基于PSoC单片机的燃气变频输配与精确计量实现

3．3 一器多控变频电路的设计

该部分电路用以实现“手动／自动变频”和“工频／变频状态的切换”。这里选用日本富士FRN75P11S-4CX风机专用变频器，切换电路采用传统的接触器—继电器控制。变频加／减速，手动控制通过一个1-5kll的可调电阻器实现；自动控制通过0～5V的DC变化输入实现。构成如图4所示。

3．4 信号的输入与输出

设计系统应用在燃气行业，安全防护十分重要。压力、温度、差压信号的采集，现场的一次仪表全部采用一体化防曝类型，现场引入的信号采用隔离型安全栅。输出信号全部采用继电器控制，与现场控制器件隔离。

4 PSoC单片机测控系统的设计

4．1 PSoC单片机的资源使用与配置

11位A／D转换器，选用DelSigll用户模块(△—∑型A／D)，占用一PSoC模拟模块、一PSoC数字模块和专用的采样抽取器，为增强实时性与精度而取其最大采样率7．8ksps(即每次采样需128．2μs)。

6位A／D转换器，选用SAR6用户模块(逐次逼近型A／D)，转换时间25μs，占用一PSoC模拟模块。

8位D／A转换器，选用DAC8用户模块(电压输出型D／A)，其时钟更新率为125kHz(即每次变换需31μs)。

A／D与D／A的参考电压设定：AGnd=0V，AVdd=5V。

切换控制输出I／O口，选定内部上拉电阻输出，以得到大的驱动能力。取工／变频切换控制为5个。

LCD模块接口，选定LCD用户模块，该模块使用标准HD44780LCD显示驱动协议，占用7个I／O口，驱动显示2x16个8x8点阵字符。

E2ROM，选用E2PROM用户模块。这是使用内部Flash memory模拟的E2ROM，不限容量大小，取为2KB。

串行通信口， 选用UART用户模块(8位通用UART)，占用2个PSoC数字模块和2个I／O口，设定其初始值为96-N-8-1，为将来扩展连接Modem预留一个I／O口。

定时器，选用Timer8用户模块(8位减计数型)，占用一PSoC数字模块；一定时器周期设定为变频器“工／变频切换”的时间值；一定时器周期取最大值，以用于流量累计。

OSC振荡器全部选定用内部模块，外围不再配备晶体。启用内部看门狗和实时时钟(RTC)功能。

确定采用4个中断：压力转换中断(11AD_ISR)、键盘操作中断(6AD—ISR)、工／变频切换中断(Tliner8—ISR)、串行接收中断(Uart_ISR)。 中断优先级编排如下：11AD_ISR、Timer8_ISR、6AD_ISR、Uart_ISR。

打开PSoC Designer IDE应用软件，选用CY8C26443器件，指定编程语言(汇编或C语言)，创建项目工程；在软件的器件编辑器窗口中，按上述选择，配置各个用户模块。本设计共使用8个PSoC数字模块、5个PSoC模拟模块、24个I／O口。器件编辑器的使用，大多是图形和文本选择操作，十分简易直观，这里不再赘述。

用户模块配置完成后，在IDE环境中，点击“GenerateApplication Files”按钮，产生boot．sam和PSoCconfig．asm文件，并生成应用程序接口函数(APl)与中断服务程序、主程序框架文件，以便填写应用代码、编制用户程序。

boot．sam和PSoCconfig．asm文件，是所有程序的基础，boot．sam文件定义了系统启动和执行的次序，PSoCconfig．asm文件包含了进入系统的配置。

