摘 要： 在分析研究紅外線發(fā)射器和接收器原理的基礎上，以可編程片上系統(tǒng)PSoC芯片為核心部件，利用PSoC集成開發(fā)環(huán)境Creator內嵌的固件元件，進行了紅外線通信測控系統(tǒng)的軟件和硬件設計。PSoC是一款以ARM和CPLD兩大功能部件組成的混合處理器。在Creator環(huán)境下，固件元件類似于面向對象程序設計的控件，使硬件設計軟件化，與硬件相關的源程序編譯器自動生成。采用PSoC設計的紅外線發(fā)送與接收電路具有硬件設計簡單、軟件設計圖形化、可以充分利用PSoC提供的固件元件的優(yōu)點。PSoC非常適合在通信和測控中應用。
關鍵詞： Creator；PSoC；紅外線通信；元件；固件

紅外線通信由于結構簡單、成本低，在家用電器、儀器儀表、工業(yè)控制中得到了廣泛的應用。實現紅外線通信的方案很多，但主要是由專有集成電路和單片機實現兩種。由專用集成電路實現的紅外線通信主要是各種遙控器，但是它難以和單片機接口，應用的靈活性差。單片機實現的紅外線發(fā)射器與接收器能方便地與其他電路模塊連接組成應用系統(tǒng)，在各種測量和控制系統(tǒng)中有大量應用。本文介紹一種由特殊的單片機，即可編程片上系統(tǒng)PSoC組成的紅外線通信測控系統(tǒng)的應用實例。PSoC5是由Cypress公司生產的ARM Cortex-M3和CPLD兩大部分組成的芯片。它以固件元件的模式提供了許多模擬和數字功能單元，在集成開發(fā)環(huán)境Creator的支持下，這些功能單元和元件在畫板上放置、連接、引腳定義并進行屬性配置形成設計原理圖，這個原理圖的功能由CPLD實現并與ARM微處理器連接。Creator的編譯器將各個元件生成其對應的C語言文件，開發(fā)者只需在C語言框架程序中修改或編寫中斷、DMA和main程序即可完成軟件設計。這種圖形化編程方法不需要開發(fā)者了解PSoC芯片的底層硬件結構，編寫的代碼非常少，降低了開發(fā)的技術難度[1]。本設計所采用的PSoC實施方案對其他嵌入式設計也具有一定的指導作用。
1 紅外線通信測控系統(tǒng)構成
紅外線通信測控系統(tǒng)的結構如圖1所示。發(fā)送電路的電阻R1為510 ?贅，R2為10 ?贅，晶體管T1為9013。主機可以是任何帶有串行接口的計算機或嵌入式裝置，通過串行接口將數據傳送到PSoC或接收PSoC的數據。在發(fā)送端，PSoC將直接連接模擬量和數字量，串口接收的數據通過紅外線發(fā)射電路發(fā)送出去。在接收端，一體化接收頭輸出的信號送到PSoC，PSoC接收到一幀完整的信息后，處理后通過串行接口送到主機，也可以直接輸出模擬量和數字量，并在LCD顯示出來[2]。

2 紅外線通信測控系統(tǒng)固件元件原理圖設計
紅外線通信測控系統(tǒng)發(fā)送和接收端電路都使用了多個固件元件，受篇幅限制，結合發(fā)射和接收電路的原理敘述，只對與發(fā)射和接收密切相關的幾個元件做詳細介紹，了解和掌握PSoC元件的屬性設計及使用方法。
2.1 紅外線通信測控系統(tǒng)發(fā)射電路
紅外線通信測控系統(tǒng)的發(fā)送端固件元件原理圖如圖2所示。外部的傳感模擬信號由引腳Pin_4輸入，經程控增益放大器PGA放大后，送入模數轉換器ADC轉換成數字量，轉換結束產生isr_2中斷，在中斷子程序中將結果讀入ARM處理器。外部連接的開關量通過引腳Pin_2和 Pin_3接入狀態(tài)寄存器Status_Reg，外部主機的控制數據經串行接口UART被ARM處理器接收。將上述數據組裝成發(fā)送的4 B 32 bit幀信息，第1字節(jié)高4位是設備碼，低4位是命令碼，第2字節(jié)是發(fā)送的開關量，第3和4字節(jié)是16 bit模擬量。紅外線通信測控系統(tǒng)發(fā)送端涉及的元件有多個，篇幅所限，只介紹與通信相關的幾個元件。

首先介紹脈沖寬度調制元件PWM[3]，要使用的元件必須進行屬性配置，PWM的輸入時鐘由時鐘元件Clock_1提供，頻率設置為1 MHz。PWM的屬性配置如圖3所示。由通用數字塊UDB實現PWM元件，分辨率為16 bit，因為紅外線通信傳送的是頻率為38 kHz的調制脈沖波，所以PWM的周期為26 μs，為了使輸出波形占空比為1:1，PWM的比較值設置為13 μs，比較類型設置為Less。當然，在實際使用中可以將占空比調整為1:3、1:4等以達到增加發(fā)射距離和省電的目的。這樣，PWM元件啟動后，就能在PWM端輸出連續(xù)的方波。定時器Timer的屬性配置如圖4所示，模塊由PSoC內部的UDB實現，分辨率為24 bit，因為紅外線通信的數據0由560 μs高電平和560 μs低電平組成，數據1由560 μs高電平和1 680 μs低電平組成，所以設置定時器周期為560 μs，并且在定時器終端計數TC時產生中斷。

進行紅外線通信的數據發(fā)送，首先發(fā)送啟動碼，啟動碼由9 ms的高電平和4.5 ms的低電平組成，接著發(fā)送由0或1組成的32 bit數據碼。PWM和Timer啟動后，當有數據傳輸時，將Control_Reg_2和Control_Reg_1寄存器置1，Pin_1端輸出38 kHz方波。當Timer產生16次isr_1中斷(9 ms時間到)，將Control_
Reg_1置0，Pin_1端無脈沖輸出，當Timer產生8次isr_1中斷（4.5 ms時間到），啟動碼發(fā)送完畢。接著發(fā)送32 bit數據，先發(fā)送560μs的高電平，將Control_Reg_1置1，Pin_1端輸出38 kHz方波。當Timer產生1次isr_1中斷（560 μs時間到），將Control_Reg_1置0，Pin_1端無脈沖輸出，直到Timer產生1次（如果數據是0）或3次（如果數據是1）isr_1中斷，直至將32 bit數據發(fā)送完畢[4-5]。
2.2 紅外線通信測控系統(tǒng)接收電路
紅外線通信測控系統(tǒng)的接收端固件元件原理圖如圖5所示。將寄存器Control_Reg_1置1，紅外線接收頭輸出的信號通過Pin_1引腳接到定時器Timer的捕獲端capture，在Timer的屬性配置中，下降沿捕獲，捕獲產生中斷，設置分辨率為32 bit，周期為4 294.967 s。當捕獲發(fā)生后，將前次與本次捕獲值相減，如果接近13.5 ms，就找到了本次數據傳輸的啟動碼，繼而接收32 bit數據碼。如果兩次捕獲值的差接近1.12 ms，接收的這位是0，如果兩次捕獲值的差接近2.24 ms，接收的這位就是1。接收到32 bit數據在LCD顯示出來，根據第1字節(jié)低4位功能碼，確定是進行本地控制還是經過串行接口UART傳輸給上位機。如果是本地控制，則將接收的第2字節(jié)輸出到控制寄存器Control_Reg_2，第3字節(jié)輸出到數模轉換器VDAC8_1[6]。