通过模拟时钟开关把数字模块和模拟模块连接。
比较单元总线连接模拟单元总线的输出到数字模块的输入。
CYPRESSMICROSYSTEMSINC生产的PSOC是新一代的8位可配置微控制器，功能非常强大。
PSOC器件上有集成模数逻辑电路两种可编程模块、8根独立的输入/出总线、256字节SRAM以及乘法器/累加器，一个快速8位MCU16KB闪存、，它的能够使用的BLOCK资源包含：
基本类型与通信类型的数字BLOCK各四个，基本类型数字BLOCK可配置：
定时器；计数器；循环冗余码校验；脉宽调制；。
通信类型数字BLOCK可配置：
SPI；串行发；串行接收；SPI主端。
使用模拟BLOCK可配置：
多极滤波器；放大器；数模转换；模数转换。
设计人员在实现微控制器标准外围器件的功能的时候可以用这些资源配置不同的功能模块。
所有PSOC器件都为可动态重配置的器件，使设计人员能够动态地设计并实现新的系统功能。
同一芯片的不相同功能可以在不相同的时钟周期中被设计人员使用，提高芯片利用率。
由于PSOC的集成化结构，所需的模拟和数字元件的数量被大量的减少，节省了成本。
此外，PSOC的内部资源极为丰富，PSOC的可编程性大大缩短了开发时间，能让产品更快上市。
它可以在工业、消费类、办公自动化、汽车和电信领域应用中实现大量嵌入式控制功能。
3.1.1CY8C4245AXI-483的内部资源
CY8C4245AXI-483
LCD驱动
是
运算放大器
2
CPU核
ARMCortex-Mo
最高工作频率（MHZ）
48
合格汽车
否
Capsense
是
最低工作电压（V）
1.71
最高工作电压（V）
5.50
最低工作温度（摄氏度）
-40
最高工作温度（摄氏度）
85
比较器
2
GPIO编号
36
SRAM（KB）
4
定时器/控制器/PWM
4
CAN控制口
0
串行通信块
2
通用数字块
4
ADC
SAR（1，12位@1msps）
闪存（KB）
32
3.2模块电路分析
以下给出以PSOC芯片为核心的触摸感应实现LED灯颜色的变化的各单元实现方案。
3.2.1Capsense模块
Capsense概述：
CapSense触摸感应技术是可用于触摸式滚动条（Slider）、触摸式平板（Touchpad）、触摸式按键的触摸感应技术。
它利用PSoC的芯片一些特有的资源，触摸感应的实现是通过电容感应的原理和松弛振荡器技术地利用。
CapSense电容式触摸感应按键技术与其它触摸感应技术的不同之处，主要是因为，CapSense的每一个按键的灵敏度可以地单独调整，每个芯片可以在相同的时候操作多个触摸式按键与触摸式滚动条等优点，而且几乎不需要外部设备。
只要碰触，就可以实现对方向、按键、量化调节等功能的控制。
可以代替传统的轻触按键和薄膜键盘，用于各种家电产品，而且产品有60种以上型号的封装。
原理：
电路板上两块相邻的覆铜之间存在一个固有的寄生电容Cp，当手指（或其他导体）靠近时，手指和两块覆铜之间又产生新的电容，这些电容相当于并联到原来的Cp之上，当我们把其中一块覆铜连接到PSoC的模拟I/O上，另一块连接到地上，就可以通过测量电容的变化来判断手指的存在。
我们把连接到PSoC上的覆铜称之为电容传感器（CapacitiveSensor），电容传感器上需覆盖绝缘材料（产品外壳）。
通过在PSoC内部搭建电路并用内建8位处理器的程序来控制电路的运作，就可以把电容的变化转化成计数值的变化，进而转化成按键动作所需要的开关量。
PSoC内部有几种预先设计好的电容感应用户模块，用户模块可以看作是硬件电路配置与软件库函数（API）的集合，用户所需要做的就是在PSoC开发环境（PSoCdesigner）中将用户模块配置到数字/模拟阵列中，开发环境会自动生成硬件寄存器配置及库函数，剩下的工作就是一些用户模块参数的调整，以及应用代码的编写。
Capsense触摸感应模组CSD
3.2.2PWM脉冲宽度模块
PWM概述：
