基于PSoC單片機的燃氣變頻輸配與精確計量實現

3．3 一器多控變頻電路的設計

該部分電路用以實現“手動／自動變頻”和“工頻／變頻狀態的切換”。這里選用日本富士FRN75P11S-4CX風機專用變頻器，切換電路采用傳統的接觸器—繼電器控制。變頻加／減速，手動控制通過一個1-5kll的可調電阻器實現；自動控制通過0～5V的DC變化輸入實現。構成如圖4所示。

3．4 信號的輸入與輸出

設計系統應用在燃氣行業，安全防護十分重要。壓力、溫度、差壓信號的采集，現場的一次儀表全部采用一體化防曝類型，現場引入的信號采用隔離型安全柵。輸出信號全部采用繼電器控制，與現場控制器件隔離。

4 PSoC單片機測控系統的設計

4．1 PSoC單片機的資源使用與配置

11位A／D轉換器，選用DelSigll用戶模塊(△—∑型A／D)，占用一PSoC模擬模塊、一PSoC數字模塊和專用的采樣抽取器，為增強實時性與精度而取其最大采樣率7．8ksps(即每次采樣需128．2μs)。

6位A／D轉換器，選用SAR6用戶模塊(逐次逼近型A／D)，轉換時間25μs，占用一PSoC模擬模塊。

8位D／A轉換器，選用DAC8用戶模塊(電壓輸出型D／A)，其時鐘更新率為125kHz(即每次變換需31μs)。

A／D與D／A的參考電壓設定：AGnd=0V，AVdd=5V。

切換控制輸出I／O口，選定內部上拉電阻輸出，以得到大的驅動能力。取工／變頻切換控制為5個。

LCD模塊接口，選定LCD用戶模塊，該模塊使用標準HD44780LCD顯示驅動協議，占用7個I／O口，驅動顯示2x16個8x8點陣字符。

E2ROM，選用E2PROM用戶模塊。這是使用內部Flash memory模擬的E2ROM，不限容量大小，取為2KB。

串行通信口， 選用UART用戶模塊(8位通用UART)，占用2個PSoC數字模塊和2個I／O口，設定其初始值為96-N-8-1，為將來擴展連接Modem預留一個I／O口。

定時器，選用Timer8用戶模塊(8位減計數型)，占用一PSoC數字模塊；一定時器周期設定為變頻器“工／變頻切換”的時間值；一定時器周期取最大值，以用于流量累計。

OSC振蕩器全部選定用內部模塊，外圍不再配備晶體。啟用內部看門狗和實時時鐘(RTC)功能。

確定采用4個中斷：壓力轉換中斷(11AD_ISR)、鍵盤操作中斷(6AD—ISR)、工／變頻切換中斷(Tliner8—ISR)、串行接收中斷(Uart_ISR)。 中斷優先級編排如下：11AD_ISR、Timer8_ISR、6AD_ISR、Uart_ISR。

打開PSoC Designer IDE應用軟件，選用CY8C26443器件，指定編程語言(匯編或C語言)，創建項目工程；在軟件的器件編輯器窗口中，按上述選擇，配置各個用戶模塊。本設計共使用8個PSoC數字模塊、5個PSoC模擬模塊、24個I／O口。器件編輯器的使用，大多是圖形和文本選擇操作，十分簡易直觀，這里不再贅述。

用戶模塊配置完成后，在IDE環境中，點擊“GenerateApplication Files”按鈕，產生boot．sam和PSoCconfig．asm文件，并生成應用程序接口函數(APl)與中斷服務程序、主程序框架文件，以便填寫應用代碼、編制用戶程序。

boot．sam和PSoCconfig．asm文件，是所有程序的基礎，boot．sam文件定義了系統啟動和執行的次序，PSoCconfig．asm文件包含了進入系統的配置。

