PSOC芯片控制电动自行车论文

1、 目录第一章 引言311 课题设计背景312 永磁无刷直流电机的发展413 关于PSOC的介绍6第二章 智能控制器的体系结构821 控制器功能介绍822系统总体方案设计8第三章 智能控制器硬件方案设计1231 PSOC的内部资源与结构123.1.1 PSOC的内部资源123.1.2 PSOC 的内部结构1432 Cy8c24423的内部资源173.2.1 ADC模块工作原理193.2.2 动态配置能力及实现方法2133 智能控制器硬件方案设计213.3.1 驱动电路223.3.2 过流保护电路223.3.3 欠压保护电路233.3.4 调速刹车电路243.3.5 电源电路25第四章 系统软件设

2、计2641 程序总体流程图2842 具体软件设计方案304.2.1 电机调速方案304.2.2 电机及控制器保护方案304.2.3 欠压保护方案314.2.4 刹车控制方案3243 PSOC开发环境介绍334.3.1 PSOC开发环境334.3.2与传统单片机系统设计方案的比较33第五章 设计中遇到的问题及解决方法355.1 设计中遇到的问题355.2 绘制原理图中遇到的问题36第六章 结论37致谢39参考文献40第一章 引言11 课题设计背景本课题是用PSOC芯片控制电动自行车，PSOC芯片控制无刷直流电动机用于电动自行车，既可以完成一系列个性化定制，又可以减小产品的体积和成本、降低系统设计

3、周期。PSOC由基本的CPU内核和预设外围部件组成，就是在一个专有MCU内核周围集成PSOC块，利用芯片内部可编程互列阵列，可以有效地配置芯片上的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。无刷直流电动机智能控制器基于PSOC片上系统。改进以前传统微处理器，具有更多的功能，保密性更强。随着现代社会可持续发展战略的深入人心，环境和能源问题越来越引起人们的重视。由于燃油车辆产生大量的废气和噪声污染，因而被零污染、高效率和宁静的新型电动车代替已成为一个不可逆转的趋势。与燃油机相比，电动车具有节能、可均衡电网高峰与低谷期的负荷以及可消除空气污染和降低城市噪音，且能源广泛（可来自火力、煤炭、石油、天然

4、气 、水力、风力、地热、潮汐、原子能发电）等众多优点，电动车的研究已成为世界各国的研究热点之一。电动自行车自从20世纪80年代发明以来经历了一个漫长的发展过程，在20世纪90年代北京的道路上曾经出现过电动自行车，但由于很多技术并没有过关以及交通管理上的一些问题，逐渐在马路上消失了。当时主要的问题是电源没过关，那时的电动自行车使用的电源是汽车用的铅酸蓄电池，维护非常麻烦，除了要及时充电外，还要经常换蒸馏水，而且电池体积重量都很大。到了最近，电源问题得到较好的解决，于是电动自行车就得到了迅速的发展。电动自行车有很多的优点，它不像汽车、摩托车那样有废气及噪音污染，速度低、易于驾驶，一般只要会骑自行车

5、，用不了一个小时就能掌握电动自行车的操作，因此特别适合妇女及老人的使用。早在19世纪末，电动汽车就已出现，并有望成为蒸汽机的代替品。但随着内燃机技术的进步，燃油车逐渐取得了优势地位。相比之下，速度较慢、价格较高，因而逐渐退出市场，其后电动车的研究一度处于低潮。直至20世纪70年代初，石油危机的爆发以及考虑到电动42%的空气污染由交通车辆所造成，零排放的电动车又逐渐引起人们的关注。各国政府对环境的重视和相应法规的出台也使得电动车的开发更具有迫切性和商业前景。从上世纪60年代至今，电动车的开发主要经历三个发展阶段：1、20世纪90年代以前，蓄电池电动车以蓄电池作为系统的动力源。2、90年代起，复合

6、型电动车蓄电池系统和燃油系统相互配合使用的电动车，这种车由电动机和汽油发动机联合驱动。与燃油车和纯电动车相比复合车既显著降低了排放，提高了燃油效率，又能在保持高速和远程行使方面取得较大突破。由于并非真正的零排放车辆，所以复合车通常被视为电动汽车发展过程中的过渡性产品。3、燃料电池电动车，燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的“电池”，它不是蓄电池，而是“发电厂”，这种电池的使用，能提高起能量密度，但不具备回收电能的功能。国内的电动车发展也很迅速，20世纪90年代初，国家计委、国家科委就曾为此专门立项，中国电工技术学会电动车辆研究会早在1987年就已成立，电动汽车项目科技部已列入“九五”国

7、家重大科技产业项目，各个研究课题已全面起动，并己取得阶段性成果。电动自行车，无论是从技术，还是从市场来讲，都有比较广阔的发展前景。首先：电动自行车在技术上比较成熟，价格也较低，更为大多数厂家和用户接受。其次：与电动汽车相比，电动自行车是一种更加灵活、方便的中短途交通工具，尤其适合于没有驾驶执照的老人和未成年人。再次：电动自行车对路况要求较低。亚洲城市街道拥挤，人们上下班路程较短，这种“停停走走”的交通状况尤其适合于电动自行车。此外：电动自行车还兼有运动和健身的功能，很适合于休息娱乐用，因此即使将来电动汽车风行起来，电动自行车市场也不至于衰退。电动自行车已经达到200-300万辆，全世界已达60

