PSOC在低頻信號發(fā)生器中的應(yīng)用

韓喜春，高旭東，張春艷

（黑龍江工程學(xué)院 電子工程系，黑龍江 哈爾濱150050）

信號發(fā)生器又稱信號源或函數(shù)發(fā)生器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用函數(shù)方程式來表示，產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。實現(xiàn)信號發(fā)生器的方案很多，可以用模擬電路、數(shù)字電路或數(shù)字和模擬混合電路，也能以FPGA、MCU或DSP為核心實現(xiàn)。Cypress公司的PSOC混合信號陣列是可編程的片上系統(tǒng)（SOC），其集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞微控制器周圍的模擬及數(shù)字組件。采用一個微控制器、一個PSOC器件最多可集成100多種外設(shè)功能，從而幫助客戶節(jié)約設(shè)計時間和板上面積，降低功耗。方便易用的開發(fā)工具Creator使設(shè)計人員能夠準(zhǔn)確選擇所需的外設(shè)功能，包括放大器、ADC、DAC、濾波器及比較器等模擬功能以及定時器、計數(shù)器、PWM、SPI和UART等數(shù)字功能。本文采用以PSOC芯片的DMA（直接存儲器存取）為核心元件的函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計方法。

1 虛擬信號發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PSOC的虛擬信號發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。本信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波、三角波、鋸齒波、PWM波和自定義波形的軟件和硬件均由PSOC內(nèi)部實現(xiàn)。上位機通過USB串行接口將控制波形數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇SOC，PSOC根據(jù)控制參數(shù)設(shè)置內(nèi)部元件產(chǎn)生預(yù)訂頻率的波形，控制參數(shù)并且送到LCD輸出。由PSOC產(chǎn)生的波形再送到低通濾波器和衰減電路變換后輸出。

圖1 信號發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 信號發(fā)生器的固件元件原理圖設(shè)計

開發(fā)PSOC主要有兩個階段：原理圖設(shè)計階段和程序設(shè)計階段。PSOC在Creator的IDE（集成開發(fā)環(huán)境）設(shè)計出的固件元件原理如圖2所示。PSOC信號發(fā)生器的原理圖設(shè)計大體可分為以下幾步：打開PSOC Creator軟件，新建一個工程項目，在彈出的“New Project”窗口中選擇“Empty PSoC3Design”，要是用PSOC5，選擇“Empty PSoC5 Design”，為新工程取一個名字，在默認情況下，PSoC Creator會打開一個名為“TopDesign.cysch”的文件，在這里將完成原理圖的設(shè)計。原理圖的設(shè)計與在Protel中畫原理圖類似，在IDE的右邊，會有一個元件目錄可以直接使用其中的元件，當(dāng)然也可以自己創(chuàng)建元件；原理圖的設(shè)計就基本上完成了，但是要在FPGA中一樣對引腳進行鎖定，可以把引腳鎖定到任何你想要的GPIO（通用外圍輸入輸出）上，這也是PSOC的一個優(yōu)勢，引腳相當(dāng)靈活，任何一個GPIO都能用作數(shù)字或模擬引腳。

圖2 信號發(fā)生器的固件元件原理

對于原理圖中的元件，有些需要對其屬性進行配置，有兩種方法：一種是在程序中對其進行配置，每一個原理圖中的元件都會有相應(yīng)的API（應(yīng)用程序接口）函數(shù)與之對應(yīng)，詳細的說明可以右擊元件，在出現(xiàn)的下拉菜單中選擇“Open Data Sheet...”打開其技術(shù)文檔進行查找；另一種方法是直接在原理圖中對其進行配置，這也是常用的方法，雙擊元件，即可對其進行配置，配置參數(shù)也請參考其技術(shù)文檔。也可以將工程編譯，在工程瀏覽器中會顯示出元件的C語言程序和頭文件，打開C語言文件找到對應(yīng)的API函數(shù)。限于篇幅，下面說明幾個主要元件的屬性配置。

