PSoC傳感器應(yīng)用平臺

　　在嵌入式系統(tǒng)中，控制芯片主要處理兩大類型的信號，一種是數(shù)字信號，另一種就是模擬信號。模擬信號通常來自于傳感器。要從這些模擬傳感器中獲得準(zhǔn)確的信號并不是一件容易的事情。模擬的輸出信號通常振幅比較小，所以需要一個信號放大器。信號放大后，噪聲會也被放大，又需要一個模擬的低通或帶通濾波進(jìn)行濾波。如果多種傳感器同時使用，還需要一個模擬的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，就會面臨一些挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)主要來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，隨著市場變化速度的加快和用戶要求的提高，一個設(shè)計(jì)靈活的軟硬平臺是必須的，而分離的模擬器件和固定功能的MCU遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足不斷更新的設(shè)計(jì)要求和有限的研發(fā)上市時間。其次，處理傳感器的噪聲需要一個復(fù)雜的混合信號解決方案，通常需要放大器、濾波器、ADC、比較器和DAC.對于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，便需要考慮非常多的獨(dú)立的分離器件，這無論從產(chǎn)品成本還是生產(chǎn)成本來看都會成為負(fù)擔(dān)。

　　PSoC系列單片機(jī)是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內(nèi)核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內(nèi)部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。PSoC 是一種對于標(biāo)準(zhǔn)的"全數(shù)字式"微控制器設(shè)計(jì)、純粹的模擬設(shè)計(jì)以及介乎此二者之間的所有設(shè)計(jì)而言具有同等的高適用性的器件，是一種具有極端靈活且完全可編程的混合信號SOC 的基本原理的全新一代器件。

　　采用一個微控制器，一個PSoC器件多可集成100種外設(shè)功能，從而幫助客戶節(jié)約設(shè)計(jì)時間和板上面積，降低了功耗，系統(tǒng)成本也可降低5美分到10美元不等。方便易用的開發(fā)工具使設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)器、PWM、SPI和UART等數(shù)字功能。PSoC系列的模擬功能包括軌至軌輸入、可編程增益放大器以及14位的ADC,其噪聲極低，輸入損耗及電壓偏移也非常低。PSoC設(shè)備包括32 KB的閃存、2 KB的SRAM、帶有32位累加器的8x8乘法器、電源和睡眠監(jiān)控電路，以及硬件I2C通信等。

圖1 PSoC產(chǎn)品框圖

圖2 超聲波信號發(fā)送

　　從圖1中可以看到，PSoC的整個系統(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實(shí)現(xiàn)不同的功能，并且在任何時間都可以進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。PSoC支持動態(tài)配制的特性，相同的資源在不同的時間可以被配置成不同的用戶模塊，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PSoC,工程師可以基本完成一個系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

　　超聲波傳感器和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。

　　超聲波傳感器的使用類似于雷達(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)送超聲波相對簡單，只要對超聲波傳感器發(fā)送的超聲波進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，同時開啟計(jì)時器。而接收部分較為復(fù)雜，需要對信號進(jìn)行調(diào)配，以便控制器能正確低識別反射回的超聲波、確定接收時間并停止計(jì)時器技術(shù)，然后根據(jù)"距離 = 時間×音速"計(jì)算距離。通過圖2,可以看到信號是如何被發(fā)送出去的。由控制芯片產(chǎn)生的PWM信號通過功率放大器放大，送到超聲波傳感器進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制，然后開啟計(jì)時器。超聲信號接收和處理的過程相對要復(fù)雜一些（圖3）。從超聲傳感器輸入的信號經(jīng)PGA放大，在利用帶通濾波器濾除噪聲以后，將信號與直流偏置進(jìn)行對比，通過輸出調(diào)制信號，然后再將其將發(fā)送至低通濾波器，生成調(diào)制信號的包絡(luò)線。該包絡(luò)線再通過比較器或者AD轉(zhuǎn)換器來判斷它是否是真正的反彈信號，同時停止計(jì)時器，通過計(jì)數(shù)器的值和音速計(jì)算出距離。

圖3 超聲波信號接收

圖4 倒車?yán)走_(dá)的發(fā)展趨勢

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

　　低端倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　倒車?yán)走_(dá)全稱叫"倒車防撞雷達(dá)",也叫"泊車輔助裝置",是汽車泊車或者倒車時的安全輔助裝置，由超聲波傳感器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成。能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。

　　倒車?yán)走_(dá)各部分主要有以下幾個作用：（1）超聲波傳感器：用于發(fā)射以及接收超聲波信號，通過超聲波傳感器可以測量距離。（2）主機(jī)：發(fā)射正弦波脈沖給超聲波傳感器，并處理其接收到的信號，換算出距離值后，將數(shù)據(jù)與顯示器通訊。（3）顯示器或蜂鳴器：接收主機(jī)距離數(shù)據(jù)，并根據(jù)距離遠(yuǎn)近顯示距離值和提供不同級別的距離報(bào)警音。

　　倒車?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的尾部或兩側(cè)，而主控部分則位于汽車的前端，靠近汽車駕駛員。低端倒車?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。探頭和主控板通過傳導(dǎo)線連接，傳送發(fā)送和回波信號，一個主控板帶3到4個探頭。低端的倒車?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，有效測量距離小于1.5m.此外，報(bào)警也采用簡單的蜂鳴器。

圖5 低端倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

　　中端倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　中端的倒車?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)射信號的放大和驅(qū)動電路，以及接收信號的放大和信號調(diào)理電路，這樣可以減小信號在長線傳輸中引入的噪聲的影響。另外，在控制板上，使用了兩級放大和帶通濾波器以提高測量的性能。而測量的距離，通常通過數(shù)字顯示的方式來顯示，并且伴有聲音的報(bào)警和提示。

　　高端倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)

　　圖7是一個高端的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖?？梢钥吹剑緛硖幱谥骺囟说囊恍┕δ苣K都被轉(zhuǎn)移到探頭一端，它的特點(diǎn)是在探頭上帶有信號放大電路以及處理器，測量信號在傳感器上實(shí)現(xiàn)處理，因此沒有長線傳輸存在的信號干擾問題。另外，它可對每個傳感器進(jìn)行單獨(dú)校準(zhǔn)，通過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?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)100°；在100±5cm范圍內(nèi)，40°。垂直方向上，在50±5cm范圍內(nèi)60°；在110±5cm范圍內(nèi)，20°。

圖6 中端倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

圖7 高端倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)框圖

圖8 倒車?yán)走_(dá)傳感器覆蓋區(qū)域要求

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

　　Cypress的倒車?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，針對不同客戶、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?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：-40℃~85℃。該P(yáng)SoC芯片包括4個數(shù)字模塊和4個模擬模塊（2CT/2SC）。另外它還擁有針對電機(jī)控制而優(yōu)化的高速8 位 SAR AD轉(zhuǎn)換器。

　　圖9為Cypress倒車?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放大電路。驅(qū)動信號為40kHz的脈沖信號。每個傳感器采用3線連接方式與主控板連接，多可接6路傳感器輸入。對交流信號進(jìn)行電平抬升，從而更好地處理回波信號。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串口連接，顯示器通過數(shù)字方式顯示探測距離。

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

圖9 Cypress倒車?yán)走_(dá)控制系統(tǒng)硬件框圖

圖10 PSoC內(nèi)部模塊配置