8、0万辆。前景非常乐观。12 永磁无刷直流电机的发展19世纪中叶，人类发明了电动机，一百多年来，电动机作为重要的动力机械，为人类社会的发展和进步起到了巨大的推动作用。在进入21世纪的今天，电机控制技术有了飞跃发展。电动机是电动自行车动力系统的核心。早期的电动自行车采用较多的是有刷直流电动机。这种电机控制简单，在较低速时运行可靠、调速性能和过载能力较好，但在高速运行时，换向火花和电刷磨损会带来一些问题。近年来，随着微机控制技术的发展以及新型电力电子器件和高性能永磁材料的不断出现，永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的应用也日益广泛。特别是永磁无刷直流电机，因其高功率、宽调速范围、高运行可靠性、高效率、免

9、维护等众多优点，而倍受青睐，成为众多电动自行车厂家的首选。一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的点：a 、结构复杂,可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。b、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率

10、放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成，由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常由电机转子代替），固定部分与定子连。如图一所示，在电动机装配过程中,首先调整好位置传感器的三个信号元件（a 、b、c）与电机定子三相绕组（AX ，BY，CZ）之间的相对位置，使

11、得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1.1 中，当电动机转子N 极位于A(a) 处，则传感器a 元件感应出信号，使功率晶体管V1 导通，A 相绕组中便有电流通过,设其方向为A(流入) 、X(流出) ，便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当N 极旋转至B(b) 处，b 元件输出信号使晶体管V2 导通而其余断；B 相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C(c) 处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为图1.1 无刷直流电动

12、机原理示意图空间互差120°电角度,因此三相绕组轮流通电时间也因每相120°。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。13 关于PSOC的介绍由美国塞扑拉丝半导体公司倡导并推出的完全基于通用IP模块，由可编程选择来构成产品SOC的设想，把单片机的发展从MCU推到了SOC的新阶段。塞扑拉丝的PSOC系列产品是在一个专有MCU内核周围集成了PSOC块（可配置的模块和数字外围器件阵列），利用芯片内部可编程互列阵列，可有效地配置芯片的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。塞扑拉丝

13、公司生产的片内系统可编程微处理器CY8C25XXX/26XXX系列单片机作为嵌入式，集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有的模拟和数字外设及其他功能部件。这些外设或者功能模块包括：ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、电压基准、内部温度传感器、UART、SPI、定时器、计数器、内部震荡器、看门狗定时器及电源监视器等。这些外设部件的高度集成为设计出小体积、低供耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，同时也可使系统的整体成本大大降低。嵌入式系统是当前关注的热点，微控器通常是嵌入式系统的主要部件，微控器又经历了单片机、DSP、SOC 的发展过程，有专家认为，PSOC

14、是微控制器的最高级阶段。PSOC 是赛普拉斯微系统公司开发的可编程片上系统。最近几年，随着电子技术及半导体工艺的迅猛发展，片上系统，特别是可配置片上系统，将逐渐成为微控制器的发展方向。人们在各种各样的微控制器和嵌入式控制系统设计过程中发现，并非不同的设计就必须用完全不同的外围器件；相反，这其中有大量共同的部分，因此，启发了芯片设计工程师建立这种可配置微控制器。通过在芯片内建立一些通用的数字和模拟块（Digital and analog block），把它们配置成微控制器的各种功能模块。并把这些功能模块存储在器件库中。用户通过使用其提供的集成开发平台（IDE），调用这些功能模块（Module），

15、设定模块时钟输入，配置全局变量和局部变量，设定用户功能参数，就能完成功能模块的配置。另外，这些功能模块还可以相互连接，以完成更加复杂的功能。因此，通过合理的配置数字和模拟就可以在片内实现大部分外围器件的工作。并且，由于设定的参数是存储在片内Flash 中，因此，无论是在设计之初，还是在产品应用现场，工程师均可通过软件重新配置数字和模拟Block 参数，从而增加了删除功能模块，定义输入了输出引脚，完成硬件升级。这就是可编程嵌入式片上系统的动态重新配置能力。第二章 智能控制器的体系结构21 控制器功能介绍 电动自行车的控制器用于控制电动自行车的运行，具体实现功能如下：（1）运行控制：使电动自行车的

16、速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度；（2）具有电流过载保护功能，在各种运行状态电流都不超过保护值；（3）刹车时自动断开供电电源；（4）欠压保护：当电源供电不足电池电压下降到电池最低电压时切断电源，以保护电池。酸铅电池不怕充足就怕没电。（5）其它功能：为提高使用性能，电动自行车常附带有一些其它功能。非零启动功能是为了防止起动电流过大，具有该功能的自行车只有当电动自行车的车速大于某一速度（例如5公里/小时）后控制才起作用，以保护蓄电池，使蓄电池不在大电流放电状态下工作；软起动的目的同前，使电动自行车工作电流保持恒定，使蓄电池不在大电流放电状态下工作；保持功能是使电动自行车的运行速度