2.1 定時器的屬性設(shè)置

定時器Timer＿3的Clock端由Clock＿1提供2MHz時鐘，Clock＿1是可編程時鐘器件，reset端置0啟動。定時器Timer＿2的Clock端由BUS＿CLK提供48MHz時鐘。定時器的屬性配置如圖3所示。Timer＿3的終止計數(shù)端tc產(chǎn)生的脈沖作為DMA元件的DMA請求時鐘，每一個tc時鐘周期產(chǎn)生1次DMA請求，通過程序中API函數(shù)修改定時器的周期達到控制DMA頻率。定時器Timer＿2的tc作為PWM的時鐘。定時器的最高分辨率是32位。定時器在產(chǎn)生tc脈沖時可以產(chǎn)生中斷，也可以在tc端接中斷元件isr。定時器timer＿1的tc中斷用于定時查詢USB端口數(shù)據(jù)，設(shè)置與輸出信號相關(guān)的各個元件的屬性參數(shù)。

圖3 定時器Timer的屬性配置

2.2 DMA的屬性設(shè)置

直接內(nèi)存訪問（DMA）是一種完全由硬件執(zhí)行I／O交換的工作方式。在這種方式中，DMA控制器從CPU完全接管對總線的控制，數(shù)據(jù)交換不經(jīng)過CPU，而直接在內(nèi)存和I／O設(shè)備之間進行 。DMA方式一般用于高速傳送成組數(shù)據(jù)。DMA控制器將向內(nèi)存發(fā)出地址和控制信號，修改地址，對傳送的字的個數(shù)計數(shù)，并且以中斷方式向CPU報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y(jié)束。DMA方式的主要優(yōu)點是速度快。由于CPU根本不參加傳送操作，因此，省去了CPU取指令、取數(shù)、送數(shù)等操作。在數(shù)據(jù)傳送過程中，沒有保存現(xiàn)場、恢復(fù)現(xiàn)場之類的工作。內(nèi)存地址修改、傳送字個數(shù)的計數(shù)等等，也不是由軟件實現(xiàn)，而是用硬件線路直接實現(xiàn)。所以DMA方式能滿足高速I／O設(shè)備的要求，也有利于CPU效率的發(fā)揮。在本設(shè)計中，每個定時器周期產(chǎn)生1次DMA操作，每次DMA操作將1個字節(jié)的波形數(shù)據(jù)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器VDAC8。假如定時器Timer＿2的tc端的輸出頻率是Fc，一個周期波形數(shù)據(jù)的長度是256，則信號發(fā)生器所產(chǎn)生的正弦波、三角波和鋸齒波的頻率是F0＝Fc／256Hz。本設(shè)計中，F(xiàn)c的取值不能大于1MHz。

在工程菜單的Tools中選擇DMA向?qū)MA的源地址、目的地址、每次DMA操作傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)以及觸發(fā)信號極性等參數(shù)進行設(shè)置，設(shè)置完成后自動產(chǎn)生在工程瀏覽器中可見的C語言API函數(shù)的DMA元件源代碼。對DMA的屬性配置如圖4所示。

圖4 DMA的屬性配置

2.3 脈沖寬度調(diào)制PWM的屬性配置

PWM的配置內(nèi)容較豐富，只選擇與本設(shè)計密切的幾項介紹，對PWM的配置如圖5所示。定時器給PWM提供可編程時鐘頻率為Fa，PWM的輸出頻率（通過設(shè)置PWM的周期參數(shù)為P）為Fb，則Fb＝Fa／P。在信號發(fā)生器工作時通過程序改變Timer＿2和PWM的周期都可以改變輸出脈沖波的頻率。改變參數(shù)比較值的大小可以改變輸出波形的占空比。如果要控制電機，通過設(shè)置死區(qū)的時鐘數(shù)產(chǎn)生兩相PWM波形。分辨率設(shè)置為16位，實現(xiàn)方法采用通用數(shù)字塊UDB。

