1、本科毕业论文（20 届）基于 PSoC 的 PWM 控制与实现所在学院 专业班级 通信工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 基于 PSoC 的 PWM 控制与实现1摘要随着半导体技术的进步和单片机芯片集成度的升高，越来越多的厂商开始提供在单一芯片上实现复杂功能的解决方案，即基于 PSoC 的解决方案。这种解决方案加强了设计的条理性，增强设计的可靠性，缩短了设计周期，简单明了，并且大大降低了设计成本，很大程度上满足了市场的需求。本文首先介绍 PSoC 系列单片机中 CY8CKIT-050 芯片的特性、功能以及原理图，接着介绍 PSoC 单片机的硬件环境。然后介绍了关于 PSoC
2、 单片机的开发环境:creator2.0，其开发环境中有很多用户模块，在用户使用中只需调用相应的API 函数。根据课题需要，细致讲解了 PWM 模块，然后利用 PWM 模块产生的 PWM信号控制 LED 小灯。最后，通过之前的学习与实践，构建一个小车控制平台。首先，了解驱动电路的类型和工作原理，然后动手设计和焊接了一个 H 桥式驱动电路。接着用PSoC 芯片当控制器，来驱动小车，实现小车的基本功能。关键词：PSoC 单片机；creator2.0; pwm;小车基于 PSoC 的 PWM 控制与实现2AbstractWith the increase of advances in semicon
3、ductor technology and integrated single chip,more and more manufacturers began to offer solutions to implement complex functions on a single chip, which is based PSoC solutions.This solution is designed to strengthen the rational, enhanced reliability of the design, shorten the design cycle, simple,
4、 and greatly reduces the design cost, largely to meet the needs of the market.In this paper, first briefly describes the features of PSoC series microcontrollers CY8CKIT-050 chip, function, and schematics. Then introduced PSoC software operating environment creator2.0, learning and summarize the add
5、ressing modes, interrupt mode, storage mode, each system module functions, and the pwm module creator2.0 in-depth study.Learn about the basics of PSoC later, we learned the H-bridge circuit using PSoC plate and bridge driver circuit to drive the car, and finally achieve the basic functions of the ca
6、r.Keywords:PSoC microcomputer,creator 2.0,pwm,car基于 PSoC 的 PWM 控制与实现3目 录第 1 章 绪论 .61.1 PSoC 单片机的来源及应用 .61.2 PSoC 单片机发展状况 .61.3 研究内容及目标 .71.4 本章小结 .7第 2 章 PSoC 系列单片机介绍 .82.1 主要部件及结构原理 .82.2 引脚分布 .102.3 器件分类和资源介绍 .122.4 硬件环境介绍 .122.4.1 I/O 端口 .122.4.2 储存器系统 .132.4.3 数字子系统 .152.4.4 模拟子系统 .152.4.5 CPU 系
7、统 .162.4.6 时钟及电源系统 .182.4.7 中断控制器 .192.5 开发环境介绍 .202.5.1 PSoC Design .202.5.2 PSoC Express.212.5.3 PSoC Creator.212.6 本章小结 .22第 3 章 基于 PSoC 的 PWM 控制 LED .223.1 PWM 模块详解 .223.1.1 PWM 模式 .233.1.2 参数和设置 .233.1.3 应用程序编程接口 .263.2 LED 显示控制的实现 .273.3 本章小结 .29第 4 章 基于 PSoC 的小车系统设计 .304.1 小车实现的功能 .304.2 设计要求