17、在手把给定的最大速度运行，以减轻长途骑行时的疲劳，即你骑行时将车速增加到某个速度运行时，可放开手把，自行车则维持在该速度上运行，若要增加速度则可通过增加手把转角，但要降低车速则必须使用刹车解除来保持状态。 22系统总体方案设计本文围绕PSoC单片机来实现整个电动自行车控制器的设计，Cy8c24423单片机产生PWM信号并负责对整个系统控制、信号检测和系统保护；功率转换采用MOSFET(场效应晶体管)，电动机位置信号与转速采用霍尔元件检测。采用PSoC片上系统增加了系统的可靠性、安全性与快速性,并具有很好的灵活性，达到了很好的控制效果。在本系统中，速度反馈信号来自转子位置信号的间接测量，即在PS

18、oC中通过定时器将霍尔脉冲的频率测出，间接得到电动机转速。电动自行车手柄给定速度与反馈速度相比较获得的误差信号，经过一个PI调节器调整后得到电流环参考信号的输入，再与测得的实际相电流信号比较，得出的误差信号再经过PI调节器调整为PWM信号的占空比，控制电动机转速。在电动机启动阶段，速度变化率高，电流参考信号输入大，此时电流误差信号大，得到的输出占空比高，加在电动机上的电压平均值增大，保证在启动阶段维持一个较高的启动转矩，同时对电流参考信号幅值加以限制从而避免启动电流过大而损坏电动机。功率变换电路采用三相桥式结构，三相绕组需6个开关器件，功率驱动电路采用分立元件（三极管、电阻、电容）构成，相对于

19、集成芯片，成本低廉。该控制系统原理框图如图2.1所示。 图2.1 电动自行车智能控制器系统框图控制器针对电动自行车和铅酸蓄电池的使用要求，提供欠压保护、电流保护和堵转保护等多种措施。在电动车运行过程中，控制器检测蓄电池电压，当电压下降到额定电压的80%（欠压值）时，使电动机断电不工作，可避免短时重载欠压停车及临界欠压状态下不正常的运行振荡。电流保护分两种情况，一种过载（12A<I<17A），程序中不断查询，如果过载状态超过整定时间仍存在，则停机。另一种是过流（I>17A），电流短时间内超过电流上限，电流反馈回路的比较器将触发PSoC的外部中断，在中断服务程序中，关闭PWM输出

20、。为避免外部干扰引起中断的误触发，将中断设置为电平触发方式，并在中断程序中检测电平状态。经反复实验证明，电流中断保护有效。如果在一段时间内检测电动机霍尔信号不变，则判断为发生了堵转，此时减小PWM的占空比，并继续检测，如果电动机堵转状态仍持续，则关闭PWM信号。电流保护和堵转保护都是暂时关闭PWM输出，当松开调速手柄，再次转动仍可以启动电动机。此外，控制器还具备巡航功能，当检测到手柄固定在某一位置超过一段时间，松开手柄，电动车会保持原来的速度运行。电动自行车控制器需要三路AD分别测量手柄电压、电动机相线电流和电池电压，而且这三路信号的输入范围相差很大，为此，在PSoC中将输入信号经过一个多路转

21、换开关和一个放大器连接AD，动态配置多路转换开关的输入管脚，可以在不同时间段内三路信号复用一个AD，而动态配置放大器的放大倍数，可以分别调整三路信号的输入范围。对于控制器的输出而言，需要三路PWM信号，Cy8c24423有四个数字模块，控制器设计中一个用于AD，一个用于定时器，所以不可能再有三个PWM模块供选择。为此，采取动态配置，一个PWM模块分时复用，不同时间配置到不同的输出管脚。本控制器模拟模块和数字模块动态配置的界面如图2.2所示。PSoC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量，节省了成本。此外，PSoC的可编程性缩短了开发时间，能让产品更快上市。PSoC设计系统的保密

22、性体现在两个方面：一是PSoC芯片集成了系统的大部分硬件，相当于“硬件加密”；二是程序编译链接形成目标代码时，可以选择部分或全部不可读，相当于“软件加密”，从而有效地保护了知识产权。 图2.2 PSOC动态配置界面第三章 智能控制器硬件方案设计 31 PSOC的内部资源与结构3.1.1 PSOC的内部资源CYPRESS MICROSYSTEMS INC生产的PSOC是新一代功能强大的8位可配置微控制器。PSOC器件集成有模拟和数字逻辑电路可编程模块、一个快速8位MCU 16KB闪存、256字节SRAM以及乘法器/累加器、8根独立的输入和输出总线，其内部可用的BLOCK资源包含：4个基本类型和4

