摘要：本文介紹了傳統(tǒng)采用單片機控制的LED顯示屏設(shè)計方法與基于PSoC技術(shù)的LED顯示屏設(shè)計方法的區(qū)別，闡述了PSoC技術(shù)在LED點陣顯示系統(tǒng)設(shè)計中的優(yōu)勢。以PSoC系列的CY8C27443芯片為核心的LED點陣顯示系統(tǒng)為例，具體描述了PSoC多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計、PSoC的配置和軟件功能的具體設(shè)計實現(xiàn)方法。由于CY8C27443 芯片的內(nèi)部資源更加豐富所以進行LED點陣系統(tǒng)的設(shè)計比51單片機電路更加簡單，性能更加穩(wěn)定，軟件設(shè)計也更加簡單方便，從而大大節(jié)省了開發(fā)周期和成本。

　　傳統(tǒng)采用51 單片機控制LED點陣的顯示屏功能相對比較單一若要使其實現(xiàn)功能的多樣化，則往往需要花費大量的時間和精力設(shè)計復雜的外圍電路，故其系統(tǒng)設(shè)計中使軟件、硬件的設(shè)計更為復雜，增加了開發(fā)難度；增大了顯示屏的體積和重量，不易于運輸和安裝；更重要的是產(chǎn)品生產(chǎn)成本也較為高昂。與傳統(tǒng)LED顯示屏相比，基于PSoC 技術(shù)所開發(fā)的多功能精簡尺寸型LED點陣顯示屏是利用片上系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)點將各個不同功能的模塊集成在同一芯片上，由于其僅僅通過添加和減少芯片上的模塊就可以實現(xiàn)相應功能的增減，這就在很大程度上彌補了傳統(tǒng)LED顯示屏的不足，縮短了開發(fā)周期，使產(chǎn)品更容易升級更新。

　　1 系統(tǒng)工作原理

　　1.1 PSoC 系列單片機介紹

　　PSoC：（Programmable System-On-Chip）可編程系統(tǒng)級芯片，是新一代片上系統(tǒng)單片機。由賽普拉斯公司的PSoC（TM）混合信號陣列是可編程的片上系統(tǒng)（SOC），該芯片集成了微控制器及嵌入式系統(tǒng)中常需擴充的模擬及數(shù)字組件。同時，也可將PSoC 視為8 位微控制器，即8 位單片機。但是和一般單片機不同的是它幾乎不需要外圍電路，一片PSoC 芯片就可實現(xiàn)一個電子系統(tǒng)，而且PSoC 具有比一般單片機更多的內(nèi)部資源。國外專家把它的發(fā)展喻為第二次電子學革命。本系統(tǒng)使用的PSoC 芯片是CY8C27443，CY8C27xxx 是PSoC 混合信號陣列中在模擬量中處理最為強的一個系列［1］，下表1 是28 管腳的CY8C24533和AT89C51 之間的比較。從上表中我們不難看到CY8C27443 芯片的內(nèi)部資源更加豐富所以進行LED點陣系統(tǒng)的設(shè)計比51 單片機電路更加簡單，性能更加穩(wěn)定。該芯片價格很廉價而且還增加A/D 模塊，D/A模塊，SPI 接口模塊，PWM 模塊，溫度傳感器等都可以集成在芯片內(nèi)部這樣就使得外圍電路大大減少，硬件電路尺寸更加精簡、可靠。軟件設(shè)計也更加簡單方便大大節(jié)省了開發(fā)周期。CY8C27443 芯片價格相比51單片機來說雖然高出了2-3 倍但是內(nèi)部有其豐富的資源可供配置所以該系統(tǒng)成本可以節(jié)省50%~60%左右。

　　表1 CY8C24533 和AT89C51 之間的比較

　　1.2 基于PSoC 的精簡尺寸LED點陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計如圖1 所示，以PSoC 為控制器的LED點陣系統(tǒng)通過TG202 煙霧傳感器傳感器，HM1500 濕度傳感器，以及PSoC 片內(nèi)集成的溫度傳感器。分別采集到空氣中的煙霧濃度，濕度和溫度情況后及時發(fā)布到LED顯示屏上顯示，當出現(xiàn)異常情況時還可以通過蜂鳴器發(fā)出報警。采集到的數(shù)據(jù)也可以通過Si4432 無線收發(fā)模塊送入PC 機進行外部環(huán)境監(jiān)測。同時也可以在PC 機上輸入字符后通過無線收發(fā)模塊發(fā)送到LED顯示屏來發(fā)布廣告和通知等信息。由于PSoC 同時具有片內(nèi)和片外系統(tǒng)時鐘源。從而且顯示屏掃描速度可以提高，使得產(chǎn)品硬件設(shè)計性能更加可靠，加之PSoC可以動態(tài)重構(gòu)所以產(chǎn)品更加靈活多變，功能更加齊全；軟件設(shè)計方面有廠商提供的API 函數(shù)可供調(diào)選，編程者無須向使用51 單片機那樣在底層驅(qū)動上大費心思，這樣使底層驅(qū)動程序開發(fā)周期大大縮短，從而可把精力更多的應用程序開發(fā)上，提高了開發(fā)效率。

