基于PSoC的精簡LED點陣系統設計方案

　　摘要：本文介紹了傳統采用單片機控制的LED顯示屏設計方法與基于PSoC技術的LED顯示屏設計方法的區別，闡述了PSoC技術在LED點陣顯示系統設計中的優勢。以PSoC系列的CY8C27443芯片為核心的LED點陣顯示系統為例，具體描述了PSoC多功能精簡尺寸型LED點陣系統的硬件設計、PSoC的配置和軟件功能的具體設計實現方法。由于CY8C27443 芯片的內部資源更加豐富所以進行LED點陣系統的設計比51單片機電路更加簡單，性能更加穩定，軟件設計也更加簡單方便，從而大大節省了開發周期和成本。

　　傳統采用51 單片機控制LED點陣的顯示屏功能相對比較單一若要使其實現功能的多樣化，則往往需要花費大量的時間和精力設計復雜的外圍電路，故其系統設計中使軟件、硬件的設計更為復雜，增加了開發難度；增大了顯示屏的體積和重量，不易于運輸和安裝；更重要的是產品生產成本也較為高昂。與傳統LED顯示屏相比，基于PSoC 技術所開發的多功能精簡尺寸型LED點陣顯示屏是利用片上系統的技術優點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現相應功能的增減，這就在很大程度上彌補了傳統LED顯示屏的不足，縮短了開發周期，使產品更容易升級更新。

　　1 系統工作原理

　　1.1 PSoC 系列單片機介紹

　　PSoC：（Programmable System-On-Chip）可編程系統級芯片，是新一代片上系統單片機。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（SOC），該芯片集成了微控制器及嵌入式系統中常需擴充的模擬及數字組件。同時，也可將PSoC 視為8 位微控制器，即8 位單片機。但是和一般單片機不同的是它幾乎不需要外圍電路，一片PSoC 芯片就可實現一個電子系統，而且PSoC 具有比一般單片機更多的內部資源。國外專家把它的發展喻為第二次電子學革命。本系統使用的PSoC 芯片是CY8C27443，CY8C27xxx 是PSoC 混合信號陣列中在模擬量中處理最為強的一個系列［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 芯片的內部資源更加豐富所以進行LED點陣系統的設計比51 單片機電路更加簡單，性能更加穩定。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。軟件設計也更加簡單方便大大節省了開發周期。CY8C27443 芯片價格相比51單片機來說雖然高出了2-3 倍但是內部有其豐富的資源可供配置所以該系統成本可以節省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點陣系統的硬件設計

　　基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統的硬件設計如圖1 所示，以PSoC 為控制器的LED點陣系統通過TG202 煙霧傳感器傳感器，HM1500 濕度傳感器，以及PSoC 片內集成的溫度傳感器。分別采集到空氣中的煙霧濃度，濕度和溫度情況后及時發布到LED顯示屏上顯示，當出現異常情況時還可以通過蜂鳴器發出報警。采集到的數據也可以通過Si4432 無線收發模塊送入PC 機進行外部環境監測。同時也可以在PC 機上輸入字符后通過無線收發模塊發送到LED顯示屏來發布廣告和通知等信息。由于PSoC 同時具有片內和片外系統時鐘源。從而且顯示屏掃描速度可以提高，使得產品硬件設計性能更加可靠，加之PSoC可以動態重構所以產品更加靈活多變，功能更加齊全；軟件設計方面有廠商提供的API 函數可供調選，編程者無須向使用51 單片機那樣在底層驅動上大費心思，這樣使底層驅動程序開發周期大大縮短，從而可把精力更多的應用程序開發上，提高了開發效率。

　　圖1 基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統的硬件設計

　　1.2.1 TGS202 作為氣體傳感器

　　本系統采用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境中的煙霧，當探測到這些氣體時TG202 的內阻變小，從而使得輸出端電壓快速上升，以達到檢測火災的功能。

　　通過配置PSoC 中的放大器和8 位8 通道A/D 轉換模塊，并且該內部采用了sinc2 濾波器是硬件電路來實現減少了CPU 的開銷，并可以進行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。實現把氣體傳感器的模擬量轉化成數字量，并且重復測試三次以上將得到的數據的平均值送到指定的單元存儲。

　　一旦發現氣體超標則PWM 模塊輸出口就輸出1KHz的方波來驅動蜂鳴器以達到報警的目的。

　　1.2.2 溫度傳感器

　　PSoC 微控制器內部自帶溫度傳感器，其絕對溫度成正比即線性的輸出電壓。Flash Temp 應用程序接口（API）把溫度傳感器轉換為每攝氏度一個計數。PSoC內部的溫度傳感器Flash Temp 為戶模塊提供了一項bFlashWriteBlock 函數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，引起其介電常數發生變化，從而使元件電容量改變。利用電容量與相對濕度的函數關系即可測量濕度［3］。

　　HM1500 內置放大電路，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，所以根據電壓和相對濕度的關系在PSoC 內部添加PGA 模塊進行電路補償的方式來對誤差進行補償，然后連接12 位A/D 轉換器。