23、个通信类型的数字BLOCK，使用基本类型数字BLOCK可配置：计数器(counter)；定时器(timer)；脉宽调制(PWM)；循环冗余码校验(CRC)。使用通信类型数字BLOCK 可配置：串行发(serialtransmitter)；串行接收(serial receiver)；SPI主端(SPI Master)；SPI 从端(SPI Slave)。使用模拟BLOCK可配置：多极滤波器（multi-pole filters）；放大器（gain stages）；数模转换（DACs）；模数转换（ADCs）。使用这些资源可以配置成不同的功能模块，用以实现微控制器标准外围器件的功能。所有PSOC 器

24、件都是可动态重配置的，使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。设计人员可在不同的时钟周期中使用同一芯片的不同功能，从而提高了芯片利用率。PSOC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量，节省了成本。此外，PSOC 的可编程性缩短了开发时间，能让产品更快上市。其可在消费类、工业、办公自动化、电信和汽车领域应用中实现大量嵌入式控制功能。PSOC 的内部资源极为丰富，分别从以下几个方面进行介绍：1.CPU的结构M8C 是一个高性能的8 位的哈佛结构微处理器。5个主要的寄存器控制CPU的操作。5个寄存器分别是标志寄存器（CPU-F）、程序计数器（CPU-PC）、累加器（CPU-A）、堆

25、栈指针寄存器（CPU-SP）、变址寄存器（CPU-X）。2存储器和寄存器CY8C系列有4KB-16KB的程序存储器，并且可以擦除和改写的闪存。有256B的数据存储器。它的寄存器分为两块，即BANKO和BANK1，它们都是256字节，都是特殊功能寄存器。通过设置CPU-F中的XIO来选择BANK0还是BANK1。注意BANK0和BANK1的保留的地址是不能使用的。这些寄存器是供用户对片内资源进行参数设置所用的。3I/O口及I/O口寄存器CY8C24423型号有每个I/O口的各位都是独立可编程，有如下功能：（1）能被CPU读写；（2）控制其管脚的数据流方向；（3）可与系统输入输出线相连；（4）可选

26、择在上升沿、下降沿、状态发生改变时编程；（5）输出可编程实现高电平、低电平、高阻抗等。另外，P0和P2口有模拟输入输出功能。I/O的驱动模式有大电流、高阻态、高电平、低电平。通过设置DM0、DM1控制驱动模式的选择，或者在硬件设计器中直接设置驱动模式。在使用端口要注意的是驱动模式的设置。这里要根据端口驱动对象的不同设置不同的驱动模式每个I/O端口都有几个寄存器，端口数据寄存器、中断使能寄存器、总线选择寄存器、驱动模式寄存器、中断控制寄存器。通过设定这些寄存器的值从而实现所要的功能。4时钟CY8C系列内部提供许多时钟，就CY8C24423有两个系统时钟、一个CPU时钟、一个32K的来自内部晶体振

27、荡器或外部晶体振荡器的多路输出时钟。通过在硬件设计器的全局资源里可以设置不同的时钟或通过对振荡器控制寄存器进行设置，从而选择所需要的时钟。5中断中断源有：I/O线，电压监控器，待机时钟，8个数字PSOC BLOCK和四个模拟列共15个。每个中断都有独立使能位，他们在INT-MSK0（the General Interrupt Mask Register）和INT-MSK1（the Digital PSOC Block Interrupt Mask Register）,有一个通用中断使能位在CPU-F，能使所有中断失效。当系统RESET后，INT-MSK0，INT-MASK1和CPU-F的中断使

28、能位全部被清0。中断向量寄存器（INT-VC）保存等待中断的具有最高优先级的中断，当被写时以前的所有等待中断的向量都被清除。INT-MSK0（地址：Bank0，e0h）INT-VC的8位值保存着等待中的最高优先级的中断，如果INT-VC被写，所有以前的等待中断被清。GlobalPortI/OInterrupt为产生GPIO中断，应采取如下步骤：（1）管脚驱动模式必须被选择以便该管脚有输入量；（2）设置PRTXIE（the PortInterruptEnableRegital）的合适位使得管脚能产生中断；（3）中断边沿触发类型必须在PRTXIC0和PRTXIC1中被设置，而不能是缺省值00；（4

29、）GPIO 位在INT-MSK0必须被置位；（5）中断使能位在（CPU-F）要被置位；（6）因为GPIO 中断都共享同一个中断向量，所以在一个GPIO中断产生前其他的中断源要清除。6 硬件乘法PSOC的乘法实现与普通单片机的区别是它是硬件乘法而不是通过乘法指令实现的。这是一个8位无符号乘法器，它不但具有乘法功能，而且具有乘累加功能。用它可以完成有符号及无符号乘法。用它可以实现32位乘法。3.1.2 PSOC 的内部结构PSOC 内有一个内核（M8C CPU CORE），所有的外围器件包括模拟模块和数字模块、静态存储器、乘法器、累加器、中断控制器、分频器、看门狗、 休眠记时器、复位电源是通过系统