　　圖1 基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的硬件設(shè)計

　　1.2.1 TGS202 作為氣體傳感器

　　本系統(tǒng)采用TGS202 作為氣體傳感器來檢測空氣中含有的CO，CO2，煤氣，甲烷等氣體來檢測環(huán)境中的煙霧，當探測到這些氣體時TG202 的內(nèi)阻變小，從而使得輸出端電壓快速上升，以達到檢測火災的功能。

　　通過配置PSoC 中的放大器和8 位8 通道A/D 轉(zhuǎn)換模塊，并且該內(nèi)部采用了sinc2 濾波器是硬件電路來實現(xiàn)減少了CPU 的開銷，并可以進行64 倍過采樣，從而降低了對前端濾波器的抗混疊要求該濾波器。實現(xiàn)把氣體傳感器的模擬量轉(zhuǎn)化成數(shù)字量，并且重復測試三次以上將得到的數(shù)據(jù)的平均值送到指定的單元存儲。

　　一旦發(fā)現(xiàn)氣體超標則PWM 模塊輸出口就輸出1KHz的方波來驅(qū)動蜂鳴器以達到報警的目的。

　　1.2.2 溫度傳感器

　　PSoC 微控制器內(nèi)部自帶溫度傳感器，其絕對溫度成正比即線性的輸出電壓。Flash Temp 應用程序接口（API）把溫度傳感器轉(zhuǎn)換為每攝氏度一個計數(shù)。PSoC內(nèi)部的溫度傳感器Flash Temp 為戶模塊提供了一項bFlashWriteBlock 函數(shù)的初略溫度測量功能，它的測量范圍在-40 - +80 度之間，單位是攝氏度。

　　1.2.3 濕度傳感器

　　濕度是表示空氣中水蒸氣的含量的物理量［2］，本系統(tǒng)采用HUMIREL 公司的HM1500 濕度送變器，HM1500 的測濕元件選用濕敏電容HS1101，當外界相對濕度變化時，感濕膜能吸附和釋放水汽分子，引起其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使元件電容量改變。利用電容量與相對濕度的函數(shù)關(guān)系即可測量濕度［3］。

　　HM1500 內(nèi)置放大電路，并采用了恒壓源供電能夠輸出和相對濕度呈比例的伏級電壓信號。由于溫度會影響濕敏電阻的延遲性，所以根據(jù)電壓和相對濕度的關(guān)系在PSoC 內(nèi)部添加PGA 模塊進行電路補償?shù)姆绞絹韺φ`差進行補償，然后連接12 位A/D 轉(zhuǎn)換器。

　　1.2.4 LED點陣顯示屏

　　該顯示屏的實現(xiàn)過程如圖2 所示，LED點陣顯示屏是由128 個1.9mm 的8×8 的LED點陣塊組成，每八塊形成32×32 矩形點陣。采用逐行掃描方式因為掃描時間很快及人眼的視覺暫留效應，就可看到LED點陣顯示的是完整的圖形或文字。行驅(qū)動使用ULN2803高電壓大電流達林頓晶體管陣列集成芯片， 由于ULN2803 單腳最大輸出灌電流500mA，為使驅(qū)動電平匹配所以在PSoC27443 里面配置反相器模塊而且單塊列驅(qū)動電路由集成電路74HC595，它構(gòu)成一個8 位串入并出的移位寄存器和一個8 位輸出鎖存器，而且移位寄存器和輸出鎖存器的控制是各自獨立的，通過74HC595 的級聯(lián)可實現(xiàn)在顯示本行各列數(shù)據(jù)的同時，傳送下一行的列數(shù)據(jù)，即達到重疊處理的目的。從單片機I/O 口串行輸出的點陣數(shù)據(jù)隨著移位時鐘的作用逐位移動到對應位置，在接收到鎖存信號后，將數(shù)據(jù)并行輸出至LED 的列線，最后在行驅(qū)動信號的作用下點亮一行LED象素。

　　1.2.5 PSoC 與PC 機之間的通信

　　PSoC與PC機之間的通信如圖3 所示，采用Si4432無線收發(fā)模塊通信，在這里采用的是Si4432 芯片是Silicon Labs 公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EzRadioPRo 系列無線收發(fā)芯片。其工作電壓為1.9~3.6 V，可工作在315/433/868/915 MHz 四個頻段；內(nèi)部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調(diào)制解調(diào)器、64 字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO，以及可配置的GPIO 等。Si4432 在使用時所需的外部元件很少，僅需30MHz 的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單，且成本低。

　　Si4432 的接收靈敏度達到-117 dB，可提供極佳的鏈路質(zhì)量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達8 kHz，具有極好的頻道選擇性；在240~960 MHz 頻段內(nèi)，不加功率放大器時的最大輸出功率就可達+20dBm，設(shè)計良好時收發(fā)距離最遠可達2km.