8、 .304.3 原理框图 .304.4 小车调速与前进后退基本原理 .304.4.1 调速基本原理 .314.4.2 PWM 脉冲波的产生方法 .324.5 小车驱动电路方案 .324.5.1 驱动原理 .334.5.2 驱动电路的设计 .334.5.3 电路驱动保护 .34基于 PSoC 的 PWM 控制与实现44.6 软件部分设计 .344.6.1 小车前进后退软件部分 .354.6.2 小车加减速软件部分 .374.7 本章小结 .38结论 .39参考文献 .40致谢 .41基于 PSoC 的 PWM 控制与实现5基于 PSoC 的 PWM 控制与实现第 1 章 绪论1.1 PSoC 单
9、片机的来源及应用片上系统（system on chip，soc）的理念是 20 实际 90 年代提出的，随后立刻成为微电子芯片技术研究与发展的热点，但是 soc 还是远不能满足模拟和数字混合系统的需求，因此关于它的应用受到了比较大的限制。由于市场的需要，于是微电子技术与计算机技术的结合产物：单片机，一经推出就得到了市场的认同，现在已经成为集成电路大家庭中的十分重要的成员，单片机在各个方面都有广泛的应用。但是最开始主流的单片机一般是 mcu+有限的固定的模拟或数字外围，功能不够强大，满足不了用户需求，且随着芯片集成度的提高和半导体技术的发展，越来越多的厂商开始投入大量人力物力研究在单一芯片上实现
10、更多更复杂的功能。美国 cypress 公司最先在该领域实现了使用而且强大 PSoC 解决方案，即：提高设计安全性，增强芯片外围电路（mcu+可编程模拟外围电路 +可编程数字外围电路） ，较少系统设计周期，降低设计成本。PSoC 可运用于电子类产品，如 MP4、家电、VCD、移动设备等，也可使用于医疗仪器，如血糖检测仪、病人监护器等，汽车电子领域，如汽车电子锁、汽车黑匣子，检测系统等，工业领域，如雾霾感应器、水/电/ 气表、各种检测设备、语音识别器等。PSoC 为以上领域应用提供了具有嵌入式控制功能的高性能现场可编程单片系统。1.2 PSoC 单片机发展状况单片机正朝着功能复杂化，单片系统化，
11、设计周期缩短，功耗降低的方向发展。突出表现在：第一，从 intel 公司 MCS-51 系统单片机的一枝独秀，快速发展到如今 cypress 推出的 PSoC 系列单片机，两者互为补充，兼容并蓄，百花齐放的新格局；第二，片上系统是内部装配单片机的系统芯片，他把电机整机(测控系统 )的功能全部集成到一个芯片中，暗示着不久以后，IC 与电子整机之间的界限将被打破；第三，单片机目前正被集成各种电容，传感器，通信接口等，传统单片机仅有 mcu+有点固定的模拟或数字外围已被打破。 PSoC 结合了基于 PSoC 的 PWM 控制与实现6mcu，模拟，数字外围，把三者完美的结合在一起，此外 PSoC 具有
12、 A/D,D/A的两个模块，有效解决了两种信号的接口问题。PSoC 也由当初的稚嫩到了今天的成熟，由 PSoC1 内置（M8 ）8 位处理器，处理速度 4MIPS，到今天的 PSoC3 和 PSoC5 分别采用了 8051 和 ARM CortexM3 处理器，速度分别到达 33MIPS 和 100MIPS。开发工具也发生了很大变化，增加了输入电路退构筑结构等功能，设计的周期缩短，而且变得极为灵活。且推出了无需编码的可视化设计工具软件：PSoC Express。PSoC Express不需要编程，只需根据设计需求选择输入输出设备、添加且定义系统的各个接口等方法，即可自己正确快速的生成所有代码，
13、大大缩短了设计时间。1.3 研究内容及目标目前使用的主流单片机为 8051 系列单片机、MOTOROLA 单片机等，且高校大学生大多数使用 8051 单片机来设计小车，从而对 PSoC 系列单片机较为陌生，并且缺乏学习陌生但相似单片机的学习方法。此次设计使用一种新的单片机，与传统市面上的单片机有很大不同。自己独立完成对单片机的认识，操作环境的认识，语言的学习，并且完成硬件驱动电路和软件编程。通过这次实践，对 PSoC 单片机有了深刻的了解，为日后学习各种单片机时，能在较短时间内熟悉并掌握其控制原理和操作环境，积累了一定的学习方法，受益匪浅。1.4 本章小结本章主要描述 PSoC 系列单片机的出
14、现、发展和现况，以及本次实验的方法和目的。基于 PSoC 的 PWM 控制与实现7第 2 章 PSoC 单片机介绍2.1 主要部件及结构原理图 2.1 PSoC5 的结构原理图如图 2.1 所示，PSoC5 包含的主要部件有：(1)ARM Cortex-M3 CPU 子系统；(2)非易失性储存子系统；(3)编程，调试和测试子系统；(4)输入和输出；(5)时钟资源；(6)电源系统; 数字子系统；(7)模拟子系统。模拟子系统支撑整个 PSoC5 系统的一半可配置能力。所有模拟子系统的性能取决于高精度的绝对电压参考。配置模拟子系统包括：模拟交叉开关；模拟混频器；比较器；电压参考；模拟数字转换器；数字
15、模拟转换器。PSoC 也提供两个逐次逼近寄存器（Successive Approximation Register,SAR)的 12 位 ADC，最高采样速度达到 1Msps，该 ADC 也提供了低非线性和低偏置误差，以及 SNR 高于 70dB 的性能指标。所以，可以很好的使用于各种不同的基于 PSoC 的 PWM 控制与实现8高速的模拟应用环境中。所有的 GPIO 引脚通过使用内部的模拟总线能将模拟号连接到芯片的输入/输出。这允许芯片接口连接最多 62 个离散的模拟信号。模拟子系统的主要部件是高准确性，可以配置的 ADC 转换器，其特征包括：小于 100uv 偏置；增益误差 0.2%；积分