30、内部总线和PSOC内核连在一起的。闪存、震荡器、锁相环和PSOC内核直接连在一起。模拟模块通过比较器连接到数字模块。数字模块的时钟信号可以提供给模拟模块。外部信号通过管脚进入，然后通过多路开关进入到模拟模块，模拟模块可以驱动管脚输出。数字模块通过输入输出总线和外部管脚连接。模拟模块之间的连接通过指定模块中的参数值直接显示出来。模拟模块和数字模块是通过模拟时钟开关连接的。模拟时钟开关连接单个数字模块的输出到每个功能单元的模拟时钟。比较单元总线连接模拟单元总线的输出到数字模块的输入。如图3.1所示, PSoC 内部结构可分为2 大块。图3.1的左半部分是一个典型的微控制器系统，FLA SH 和SR

31、AM 以及8 位CPU 构成基本的微处理器系统。芯片内设时钟振荡器无需外部提供时钟，此外器件还内建有温度传感器和基准参考电平电路。图3.1的右边，虚线框内的部分就是PSoC 的结构单元，他由许多模拟PSoC 模块和数字PSoC 模块以及可编程互联阵列（PIA）构成。这些模拟和数字PSoC 块通过PIA 的互联可以组合成各种外围设备,我们把这些组合而成的外设称之为用户模块。模拟用户模块包括: ADC，DAC，滤波器、放大器等。数字用户模块包括：UART，PWM，SP I接口等。混合模块包括：DTMF 发生器、Modem 等。这些用户模块可以通过PIA 连接到通用I/O 口的管脚(GPIO) 上。

32、除此之外，芯片内还集成有乘法和累加器单元以支持DSP算法功能，以及数字滤波器专用的采样电路模块。图3.1 PSOC内部结构图PSoC内部有8个可定义的数字PSoC 块。每一个数字PSoC 块有3个可定义的数据寄存器，所有的数据寄存器通过8b内部数据总线和CPU内核相连，CPU通过由I/O 地址空间寻址的控制寄存器定义PSoC块。图3.2是一个由数字PSoC 块构成的中断定时器。寄存器“DR0”定义为减法计数器，寄存器“DR1”用于存放计数器的预设值。当计数器减到零或计数器的值与存放于寄存器“DR2”中捕获值相等时，计数器产生一个到CPU 的中断。计数器的时钟可以通过编程连到器件内的任何一个时钟

33、源上。将2个PSoC 块并连在一起可以构成一个16b计数器，同样更多的PSoC 并连可以构成24b及32b的计数器。 图3.2 数字PSOC块构成的中断定时器PSoC 内部有12个可定义的模拟PSoC 块, 分为两组。一组有4 个CT (Cont inuous Time)、另一组有8 个SC(Switched Capacitor)。图3.3给出了CT 模拟PSoC 块的基本结构。他的块的核心是一个运算放大器，这个运放根据需要也可以定义为一个比较器。运放的输入端可以连接到GP IO 的输入管脚上，也可以接到器件内其他模拟PSoC块上。模拟地( 正常设为VCC2) 也可以接到V REF +(112

34、5 V ) 或VREF- (- 1125 V ) 上。一个可编程的电阻阵列提供2 个串联的电阻, 每个电阻的值可设定为1 16。电阻和运放构成了一个增益可调的正相或反相放大器。图3.3是一个CT 模拟PSoC 块构成的反相放大器。他的输入端来自其他的模拟PSoC 块(CT 或SC 块)。在本例中，放大器的增益取决于电阻R fR i 的比值，其值的大小可以从1/16 到15 倍。 图3.3CT模拟PSOC块构架图3.4是另一个CT 块的应用实例。这里有2 个CT 块组成一个完整的差分放大器，他的输入端接到器件的GP IO 管脚上。其增益值为116。SC 模拟PSoC 块可以用来实现更复杂的模拟功

35、能模块如：双二阶滤波器、模数转换器ADC。图3.4给出了SC模拟PSoC 块的基本结构。同样，他的块的核心也是一个运算放大器， 运放的周围有4个电容，将各个电容按需要并联起来作为一个电容，可以改变他的电容量， 其精度可达0.15%。图中的椭园代表相位控制开关，他的切换频率可以由用户控制每一个开关有2 个输入一个输出。开关在2 个输入和输出之间来回切换。如图3.4所示， 在相位1 时，开关通常连到模拟地，在相位2 时， 开关连到其他输入端上。例如，图中运放的反向输入端和输出端之间的相位控制开关在相位1 时将两端短路， 在相位2 时， 两端开路(开关切换到上面的输入端, 而该输入端悬置开路)。SC

36、 模拟PSoC块， 最多可以有3 个输入通道， 在大多数情况下， 输入端都是通过可编程互联阵列P IA 连接到其他的PSoC 块上。某些情况下，也可直接连到GP IO 管脚上。图3.4 由两个CT模拟PSOC模块构成的放大器32 Cy8c24423的内部资源CYPRESS公司生产的Cy8c24423是新一代功能强大的8位可配置微控制器。内部集成有模拟和数字逻辑电路可编程模块、一个快速8位MCU、4kB闪存、256字节SRAM、8根独立的输入和输出总线。其内部可用的模块资源包含：4个基本类型的数字模块和6个模拟模块，使用基本类型数字模块可配置：计数器（counter）；定时器（timer）；脉宽

