PSoC 传感器应用平台

　　在嵌入式系统中，控制芯片主要处理两大类型的信号，一种是数字信号，另一种就是模拟信号。模拟信号通常来自于传感器。要从这些模拟传感器中获得准确的信号并不是一件容易的事情。模拟的输出信号通常振幅比较小，所以需要一个信号放大器。信号放大后，噪声会也被放大，又需要一个模拟的低通或带通滤波进行滤波。如果多种传感器同时使用，还需要一个模拟的MUX。除此之外，还可能用到比较器和D/A转换器。

　　传统设计中，控制器只用来实现处理数据、系统间的通讯和控制功能。如果您的设计也用这种传统的方式，就会面临一些挑战。这些挑战主要来自于分离的模拟器件和固定功能的MCU。首先从系统设计角度看，随着市场变化速度的加快和用户要求的提高，一个设计灵活的软硬平台是必须的，而分离的模拟器件和固定功能的MCU远远不能满足不断更新的设计要求和有限的研发上市时间。其次，处理传感器的噪声需要一个复杂的混合信号解决方案，通常需要放大器、滤波器、ADC、比较器和DAC。对于传统设计，便需要考虑非常多的独立的分离器件，这无论从产品成本还是生产成本来看都会成为负担。

      而高集成度且设计灵活的PSoC便有效地应对了这些挑战。PSoC可以实现哪些功能呢？单芯片的PSoC在信号的输入端可以实现各种模拟感应信号的输入和信号处理，同时还可以实现时下流行的电容式触摸感应的设计。在控制功能方面，PSoC可以实现各种风扇和电机的控制、功率控制，同时还支持多种复杂的通讯接口。PSoC的应用无处不在，消费电子、白电、医疗、汽车、工控产品中都有PSoC的用武之地，目前PSoC的全球的客户已超过8100个，出货量超过4亿。

　　PSoC是什么样的片上系统呢？PSoC是可编程片上系统的字母缩写，它不是一个单纯的MCU，除了8位MCU核、Flash和SRAM以外，还包含了可编程的数字模块和模拟模块，是一个真正的片上系统。

图1 PSoC产品框图

图2 超声波信号发送

　　从图1中可以看到，PSoC的整个系统是由MCU核、Memory、数字系统、模拟系统和其他系统资源组成。图中左边的部分是普通单片机的结构，包含时钟源、Flash、SRAM和MCU本身。右边是一些可编程的GPIO。中间部分就是PSoC特色，即可编程数字模块和模拟模块，PSoC的优势也正在这里。这些可编程的数字模块和模拟模块可以配制成不同的功能，例如UART、ADC、滤波器和PWM等等。此外，这些模块还可以重新配制来实现不同的功能，并且在任何时间都可以进行修改设计。PSoC支持动态配制的特性，相同的资源在不同的时间可以被配置成不同的用户模块，这样可以大大节省资源。数字模块和模拟模块可以和外部引脚互联，也是可编程的。因此通过PSoC，工程师可以基本完成一个系统的设计。

　　PSoC的模拟功能非常强大，可以实现各种不同的模拟器件，如ADC、DAC、滤波等等， CapSense也是用模拟功能实现的。传感器各种的应用、控制应用等等都是由这些模拟模块的功能来实现的。

　　PSoC不同于固定功能的MCU，它集成度高、使用灵活、实时可编程，这些优点帮助设计者减少成本，使产品快速进入市场，并且增加市场份额。其中，集成度高是因为PSoC是一个系统级的解决方案，内含可编程的数字和模拟模块、8位控制器，以及Flash和SRAM等；使用灵活是指可以使用集可视化嵌入式设计工具为一体PSoC Designer进行设计，设计灵活、节省时间，并且即使在最后一刻也可以修改设计；实时可编程性是指PSoC提供了一系列模拟和数字用户模块 (例如放大器、滤波器、比较器、定时器、计数器等等)，用户可以根据需要进行配置，或者动态配置。总之，PSoC作为灵活的片上系统，有助于增加产品的价值。

超声波传感器和倒车雷达系统

　　超声波传感器有多种应用，常见的用途包括：流量计、工具零件的清洗、倒车雷达等。超声传感器将处于超声频率的电信号经过超声波传感器中的超声波换能器转换成超声声波，超声波传感器按照一定的方向发射该超声声波，当超声声波遇到障碍物以后被反弹回来，再被超声波传感器所接受，由超声波换能传感器转换为电信号。由于音速是一个已知的常数，因此通过回弹的时间，就可以计算出距离。

　　超声波传感器从封装的类型上可以分为两种，分别是开放型和密封型。其中，开放型的传播面积更广，探测距离更远，适合在开放环境中应用。密封型传感器传播面积较小，探测距离一般，适合在液体中应用，并需紧贴固体材料。

      超声波传感器的使用类似于雷达，它主要完成两项任务：发送超声声波和接收超声声波。发送超声波相对简单，只要对超声波传感器发送的超声波进行脉冲宽度调制，同时开启计时器。而接收部分较为复杂，需要对信号进行调配，以便控制器能正确低识别反射回的超声波、确定接收时间并停止计时器技术，然后根据“距离 = 时间×音速”计算距离。通过图2，可以看到信号是如何被发送出去的。由控制芯片产生的PWM信号通过功率放大器放大，送到超声波传感器进行脉冲宽度调制，然后开启计时器。超声信号接收和处理的过程相对要复杂一些（图3）。从超声传感器输入的信号经PGA放大，在利用带通滤波器滤除噪声以后，将信号与直流偏置进行对比，通过输出调制信号，然后再将其将发送至低通滤波器，生成调制信号的包络线。该包络线再通过比较器或者AD转换器来判断它是否是真正的反弹信号，同时停止计时器，最后通过计数器的值和音速计算出距离。

图3 超声波信号接收

图4 倒车雷达的发展趋势

　　图4显示出倒车雷达发展的趋势，从图中可以看到，最初的倒车雷达，只有后方探测，现在的倒车雷达不仅实现了前后方探测，甚至连左右侧都可以进行探测。还有一些更先进的技术，已经使用在高档汽车上。

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