16、非线性误差（INL）小于 1LSB；差分非线性误差（DNL）小于 1LSB；在 16 位模式下，信噪比（SNR) 高于 90dB。PSoC5 的 CPU 子系统使用 32 位 3 级流水的 ARM CortexM3 处理器，运行最高速度为 80Mhz。CortexM3 子系统包括类别丰富的调试和跟踪模块，集成的嵌套向量中断控制器 NVIC。这个 CPU 子系统包括 DMA 控制器、Flash Cache、 RAM。PSoC 提供了 5 种类型的 I/O 接口，其使用非常灵活。所有的 I/O 可以设置多种驱动模式。PSoC5 提供了四个 I/O 电压域。每个 GPIO 都有 LCD 驱动，灵活的
17、中断相应，数字输入输出，模拟输入输出、电容感性和抖动率控制的能力。PSoC5 支持较宽范围的电压，它的电压范围从 1.715V。如果是低电压供电的需求，PSoC5 提供片上升压转换器。PSoC5 使用串行调试 SWD 接口或者 4 线的 JTAG 用于编程、测试和调试。CortexM3 调试和跟踪模块包括：仪器跟踪宏，嵌入式跟踪宏。端点和闪存地址重载和跟踪和数据监视点。基于 PSoC 的 PWM 控制与实现92.2 引脚分布0 . 1 u FC 40 . 1 u FC 60 . 1 u FC 20 . 1 u FC 80 . 1 u FC 90 . 1 u FC 1 00 . 1 u FC 1
18、 10 . 1 u FC 1 2V s s dV d d dV s s dV d d dV s s dV d d aV s s d V s s dV d d aV s s aP251P262P273P124,SIO4P125,SIO5P646P657P668P679Vssb10Ind11Vboost12Vbat13Vssd14XRES15P5016P5117P5218P5319P10,SWIO,TMS20P11,SWDIO,TCK21P1222P13，SWV,TDO23P14,TDI24P15,nTRST25V d d i o 12 6P 1 6 2 7P 1 7 2 8P 1 2 6 , S
19、 I O2 9P 1 2 7 , S I O3 0P 5 4 3 1P 5 5 3 2P 5 6 3 3P 5 7 3 4U S B D + , P 1 5 6 3 5U S B D - , P 1 5 7 3 6V d d d3 7V s s d3 8V c c d3 9N C4 0N C4 1P 1 5 0 , M H z X o u t4 2P 1 5 1 , M H z X i n4 3P 3 0 , I D A C 14 4P 3 1 , I D A C 34 5P 3 2 , O A 3 - , R E F 14 6P 3 3 , O A 3 +4 7P 3 4 , O A 1 -
20、4 8P 3 5 , O A 1 +4 9V d d i o 35 0P36,OA1out51P37,OA3out52P120,SIO53P121,SIO54P152,kHzXout55P153,kHzXin56NC57NC58NC59NC60NC61NC62Vcca63Vssa64Vdda65Vssd66P122,SIO67P123,SIO68P4069P4170P00,OA2out71P01,OA0out72P02,OA0+73P03,OA0-,REF074Vddio075P 0 4 , O A 2 +7 6P 0 5 , O A 2 -7 7P 0 6 , I D A C 07 8P 0
21、 7 , I D A C 27 9P 4 2 8 0P 4 3 8 1P 4 4 8 2P 4 5 8 3P 4 6 8 4P 4 7 8 5V c c d8 6V s s d8 7V d d d8 8P 6 0 8 9P 6 1 9 0P 6 2 9 1P 6 3 9 2P 1 5 4 9 3P 1 5 5 9 4P 2 0 9 5P 2 1 9 6P 2 2 9 7P 2 3 9 8P 2 4 9 9V d d i o 21 0 0U 1C Y 8 C 3 8 x xV d d dV s s d0 . 1 u FC 50 . 1 u FC 70 . 1 u FC 1V s s dV d d
22、 d0 . 1 u FC 3V s s d V d d dV d d dV s s dV s s d V d d dV s s dVssdVddaVssaVccaV c c dV s s dV d d dVssd图 2.2 PSoC5 的电气连接示意图（1）DAC0，IDAC1，IDAC2，IDAC3:用于高电流 DAC 的低阻抗输出；（2）OpAmp0out，OpAmp1out，OpAmp2out，OpAmp3out：可供使用的放大器的高电流输出。（3）Extref0 ，Extref1 ：用于模拟系统的外部参考输入；（4）OpAmp0-，OpAmp1-，OpAmp2- ，OpAmp3- ：运算放大器的反相输入；（5）OpAmp0+，OpAmp1+，OpAmp2+，OpAmp3+：运算放大器的同相输入；（6）GPIO：与 CPU 相连的通用输入输出接口，电容感应，中断，LCD 段