4．2 软件设计的整体构思

主程序完成初始化设置并循环采样温度、压力、差压，选择适当量程计算流量并累计、存储与显示。

压力转换中断程序(11AD_ISR)据压力实测值与要求值，确定变频加／减速和工／变频转换中断的启停。

键盘操作中断(6AD_ISR)，识别操作的按钮，进行参数预置、状态显示、记录查看等。

工／变频切换中断(Timer8a_ISR)，完成指定端口的工频与变频的切换，并设置相关标记。

串行接收中断(Uart_ISR)，连接PC或做远程通信。

在PSoC Designer IDE环境的应用程序编辑器窗口中编制程序，编译所有文件，生成可下载或仿真的．rom文件。

4．3 软件仿真与测试

使用Cypress的PSoC仿真器(1CE)及其Designer IDE调试器窗口环境，进行程序仿真和测试。重点说明两点：

(1)断点调试和动态事件点调试

断点调试，与很多常用器件调试工具功能类似，在此不再赘述，着重说明动态事件点调试。动态事件点调试是Cypress很有特色的工具。动态事件点是定义的可满足许多条件的复杂断点，可控制调试在动态事点到来时停止、开／关跟踪文件或触发一外部引脚。使用动态事件点调试，可观察到很多断点调试得不到的程序逻辑设计错误。

(2)各个程序段执行时间的调试

关掉所有中断，测定主程序中流量计算循环程序的执行时间；一次开放一个中断，测定每个设计中断的执行时间。适当设置断点，正常执行程序，测定每个中断与主程序流量计算循环的执行周期。

PSoC单片机的各种中断功能能很好地满足现代嵌入应用，这里构建一个基于PSoC单片机的实时操作系统(RTOS)的雏形，是有任务中断的单调比例调度类型。因此，可以在无法预知软件整体逻辑设计是否满足工业测控实际的情况下，用有任务中断的单调比例调度的条件要求和上述测量时间值，在理论上，去恒量一下软件整体逻辑设计的合理性，并进行适当调整。

有任务中断的单调比例调度的条件公式：

式中，n是最大任务数，E是任务j的执行时间，P是任务j的周期，B是任务j的阻塞时间。

4．4 程序的ISSP下载

PSoC单片机支持在系统串口编程(1SSP)，可以通过UART串口，轻易完成程序的ISSP下载。PSoC单片机Flash中内含不能被覆盖的ISP例程，只要复位重启时硬件电路的ISP例程触发按钮有效，PSoC单片机就转而ISSP编程操作。完成ISSP后，器件自动从Flash的0x0址处执行用户代码。ISSP例程的触发，即将器件PO．5口有效上拉。

4．5 软件设计的注意事项

(1)SRAM空间的分配：用户模块配置信息、编程变量参数、上下文切换堆栈等，都占用SRAM空间。SRAM空间只有256B，虽然比传统MCS51单片机扩大了一倍，但还是十分有限。一定要合理选好开辟堆栈空间的大小和位置，以避免极端情况下程序跑飞。

(2)看门狗的使用：为防程序“跑飞”或“死机”。程序中，要及时“喂狗”(清零看门狗计数器)。关闭看门狗，调试好各个程序段，然后再打开看门狗调试。

(3)11位AD用户模块的动态配置：轮流采样现场压力、温度、差压信号，AD转换器通常定位在压力通道不断地采样压力信号，并在AD转换中断中完成变频调速控制，只有在需要时才切换到温度或差压通道采样。信号通道的切换，采用动态用户模块配置完成，即在需要时改变用户模块配置寄存器值，定向到需要的信号通道。

使用PSoC单片机CY8C26443组成燃气测控系统，以一个28Pin微控器加上极少外围器件，成功地把“变频输配控制与大流量范围燃气计量”合二为一，构成电路简单，免除了芯片选型和搭建复杂外围电路之烦，明显地增强了系统的稳定可靠性，降低了生产成本。应用所提供的开发工具，直接为设计生成API函数，屏蔽了繁琐的寄存器操作，方便了对器件内部资源的调用，大大缩短了项目开发时间。同时因PSoC单片机CPU速度的自增强，系统的数学运算功能明显提高，工业测控的实时性更强了。