PSoC傳感器應(yīng)用平臺(tái)

　　在嵌入式系統(tǒng)中，控制芯片主要處理兩大類(lèi)型的信號(hào)，一種是數(shù)字信號(hào)，另一種就是模擬信號(hào)。模擬信號(hào)通常來(lái)自于傳感器。要從這些模擬傳感器中獲得準(zhǔn)確的信號(hào)并不是一件容易的事情。模擬的輸出信號(hào)通常振幅比較小，所以需要一個(gè)信號(hào)放大器。信號(hào)放大后，噪聲會(huì)也被放大，又需要一個(gè)模擬的低通或帶通濾波進(jìn)行濾波。如果多種傳感器同時(shí)使用，還需要一個(gè)模擬的MUX。除此之外，還可能用到比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。

　　傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制器只用來(lái)實(shí)現(xiàn)處理數(shù)據(jù)、系統(tǒng)間的通訊和控制功能。如果您的設(shè)計(jì)也用這種傳統(tǒng)的方式，就會(huì)面臨一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要來(lái)自于分離的模擬器件和固定功能的MCU。首先從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度看，隨著市場(chǎng)變化速度的加快和用戶(hù)要求的提高，一個(gè)設(shè)計(jì)靈活的軟硬平臺(tái)是必須的，而分離的模擬器件和固定功能的MCU遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足不斷更新的設(shè)計(jì)要求和有限的研發(fā)上市時(shí)間。其次，處理傳感器的噪聲需要一個(gè)復(fù)雜的混合信號(hào)解決方案，通常需要放大器、濾波器、ADC、比較器和DAC。對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，便需要考慮非常多的獨(dú)立的分離器件，這無(wú)論從產(chǎn)品成本還是生產(chǎn)成本來(lái)看都會(huì)成為負(fù)擔(dān)。

????? 而高集成度且設(shè)計(jì)靈活的PSoC便有效地應(yīng)對(duì)了這些挑戰(zhàn)。PSoC可以實(shí)現(xiàn)哪些功能呢？單芯片的PSoC在信號(hào)的輸入端可以實(shí)現(xiàn)各種模擬感應(yīng)信號(hào)的輸入和信號(hào)處理，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)時(shí)下流行的電容式觸摸感應(yīng)的設(shè)計(jì)。在控制功能方面，PSoC可以實(shí)現(xiàn)各種風(fēng)扇和電機(jī)的控制、功率控制，同時(shí)還支持多種復(fù)雜的通訊接口。PSoC的應(yīng)用無(wú)處不在，消費(fèi)電子、白電、醫(yī)療、汽車(chē)、工控產(chǎn)品中都有PSoC的用武之地，目前PSoC的全球的客戶(hù)已超過(guò)8100個(gè)，出貨量超過(guò)4億。

　　PSoC是什么樣的片上系統(tǒng)呢？PSoC是可編程片上系統(tǒng)的字母縮寫(xiě)，它不是一個(gè)單純的MCU，除了8位MCU核、Flash和SRAM以外，還包含了可編程的數(shù)字模塊和模擬模塊，是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)。

圖1 PSoC產(chǎn)品框圖

圖2 超聲波信號(hào)發(fā)送

　　從圖1中可以看到，PSoC的整個(gè)系統(tǒng)是由MCU核、Memory、數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和其他系統(tǒng)資源組成。圖中左邊的部分是普通單片機(jī)的結(jié)構(gòu)，包含時(shí)鐘源、Flash、SRAM和MCU本身。右邊是一些可編程的GPIO。中間部分就是PSoC特色，即可編程數(shù)字模塊和模擬模塊，PSoC的優(yōu)勢(shì)也正在這里。這些可編程的數(shù)字模塊和模擬模塊可以配制成不同的功能，例如UART、ADC、濾波器和PWM等等。此外，這些模塊還可以重新配制來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能，并且在任何時(shí)間都可以進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。PSoC支持動(dòng)態(tài)配制的特性，相同的資源在不同的時(shí)間可以被配置成不同的用戶(hù)模塊，這樣可以大大節(jié)省資源。數(shù)字模塊和模擬模塊可以和外部引腳互聯(lián)，也是可編程的。因此通過(guò)PSoC，工程師可以基本完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　PSoC的模擬功能非常強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)各種不同的模擬器件，如ADC、DAC、濾波等等， CapSense也是用模擬功能實(shí)現(xiàn)的。傳感器各種的應(yīng)用、控制應(yīng)用等等都是由這些模擬模塊的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　PSoC不同于固定功能的MCU，它集成度高、使用靈活、實(shí)時(shí)可編程，這些優(yōu)點(diǎn)幫助設(shè)計(jì)者減少成本，使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)，并且增加市場(chǎng)份額。其中，集成度高是因?yàn)镻SoC是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的解決方案，內(nèi)含可編程的數(shù)字和模擬模塊、8位控制器，以及Flash和SRAM等；使用靈活是指可以使用集可視化嵌入式設(shè)計(jì)工具為一體PSoC Designer進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省時(shí)間，并且即使在最后一刻也可以修改設(shè)計(jì)；實(shí)時(shí)可編程性是指PSoC提供了一系列模擬和數(shù)字用戶(hù)模塊 (例如放大器、濾波器、比較器、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等等)，用戶(hù)可以根據(jù)需要進(jìn)行配置，或者動(dòng)態(tài)配置。總之，PSoC作為靈活的片上系統(tǒng)，有助于增加產(chǎn)品的價(jià)值。