37、调制（PWM）等。使用模拟模块可配置：放大器（gain stages）；模数转换（ADCs）等。使用这些资源可以配置成不同的功能模块，用以实现微控制器标准外围器件的功能。所有PSoC器件都是可动态重配置的，使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。设计人员可在不同的时间段配置同一模块给不同的管脚，从而提高了芯片利用率。本课题设计的智能控制器选用PSOC芯片数字模块中的时钟模块（TIMER）、脉宽调制（PWM）；模拟模块中的模数转换模块（ADC）以及模拟开关电容模块（AMUX）和硬件配置模块可编程增益放大器（PGA）。其中模拟开关电容模块起多路开关作用；PGA起放大电压和电流信号的作用，并且增益

38、有MCU自动调节。以下具体芯片封装及管脚描述。3.2.1 ADC模块工作原理PSoC 集成开发环境Designer 提供7 种不同类型的AD 转换器模块可供用户选择。这7 种AD 模块以及它们所使用的数字模块和模拟模块数、API 函数所占用的存储器资源、分辨率、转换速率以及输入时钟频率见表1 所列。在表1 中，ADCINC12 和ADCINC14 分别是12 位和14 位分辨率的增量型AD 转换器，ADCINCVR 是713 位可变分辨率增量型AD 转换器，DELSIG8 和DELSIG11 分别是8 位和11 位分辨率的 - 型AD 转换器，DUALADC 是双713 位可变分辨率、增量型A

39、D 转换器(该器件可用于同时转换两路AD 信号)，SAR6 是6位分辨率的逐次比较型AD 转换器。从表1 中可以看到，这些转换模块的最大转换速率与分辨率的大小成反比。需要说明的是，在分辨率相同的情况下，- 型AD 转换器的转换速率要比增量型AD 转换器更快。而一旦选定某个ADC 模块，它的转换速率的大小与输入的时钟频率成正比。输入时钟频率可以在Designer 中的DeviceEditor 环境下进行设定。DELSIG8 和DELSIG11 可以分别选择一个或两个SC 模拟模块，选择两个SC 模拟模块比选择一个具有更高的信噪比PSoC 中的ADC 模块从AD 转换的原理上可分为两种类型：增量型

40、AD 转换器和- 型AD 转换器。图3.5 是12 位增量型AD 转换器的简化原理图。图3.5 12 位增量型AD 转换器的简化原理图3.2.2 动态配置能力及实现方法闪存存储器是一类非易失性存储器NVM，它即使在供电电源关闭后仍能保持片内信息；而诸如DRAM、SRAM这类易失性存储器，当供电电源关闭是其片内信息随即丢失。闪速存储器还集合了其他非易失性存储器的特点：与EPROM相比较，闪速存储器在系统电可擦除和可重复编程具有明显的优势，它不需要特殊的高电压就可以完成擦除或编程操作；与EPROM相比较，闪速存储器具有成本低、密度大的特点。其独特的性能使其广泛地运用各个领域，包括嵌入式系统。PSO

41、C器件内就集成有一个硅氧化硅工艺制造的闪速存储器，以及快速微控制器（MCU）和SROM及模拟和数字的可编程阵列模块（即PSOC模块）。在PSOC芯片内共有2个256字节的寄存器空间。这些寄存器空间可以用于个性化和参数化设定片上资源和数据读写；通过系统提供的PSOCDESIGNER开发工具，设计人员可以合理地配置数字和模拟PSOC BLOCK参数，并且写入PSOC芯片的闪速存储器中，完成PSOC芯片设计工作。当PSOC芯片工作时，芯片根据已配置的数字和模拟PSOC BLOCK参数，完成对寄存器空间设定，配置系统硬件；根据不同的系统需求，设计人员可以改变数字和模拟PSOCBLOCK参数的配置，实现

42、多种特定配置的MCU外围元器件的功能。不但如此，PSOC还可以实现动态重新配置，即在运行时，根据系统不同时刻的需求，通过编程动态地改变存储在片内闪速存储器中设定的参数，重新定义系统所需要的功能模块的种类和数量，动态地完成芯片上资源的重新分配，实现新的外围元器件的功能。这就是可编程片上系统的动态重新配置能力。 33 智能控制器硬件方案设计电动自行车控制器的主要控制功能有：电机调速控制、刹车控制、蓄电池欠压保护、电机过载保护、电机过热保护及控制器过流保护等。以下给出以PSOC芯片为核心的电动自行车智能控制器，包括驱动电路、过流保护、欠压保护、刹车、调速各单元实现方案。 3.3.1 驱动电路驱动电路

43、中的主要元器件是三极管、二极管、电阻、电容、MOS管连接而成。PSOC发出的驱动信号不足以驱动MOS管，经过三极管放大电路放大后，驱动MOS管。上管驱动通过电容充放电达到驱动电压自举的功能。 图3.6驱动电路 3.3.2 过流保护电路过流保护电路的功能是保证电路中的电流不过超过一定的值，从而保证电路中的原器件不会因为电流过大而导致烧毁。过流保护电路是通过比较器LM358实现的，LM358中一半作放大电路，另一半作比较电路。其中电阻R202、R203起分压作用。若比较器管脚2比管脚3电压高，则OC低电平给芯片，说明相线电流超过门槛值，PSOC根据OC电平变化切断电路，达到过流保护的目的。 图3.