　　Si4432 可適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線RS485/RS232 數(shù)據(jù)通信等諸多領(lǐng)域。

　　圖3 基于PSoC 的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)和PC 機通信的硬件框圖

　　該系統(tǒng)組成了一個星型網(wǎng)絡(luò)，PC 與多個LED顯示屏間的通信屬于多機通信。采用主從式結(jié)構(gòu)：主機是PC 機通過查找相應的地址控制不同的從機，作為從機的PSoC 控制無線收發(fā)模塊不主動發(fā)送命令或數(shù)據(jù)，由主機控制并且在一個多機系統(tǒng)中，只有一臺主機即PC 機，各臺從機之間不相互通信，即使要信息交換也必須經(jīng)過主機轉(zhuǎn)發(fā)。最后經(jīng)過無線收發(fā)模塊以數(shù)據(jù)包的形式，發(fā)送到LED 顯示屏。本系統(tǒng)定義的數(shù)據(jù)包格式如下表2 所示：其中，前導碼是0XFFAA55.

　　數(shù)據(jù)包在傳輸過程中會在每個包的前面加上可設(shè)置好長度的前導碼；接收端為了識別幀的到來，需要前導碼進行幀同步，從而確定收發(fā)系統(tǒng)之間何時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。同步字在前導碼之后，要用設(shè)定好的同步字作為同步模式的標志碼。本系統(tǒng)設(shè)定的同步字為2 個字節(jié)，同步字內(nèi)容為0x2DD4，接收端在檢測到同步字后才開始接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)載荷長度為1 字節(jié)，有效數(shù)據(jù)載荷是用戶所發(fā)送的數(shù)據(jù)。CRC 校驗和由內(nèi)置CRC 校檢。Si4432 內(nèi)部集成有調(diào)制/解調(diào)、編碼/解碼等功能，從而前導碼、同步字、數(shù)據(jù)載荷長度和CRC校驗和都通過硬件自動加上去的，用戶只需設(shè)定數(shù)據(jù)包的組成結(jié)構(gòu)和部分結(jié)構(gòu)的具體內(nèi)容如前導碼和同步字就可以。

　　表2 數(shù)據(jù)包格式

　　1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　利用中斷分時處理的原理構(gòu)成系統(tǒng)主程序和中斷服務程序。其中主程序如圖4，該主程序不斷的判斷相應的flag 是否為1 只要flag 等于1 就通過中斷進入相應的子程序。中斷子程序（Timer8 Interrupt）， 作時間間斷、計數(shù)器標志單元為70H、每當？t=100ms 到了就是相應的flag 置1。

　　1.4 主機應用程序

　　應用程序如圖5 所示是利用Delphi 開發(fā)編制。

　　Delphi 是Windows 平臺下簡單、易學、強大、簡便易用和代碼執(zhí)行速度快、高效的可視化開發(fā)環(huán)境（IDE），其具有所見即所得的可視化界面設(shè)計風格和面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計等特點，已廣泛應用于各個領(lǐng)域。

　　Delphi 提供了良好的界面設(shè)計能力，在PC 串口通信方面也有很強的功能。

　　圖5 上位機軟件界面之一

　　1.4.1 取模

　　顯示漢字必然要用到漢字的點陣字形信息， 也叫做漢字的字模。即漢字字形的數(shù)字化。根據(jù)漢字的顯示清晰度，本應用軟件多種字模供用戶選擇。以16×6點陣字模來舉例，每一個字由16 行16 列的點陣組成顯示。即國標漢字庫中的每一個字均由256點陣來表示。

　　我們可以把每一個點理解為一個像素，而把每一個字的字形理解為一幅圖像。事實上這個顯示屏不僅可顯示漢字， 也可顯示在256 像素范圍內(nèi)的任何圖形。通過建立位圖的方法來取模可方便顯示各種特殊字符。

　　取模方式可分成橫向，縱向取模，供用戶選擇。

　　1.4.2 Delphi 環(huán)境下串口通信實現(xiàn)方法

　　本系統(tǒng)選用了MSComm 控件，它通過串行端口傳送和接收數(shù)據(jù)為應用程序提供基本的串口通信功能，使得程序員不必花費大量的時間去了解較為復雜的API 函數(shù)。本系統(tǒng)：采用的是發(fā)送二進制數(shù)，需要使用Variant變量矩陣，矩陣大小自動調(diào)節(jié)mscomm1.Settings ：=‘9600，N，8，1’;//參數(shù)設(shè)置，返回波特率、奇偶校驗、數(shù)據(jù)位、停止位mscomm1.SThreshold：= 0;//一次發(fā)送所有數(shù)據(jù)mscomm1.PortOpen：=true; // 打開端口mscomm1.RThreshold ：= 16;//設(shè)置接收多少字節(jié)并產(chǎn)生OnComm 事件，捕獲并處理通信中發(fā)生的事件或錯誤。

　　2 結(jié)論

　　采用PSoC芯片設(shè)計的多功能精簡尺寸型LED點陣系統(tǒng)的功能很強大，硬件設(shè)計簡單，軟件編程只需要調(diào)用API 函數(shù)，并且系統(tǒng)可配置、可靈活多變、無需外加芯片，從而大大提高了其性價比。