4．2 軟件設計的整體構思

主程序完成初始化設置并循環采樣溫度、壓力、差壓，選擇適當量程計算流量并累計、存儲與顯示。

壓力轉換中斷程序(11AD_ISR)據壓力實測值與要求值，確定變頻加／減速和工／變頻轉換中斷的啟停。

鍵盤操作中斷(6AD_ISR)，識別操作的按鈕，進行參數預置、狀態顯示、記錄查看等。

工／變頻切換中斷(Timer8a_ISR)，完成指定端口的工頻與變頻的切換，并設置相關標記。

串行接收中斷(Uart_ISR)，連接PC或做遠程通信。

在PSoC Designer IDE環境的應用程序編輯器窗口中編制程序，編譯所有文件，生成可下載或仿真的．rom文件。

4．3 軟件仿真與測試

使用Cypress的PSoC仿真器(1CE)及其Designer IDE調試器窗口環境，進行程序仿真和測試。重點說明兩點：

(1)斷點調試和動態事件點調試

斷點調試，與很多常用器件調試工具功能類似，在此不再贅述，著重說明動態事件點調試。動態事件點調試是Cypress很有特色的工具。動態事件點是定義的可滿足許多條件的復雜斷點，可控制調試在動態事點到來時停止、開／關跟蹤文件或觸發一外部引腳。使用動態事件點調試，可觀察到很多斷點調試得不到的程序邏輯設計錯誤。

(2)各個程序段執行時間的調試

關掉所有中斷，測定主程序中流量計算循環程序的執行時間；一次開放一個中斷，測定每個設計中斷的執行時間。適當設置斷點，正常執行程序，測定每個中斷與主程序流量計算循環的執行周期。

PSoC單片機的各種中斷功能能很好地滿足現代嵌入應用，這里構建一個基于PSoC單片機的實時操作系統(RTOS)的雛形，是有任務中斷的單調比例調度類型。因此，可以在無法預知軟件整體邏輯設計是否滿足工業測控實際的情況下，用有任務中斷的單調比例調度的條件要求和上述測量時間值，在理論上，去恒量一下軟件整體邏輯設計的合理性，并進行適當調整。

有任務中斷的單調比例調度的條件公式：

式中，n是最大任務數，E是任務j的執行時間，P是任務j的周期，B是任務j的阻塞時間。

4．4 程序的ISSP下載

PSoC單片機支持在系統串口編程(1SSP)，可以通過UART串口，輕易完成程序的ISSP下載。PSoC單片機Flash中內含不能被覆蓋的ISP例程，只要復位重啟時硬件電路的ISP例程觸發按鈕有效，PSoC單片機就轉而ISSP編程操作。完成ISSP后，器件自動從Flash的0x0址處執行用戶代碼。ISSP例程的觸發，即將器件PO．5口有效上拉。

4．5 軟件設計的注意事項

(1)SRAM空間的分配：用戶模塊配置信息、編程變量參數、上下文切換堆棧等，都占用SRAM空間。SRAM空間只有256B，雖然比傳統MCS51單片機擴大了一倍，但還是十分有限。一定要合理選好開辟堆棧空間的大小和位置，以避免極端情況下程序跑飛。

(2)看門狗的使用：為防程序“跑飛”或“死機”。程序中，要及時“喂狗”(清零看門狗計數器)。關閉看門狗，調試好各個程序段，然后再打開看門狗調試。

(3)11位AD用戶模塊的動態配置：輪流采樣現場壓力、溫度、差壓信號，AD轉換器通常定位在壓力通道不斷地采樣壓力信號，并在AD轉換中斷中完成變頻調速控制，只有在需要時才切換到溫度或差壓通道采樣。信號通道的切換，采用動態用戶模塊配置完成，即在需要時改變用戶模塊配置寄存器值，定向到需要的信號通道。

使用PSoC單片機CY8C26443組成燃氣測控系統，以一個28Pin微控器加上極少外圍器件，成功地把“變頻輸配控制與大流量范圍燃氣計量”合二為一，構成電路簡單，免除了芯片選型和搭建復雜外圍電路之煩，明顯地增強了系統的穩定可靠性，降低了生產成本。應用所提供的開發工具，直接為設計生成API函數，屏蔽了繁瑣的寄存器操作，方便了對器件內部資源的調用，大大縮短了項目開發時間。同時因PSoC單片機CPU速度的自增強，系統的數學運算功能明顯提高，工業測控的實時性更強了。