超聲波傳感器和倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　超聲波傳感器有多種應(yīng)用，常見(jiàn)的用途包括：流量計(jì)、工具零件的清洗、倒車(chē)?yán)走_(dá)等。超聲傳感器將處于超聲頻率的電信號(hào)經(jīng)過(guò)超聲波傳感器中的超聲波換能器轉(zhuǎn)換成超聲聲波，超聲波傳感器按照一定的方向發(fā)射該超聲聲波，當(dāng)超聲聲波遇到障礙物以后被反彈回來(lái)，再被超聲波傳感器所接受，由超聲波換能傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于音速是一個(gè)已知的常數(shù)，因此通過(guò)回彈的時(shí)間，就可以計(jì)算出距離。

　　超聲波傳感器從封裝的類(lèi)型上可以分為兩種，分別是開(kāi)放型和密封型。其中，開(kāi)放型的傳播面積更廣，探測(cè)距離更遠(yuǎn)，適合在開(kāi)放環(huán)境中應(yīng)用。密封型傳感器傳播面積較小，探測(cè)距離一般，適合在液體中應(yīng)用，并需緊貼固體材料。

????? 超聲波傳感器的使用類(lèi)似于雷達(dá)，它主要完成兩項(xiàng)任務(wù)：發(fā)送超聲聲波和接收超聲聲波。發(fā)送超聲波相對(duì)簡(jiǎn)單，只要對(duì)超聲波傳感器發(fā)送的超聲波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，同時(shí)開(kāi)啟計(jì)時(shí)器。而接收部分較為復(fù)雜，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)配，以便控制器能正確低識(shí)別反射回的超聲波、確定接收時(shí)間并停止計(jì)時(shí)器技術(shù)，然后根據(jù)“距離 = 時(shí)間×音速”計(jì)算距離。通過(guò)圖2，可以看到信號(hào)是如何被發(fā)送出去的。由控制芯片產(chǎn)生的PWM信號(hào)通過(guò)功率放大器放大，送到超聲波傳感器進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，然后開(kāi)啟計(jì)時(shí)器。超聲信號(hào)接收和處理的過(guò)程相對(duì)要復(fù)雜一些（圖3）。從超聲傳感器輸入的信號(hào)經(jīng)PGA放大，在利用帶通濾波器濾除噪聲以后，將信號(hào)與直流偏置進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)輸出調(diào)制信號(hào)，然后再將其將發(fā)送至低通濾波器，生成調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)線。該包絡(luò)線再通過(guò)比較器或者AD轉(zhuǎn)換器來(lái)判斷它是否是真正的反彈信號(hào)，同時(shí)停止計(jì)時(shí)器，最后通過(guò)計(jì)數(shù)器的值和音速計(jì)算出距離。

圖3 超聲波信號(hào)接收

圖4 倒車(chē)?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢(shì)

　　圖4顯示出倒車(chē)?yán)走_(dá)發(fā)展的趨勢(shì)，從圖中可以看到，最初的倒車(chē)?yán)走_(dá)，只有后方探測(cè)，現(xiàn)在的倒車(chē)?yán)走_(dá)不僅實(shí)現(xiàn)了前后方探測(cè)，甚至連左右側(cè)都可以進(jìn)行探測(cè)。還有一些更先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)使用在高檔汽車(chē)上。

低端倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)

????? 倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)一般由兩部分組成，分別是探頭部分和主控部分。探頭部分一般安裝在汽車(chē)的尾部或兩側(cè)，而主控部分則位于汽車(chē)的前端，靠近汽車(chē)駕駛員。低端倒車(chē)?yán)走_(dá)（圖5）的探頭部分，通常只包含超聲波傳感器，而主控部分包括CPU和所有的外圍電路。探頭和主控板通過(guò)傳導(dǎo)線連接，傳送發(fā)送和回波信號(hào)，一個(gè)主控板帶3到4個(gè)探頭。低端的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)成本通常較低，多采用分立元件，集成度也較低，因而性能較差，有效測(cè)量距離小于1.5m。此外，報(bào)警也采用簡(jiǎn)單的蜂鳴器。