　　1.2.4 LED點陣顯示屏

　　該顯示屏的實現過程如圖2 所示，LED點陣顯示屏是由128 個1.9mm 的8×8 的LED點陣塊組成，每八塊形成32×32 矩形點陣。采用逐行掃描方式因為掃描時間很快及人眼的視覺暫留效應，就可看到LED點陣顯示的是完整的圖形或文字。行驅動使用ULN2803高電壓大電流達林頓晶體管陣列集成芯片， 由于ULN2803 單腳最大輸出灌電流500mA，為使驅動電平匹配所以在PSoC27443 里面配置反相器模塊而且單塊列驅動電路由集成電路74HC595，它構成一個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立的，通過74HC595 的級聯可實現在顯示本行各列數據的同時，傳送下一行的列數據，即達到重疊處理的目的。從單片機I/O 口串行輸出的點陣數據隨著移位時鐘的作用逐位移動到對應位置，在接收到鎖存信號后，將數據并行輸出至LED 的列線，最后在行驅動信號的作用下點亮一行LED象素。

　　1.2.5 PSoC 與PC 機之間的通信

　　PSoC與PC機之間的通信如圖3 所示，采用Si4432無線收發模塊通信，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 系列無線收發芯片。其工作電壓為1.9~3.6 V，可工作在315/433/868/915 MHz 四個頻段；內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數字調制解調器、64 字節的發送和接收數據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系統，設計簡單，且成本低。

　　Si4432 的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極好的頻道選擇性；在240~960 MHz 頻段內，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20dBm，設計良好時收發距離最遠可達2km.

　　Si4432 可適用于無線數據通信、無線RS485/RS232 數據通信等諸多領域。

　　圖3 基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統和PC 機通信的硬件框圖

　　該系統組成了一個星型網絡，PC 與多個LED顯示屏間的通信屬于多機通信。采用主從式結構：主機是PC 機通過查找相應的地址控制不同的從機，作為從機的PSoC 控制無線收發模塊不主動發送命令或數據，由主機控制并且在一個多機系統中，只有一臺主機即PC 機，各臺從機之間不相互通信，即使要信息交換也必須經過主機轉發。最后經過無線收發模塊以數據包的形式，發送到LED 顯示屏。本系統定義的數據包格式如下表2 所示：其中，前導碼是0XFFAA55.

　　數據包在傳輸過程中會在每個包的前面加上可設置好長度的前導碼；接收端為了識別幀的到來，需要前導碼進行幀同步，從而確定收發系統之間何時發送和接收數據。同步字在前導碼之后，要用設定好的同步字作為同步模式的標志碼。本系統設定的同步字為2 個字節，同步字內容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數據。數據載荷長度為1 字節，有效數據載荷是用戶所發送的數據。CRC 校驗和由內置CRC 校檢。Si4432 內部集成有調制/解調、編碼/解碼等功能，從而前導碼、同步字、數據載荷長度和CRC校驗和都通過硬件自動加上去的，用戶只需設定數據包的組成結構和部分結構的具體內容如前導碼和同步字就可以。

　　表2 數據包格式

　　1.3 系統軟件設計

　　利用中斷分時處理的原理構成系統主程序和中斷服務程序。其中主程序如圖4，該主程序不斷的判斷相應的flag 是否為1 只要flag 等于1 就通過中斷進入相應的子程序。中斷子程序（Timer8 Interrupt）， 作時間間斷、計數器標志單元為70H、每當？t=100ms 到了就是相應的flag 置1。

　　1.4 主機應用程序

　　應用程序如圖5 所示是利用Delphi 開發編制。

　　Delphi 是Windows 平臺下簡單、易學、強大、簡便易用和代碼執行速度快、高效的可視化開發環境（IDE），其具有所見即所得的可視化界面設計風格和面向對象的程序設計等特點，已廣泛應用于各個領域。

　　Delphi 提供了良好的界面設計能力，在PC 串口通信方面也有很強的功能。

　　圖5 上位機軟件界面之一

　　1.4.1 取模

　　顯示漢字必然要用到漢字的點陣字形信息， 也叫做漢字的字模。即漢字字形的數字化。根據漢字的顯示清晰度，本應用軟件多種字模供用戶選擇。以16×6點陣字模來舉例，每一個字由16 行16 列的點陣組成顯示。即國標漢字庫中的每一個字均由256點陣來表示。

　　我們可以把每一個點理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個顯示屏不僅可顯示漢字， 也可顯示在256 像素范圍內的任何圖形。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 環境下串口通信實現方法

　　本系統選用了MSComm 控件，它通過串行端口傳送和接收數據為應用程序提供基本的串口通信功能，使得程序員不必花費大量的時間去了解較為復雜的API 函數。本系統：采用的是發送二進制數，需要使用Variant變量矩陣，矩陣大小自動調節mscomm1.Settings ：=‘9600，N，8，1’;//參數設置，返回波特率、奇偶校驗、數據位、停止位mscomm1.SThreshold：= 0;//一次發送所有數據mscomm1.PortOpen：=true; // 打開端口mscomm1.RThreshold ：= 16;//設置接收多少字節并產生OnComm 事件，捕獲并處理通信中發生的事件或錯誤。

　　2 結論

　　采用PSoC芯片設計的多功能精簡尺寸型LED點陣系統的功能很強大，硬件設計簡單，軟件編程只需要調用API 函數，并且系統可配置、可靈活多變、無需外加芯片，從而大大提高了其性價比。