44、7过流保护电路 3.3.3 欠压保护电路当电源电池的电量不足时，其输出电压将降低，这样电池的损耗非常大。欠压保护就是在电池电量不足时，及时切断电源。欠压保护电路如图3.8，电源电压48伏通过电阻分压，得到的电压值由PSOC芯片读取，当电源电压低于门槛电压时，PSOC切断电路，起到欠压保护的作用。其中的电容起滤波抗干扰的作用。R28100KR210KC7104+48VOLR310k 图3.8 欠压保护电路3.3.4 调速刹车电路 （1）调速电路 电动自行车调速是无极调速，通过旋转电动车的手把来调节开车的速度。本课题设计的调速控制是通过调节可变电阻的大小来输出相应的电压值给PSOC芯片，PSOC芯

45、片根据采集到的电压大小调节输出PWM占空比的变化，从而达到调节速度的目的。（2）刹车电路 刹车控制采用实时响应方式, 当系统检测到刹车信号后, 立即使单片机输出的PWM 信号变为零脉宽, 使电子开关断开, 电机失电。同时借助于自行车本身的制动系统， 使自行车停止前进。这时单片机系统应处于等待状态，刹车信号消失后, 系统恢复当时所需的PWM脉宽。图3.9 调速刹车电路电路左下脚的刹车装置有两个端口，2号端口通过电阻的分压接电源，1号端口接地，而这两个端口是在正常的情况下是开路的，这时，2号端口的输出是高电平；当发生紧急情况，我们按下刹车手把时，两个端口短路，这时，2号端口通过1号端口接地，其输出

46、就变成低电平，这样，不断检测端口的PSoC芯片就可以得知该端口的变化情况，从而根据该端口的输入是否为零，如果是的话，就立即断开电路，使得电机停止运作来达到刹车的目的3.3.5 电源电路电动机运行需要蓄电池提供电压，控制器也需要电源提供的电压，但驱动电路和芯片所需的电压不需要48V，所以控制器电源电路是通过芯片7815将+48V电压转换成+15V的电压，电容C31、C33、C34起滤波、抗干扰的作用，限流是通过R33、R34实现的。芯片7815将48V电压进行转换，输出15V的电压，再经过芯片7805转换成5V电源。 图3.10 电源电路第四章 系统软件设计本课题选用的PSOC模块有：时钟模块（

47、TIMER）、脉宽调制（PWM）；模拟块中的模数转换模块（ADC）以及模拟开关电容模块（AMUX）和硬件配置模块可编程增益放大器（PGA）。具体模块在前面已有介绍，这里不再赘述。其中模拟开关电容模块起多路开关作用；PGA起放大电压和电流信号的作用，并且增益有MCU自动调节. 在选取了必备的用户模块之后，需要将这些数字或者模拟模块放置于对应的数字和模拟阵列当中，一一对应，同时，也应该设置用户模块的各参数以及全局资源，这对于配置PSoC可编程片上系统以达到可编程的目的是非常重要的。在进入软件界面以后，点击“用户模块放置”视图，此时，在PSoC Designer集成开发环境的软件界面中将会出现如图4

48、.1所示的窗口。选中所需要放置的用户模块，在选择放置后便将它放入到其相对应的数字或者模拟模块的阵列之中了。 图4.1 用户模块图4.2模块参数设置 图4.3 全局资源配置要对全局资源进行参数的设置。全局资源是决定部件操作的硬件环境，我们根据其智能控制器系统的要求，配置好全局资源的参数以适应系统控制的要求。其配置如图4.3所示。41 程序总体流程图主程序流程如图4.4所示，整个软件的设计大致可以分为以下几个任务：上电初始化、刹车、调速、换相及判断是否过载、欠压等。刹车子程序序过流保护子程序欠压保护子程序读取手柄电压转速环计算子程序电流环计算子程序停车子程序大于起动门槛占空比设定子程序程序初始化换

49、向子程序 图4.4电动车控制器主程序流程图 图4.5计时器中断服务流程图42 具体软件设计方案4.2.1 电机调速方案直流电机调速可采用的方法1 ：改变电机励磁电流、在电机绕组中串接电阻、改变电机的驱动电压。 电动自行车中的电机均采用永磁电机，因此改变电机励磁电流的方法无法应用在电动自行车电机调速中。电机绕组中串接电阻的方法，一方面会增加电路的功耗，另外，要实现连续的速度调节必须用电位器，而在主回路的大电流工作状态中，很难有合适的电位器可以选用。 因此本方案采用改变电机驱动电压的方法实现电机调速。电压调速的实现方法有多种, 在应用PSOC芯片输出控制信号进行调速的场合，比较便于实现而且调整性能