脉冲宽度调制（PWM），是英文“PulseWidthModulation”的缩写，简称脉宽调制，利用微处理器的数字输出来控制模拟电路，这是非常有效的技术。
广泛应用在从通信、通测量到功率变换与控制的许多领域中。
PWM工作原理：
一组占空比不同的矩形脉冲构成脉冲宽度调制波，它的占空比是和信号的瞬时采样值成比例的。
图1所示为脉冲宽度调制系统的波形图和原理框图。
这个系统由一个比较器与一个周期为Ts的锯齿波发生器组合而成。
如果语音信号大于锯齿波信号，比较器就会输出正常数A，否则
输出0。
因此，从图1中可以看出，比较器输出的是一组下降沿调制波。
（A）
（B）
脉冲宽度的调制过程
（A）调制原理图（B）调制波形图
由图可以分析，生成脉冲宽度决定于脉冲的下降沿时刻tk、语音信号的幅度值。
所以，采样值的时间间隔并不是均匀。
如果在系统的输入端插入一个采样保持电路就可以得到均匀的采样信号，但是在实际中，对于tk-kTs<我们可以假设采样是均匀采样，那么第k个矩形脉冲表示为
其中，x{t}：
离散化语音信号；Ts：
采样的周期；是未调制宽度；m：
调制指数。
如果对矩形脉冲作如下近似：
脉冲幅度为A，中心在t=kTs处，在相邻脉冲间变化缓慢，则脉冲宽度调制波xp（t）表示为：
其中，，无需作频谱分析，由式
（2）可以看出脉冲宽度信号由语音信x（t）加上一个直流成分以及相位调制波构成。
当时，相位调制部分引起的信号交迭可以忽略，因此，脉冲宽度调制波可以直接通过低通滤波器进行解调。
3.2.3LED灯模块
LED灯显示的原理
原理：
lightemittingdiode的缩写形式LED（发光二极管），它的基本结构为一块电致发光半导体材料，放置在一个架子上，架子上有引线。
然后在四周用环氧树脂密封起来可以起到保护内部芯线的作用，因此LED的抗震性能非常好。
LED结构图如图，由n型半导体和p型半导体组成的晶片构成发光二极管的核心部分，在n/p型半导体之间有一个过渡层，称为p-n结。
有些半导体材料的PN结中注入的少数载流子，在与多数载流子复合时就会以光的形式把多余的能量释放出来，这样就直接把电能转换为光能。
PN结加反向电压，少数载流子难以注入，故不发亮。
像这种注入式电致发光原理制作而成的二极管就叫发光二极管，通常称为LED。
当它的两端加上正向电压，其工作状态就出于正向工作状态，此时电流从LED的阳极流向阴极，半导体晶体就发出从紫外到红外不同颜色的光线，光线的强弱会与电流有关。
LED实物图
LED电路图
第四章软件设计
4.1总体流程图
本设计主体部分由硬件实现,软件部分的工作主要为硬件初始化:
数据信号输入,数据信号处理，数据信号显示，主流程图
4.2软件设计
4.2.1PSOCCreator3.0软件开发流程简介
PSOCCreator的基本使用步骤为：
一、创建工程二、编辑原理图三、分配引脚和时钟四，编写main.c主程序代码五、编译程序并进行下载。
1、创建工程
在软件的主界面下，点击File-new-project创建一个新的工程，出现Newproject界面，本设计使用的是PSOC4，则选择EmptyPSOC4Design模板；在Name栏为设计命名，在Location栏选择设计的存储路径，建议在D盘或E盘。
之后单击“Advanced”前的加号。
在“Device”中显示上次选用过的芯片或一个默认芯片型号，若新项目需要其他芯片型号，则单击右侧的下箭头，选择“”.进入芯片选择对话框，选择CY8C4245AXI-483，点击“OK”。
在默认情况下，主窗口将打开TopDesign.cysch,这是工程完整的原理设计图。
如图所示：
2.原理图的编辑
点击左侧的工程文件列表中的TopDesign.cysch原理图文件，就可以在主窗口进行原理图的编辑，如图，此时界面右侧会出现元件库窗口，显示可供直接使用的元件。
从元件列表中直接拖动元件到主窗口，然后通过原理图左侧的小工具栏进行元件的连接。
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