3 信號發(fā)生器的軟件設(shè)計

圖5 PWM的屬性配置

PSOC Creator的圖形設(shè)計編輯器將嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的軟硬件融合在一個設(shè)計環(huán)境中。其內(nèi)容豐富的外設(shè)庫能提供上百個預(yù)先配置好的模擬和數(shù)字外設(shè)，可以輕松拖放元件到電路圖中，為所有片上信號設(shè)置傳輸通路，將元件的輸入和輸出端點在原理圖內(nèi)互連或分配給PSOC芯片的引腳。每個外設(shè)元件都經(jīng)過仔細的參數(shù)配置，因而在使用中可以自動優(yōu)化，以適應(yīng)開發(fā)者的需求，而不必浪費資源?！皠?chuàng)建”（Build）過程會為每個元件生成具有一致性、容易記憶的一系列API，使軟件開發(fā)者得以控制硬件，而無需擔(dān)心基本的操作。Cypress還為PSOC3和PSOC5系列器件提供全功能的免費編譯器，并且沒有代碼量的限制。

設(shè)計完原理圖之后，需要點擊一下Build創(chuàng)建，這樣系統(tǒng)就會自動生成需要的各種文件，編譯完成后你會發(fā)現(xiàn)，工程目錄中多了很多文件。系統(tǒng)默認在“main.c”中寫主函數(shù)，在程序中，你需要調(diào)用各種元件的API來完成對元件的操作，這些API函數(shù)可以在元件的技術(shù)手冊中找到。本項目的軟件程序設(shè)計包括main主程序和isr＿1的定時器中斷子程序設(shè)計。程序的流程如圖6和圖7所示。在main程序中，首先調(diào)用各元件的初始化和啟動函數(shù)對各個元件進行初始化和啟動，然后打開全局中斷，接著初始化DMA，在初始化函數(shù)中，設(shè)置每次DMA操作需要1次請求，每次請求傳輸1個字節(jié)，傳輸?shù)脑吹刂罚úㄐ螖?shù)據(jù)表的首地址）和目的地址（VDAC8的地址），一個DMA周期傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)（波形數(shù)據(jù)表的長度），啟動DMA數(shù)據(jù)傳輸。接著開始程序無限循環(huán)，在循環(huán)中查詢設(shè)置的中斷標(biāo)志位是否有中斷發(fā)生。在定時器中斷子程序中讀取USB接口，看是否有新的數(shù)據(jù)輸入，沒有新數(shù)據(jù)就結(jié)束中斷子程序；如果有新數(shù)據(jù)，按通信協(xié)議定義的數(shù)據(jù)格式，將頻率控制字（定時器的周期值）送入Timer＿2和Timer＿3，脈沖波的周期和占空比以及死區(qū)送入PWM。

4 結(jié)束語

本虛擬低頻信號發(fā)生器在PSOC開發(fā)工具CY8CKIT001進行了設(shè)計驗證。該信號發(fā)生器的模擬信號頻率范圍為0.01～10kHz，受VDAC8的上限頻率1MHz限制。在整個測量頻率范圍內(nèi)與安捷倫53131A的測量結(jié)果對比，最大頻率誤差正負2Hz。產(chǎn)生誤差的原因是PSOC的可編程時鐘精度只有1%，PWM 信號的頻率范圍是1Hz～1MHz。

PSOC器件采用一種針對嵌入式控制設(shè)計的高度可配置片上系統(tǒng)架構(gòu)，除了集成一個片上微控制器外，還集成了可配置模擬和數(shù)字電路，提供了更強大的設(shè)計修改功能。單一PSOC器件集成100多個外設(shè)功能元件，從而節(jié)省客戶的設(shè)計時間、板級空間和功耗，同時改善系統(tǒng)質(zhì)量并降低系統(tǒng)成本。PSOC 3器件具有一個高性能8位8051處理器，而PSOC 5則采用一個強大的32位ARM Cortex－M3處理器。這些產(chǎn)品為設(shè)計者提供了一個無縫的可編程平臺，能輕松實現(xiàn)8～32bit的轉(zhuǎn)換。這些解決方案的強大功能大大拓展了PSOC的應(yīng)用和市場范圍，包括汽車、便攜式醫(yī)療、工業(yè)等等。本文介紹的低頻信號發(fā)生器設(shè)計只用了PSOC器件很少資源，在圖形化編程環(huán)境Creator的支持下，減少了開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品的易用性和可靠性。PSOC是嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中很有發(fā)展前途的一種器件和設(shè)計思想。

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