圖5 低端倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

中端倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　中端的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)在探頭上除了安裝超聲傳感器以外，還包括發(fā)射信號(hào)的放大和驅(qū)動(dòng)電路，以及接收信號(hào)的放大和信號(hào)調(diào)理電路，這樣可以減小信號(hào)在長(zhǎng)線傳輸中引入的噪聲的影響。另外，在控制板上，使用了兩級(jí)放大和帶通濾波器以提高測(cè)量的性能。而測(cè)量的距離，通常通過(guò)數(shù)字顯示的方式來(lái)顯示，并且伴有聲音的報(bào)警和提示。

高端倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　圖7是一個(gè)高端的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖?？梢钥吹剑緛?lái)處于主控端的一些功能模塊都被轉(zhuǎn)移到探頭一端，它的特點(diǎn)是在探頭上帶有信號(hào)放大電路以及處理器，測(cè)量信號(hào)在傳感器上實(shí)現(xiàn)處理，因此沒(méi)有長(zhǎng)線傳輸存在的信號(hào)干擾問(wèn)題。另外，它可對(duì)每個(gè)傳感器進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，通過(guò)LIN或其他串行方式與主CPU進(jìn)行通訊。因?yàn)橥ǔＬ筋^部分的體積都比較小，為了在探頭上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大和處理，就需要較高集成度的器件以方便傳感器和PCB板的集成。

　　圖8給出了倒車(chē)?yán)走_(dá)傳感器覆蓋區(qū)域的要求，它要求在水平方向上70±5cm范圍內(nèi)最小100°；在100±5cm范圍內(nèi)，最小40°。垂直方向上，在50±5cm范圍內(nèi)最小60°；在110±5cm范圍內(nèi)，最小20°。

圖6 中端倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

圖7 高端倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

圖8 倒車(chē)?yán)走_(dá)傳感器覆蓋區(qū)域要求

Cypress倒車(chē)?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)

?????Cypress的倒車(chē)?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)使用PSoC系統(tǒng)的主要原因是：1、它的資源靈活，PSoC的模塊資源具有可編程性，針對(duì)不同客戶(hù)、不同定位的產(chǎn)品需求可重新配置；2、集成度高，集成了PWM w/DB、比較器、A/D轉(zhuǎn)換器PGA等模擬模塊，模擬集成度高；3、它幾乎不需要外部器件，降低了 BOM 成本, 減小了電路板尺寸；4、它的IP保護(hù)能力強(qiáng)，很難被復(fù)制。

　　PSoC倒車(chē)?yán)走_(dá)控制器采用CY8C24633芯片作為主控芯片。芯片采用M8C處理器，運(yùn)行速度高達(dá)24M，內(nèi)含8×8的乘法器和32位的累加器。工作電壓范圍為3V~5.25V，溫度范圍為工業(yè)級(jí)：-40℃~85℃。該P(yáng)SoC芯片包括4個(gè)數(shù)字模塊和4個(gè)模擬模塊(2CT/2SC)。另外它還擁有針對(duì)電機(jī)控制而優(yōu)化的高速8 位 SAR AD轉(zhuǎn)換器。

　　圖9為Cypress倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件框圖，采用CY8C24633用于主控板。該設(shè)計(jì)使用收發(fā)一體的傳感器，并在傳感器端增加初級(jí)放大電路。驅(qū)動(dòng)信號(hào)為40kHz的脈沖信號(hào)。每個(gè)傳感器采用3線連接方式與主控板連接，最多可接6路傳感器輸入。對(duì)交流信號(hào)進(jìn)行電平抬升，從而更好地處理回波信號(hào)。內(nèi)部的模擬模塊可配置成PGA、比較器及帶通濾波器，并在器件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)互連。主控板與顯示器通過(guò)串口連接，顯示器通過(guò)數(shù)字方式顯示探測(cè)距離。

　　圖10給出了PSoC內(nèi)部模塊的配置和信號(hào)的路由，從圖中可以看到，4個(gè)數(shù)字模塊分別被配置成PWM計(jì)時(shí)器、定時(shí)器和串口發(fā)生器。而四個(gè)模擬模塊分別被配置成兩個(gè)PGA放大器和一個(gè)帶通濾波器，信號(hào)的路由從圖中也可以看得非常清楚，

圖9 Cypress倒車(chē)?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)硬件框圖

圖10 PSoC內(nèi)部模塊配置