50、良好的是脉冲宽度调制( PWM) 技术。采用脉冲宽度调制方法实现调速的原是，PSOC芯片根据输入的速度给定信号控制输出脉冲的脉宽。当脉冲信号处于高电平时，使开关闭合，主回路接通，电机被驱动；当脉冲信号处于低电平时，使开关断开，主回路断开，电机停止转动.通过频率一定的脉冲信号的高电平宽度变化，控制电机在一个脉冲周期内的通断比例，从而实现电机的转速调节。4.2.2 电机及控制器保护方案包括电机及控制器本身的过流保护和电机的过热保护，由单片机循环检测电机电流样值和电机过热信号，检测到任何一种信号， 单片机将进入保护方式， 但具体的保护过程不同。目前，电动自行车中电机和控制器的保护多采用纯软件方式，这

51、种方式对主回路的过流保护需要一定的软件响应时间, 在主回路电流剧烈增大的极限情况下, 往往不能起到有效的保护作用，因而常常有烧毁电机或控制器的情形。本控制器对系统主回路过流保护采用了软、硬件结合的双重保护方案, 极大地提高系统的安全性和可靠性。电机及控制器过流保护采用两种保护措施并举的方式，一是硬件保护方式，它属于极限电流保护，采用实时响应方式, 当主回路电流超过保护控制电路所设定的电流极限值时，启动硬件保护控制电路, 控制电子开关切断主回路电流，以达到保护控制器和电动机的目的，同时产生报警声。二是软件控制保护方式，属于平均值电流保护，当检测到主回路电流值超过平均电流保护值时，单片机延迟一定时

52、间后，控制电子开关切断主回路电流。 平均电流保护必须注意两点：（1） 主回路电流到达平均保护电流后应报警提醒骑车者，然后延时一定时间，再切断主回路。 这是从电动自行车实际运行情况所需来考虑的，当回路的平均电流达到保护值，如果立即切断电流，容易给骑行者带来不安全因素，只有在延时一定时间并报警后才能切断电流。鉴于上述原因, 软件设计时应考虑，在软件保护过程中应发出报警信号，提醒骑车者注意。（2） 平均保护电流值的设定要根据电机的特性来设定。平均保护电流值是根据电动自行车在正常负载下，爬行一定坡度路面时的平均电流而设定的。采用软、硬结合的双重保护方案后, 系统对瞬态过流具有非常灵敏的保护能力。 在系

53、统测试过程中, 设计了一种极端的过流状态主回路人为短路, 能对这种过流作出迅速而可靠的保护。对电机的保护还必须设置电机过热保护, 单片机循环检测电机过热信号，一旦检测到过热信号,立即切断主回路电流。4.2.3 欠压保护方案对蓄电池的保护常用的有欠压保护和剩余电量保护两种方法：剩余电量保护方法需要对电流、电压两个参量进行处理, 实现比较复杂。欠压保护方法只需对电压一个参量进行处理, 实现比较简便, 并且同样能提供有效的保护。因此，这里采用欠压保护方法，蓄电池欠压保护采用实时响应方式，系统软件在每个循环中检测蓄电池电压，当检测到蓄电池电压下降到某一保护点时，切断主回路，以避免蓄电池过放电。 蓄电池

54、的保护电压值应根据蓄电池的实际特性设定，以目前电动自行车常用的36 V 铅酸蓄电池为例， 保护电压一般定为31 V 左右。 另外在实际使用中，当蓄电池的输出电压下降到稍高于保护点电压时，由于负载的瞬时变化，会使蓄电池的电压偶发性地下跳到保护点以下，而此时蓄电池的平均电压未到达电压保护点，因此，系统软件设计时，对蓄电池欠压保护采用了多点检测，在一定时间内检测到蓄电池电压多次下跳到保护点以下，才切断主回路。在上述保护方案中，峰值极限电流保护和蓄电池欠压保护采用非恢复性保护， 一旦进入保护状态，就必须等排除故障、重新启动单片机系统后， 才能恢复工作。 而平均值电流保护采用可恢复性保护，在软件保护过程

55、中，若主回路平均电流值下降到保护值以下时，应撤消保护，系统恢复正常工作状态。4.2.4 刹车控制方案刹车控制也采用实时响应方式，当系统检测到刹车信号后，立即使单片机输出的PWM 信号变为零脉宽，使电子开关断开，电机失电。同时借助于自行车本身的制动系统，使自行车停止前进。这时单片机系统应处于等待状态，刹车信号消失后，系统恢复当时所需的PWM脉宽。 但如果刹车信号消失时，车把给定的是最大速度值，则系统应采用“软启动”方案，以防止自行车急速前冲。“软启动”方案可在系统软件编制中加以实现。.实际应用过程中，由于程序任务较多，特别是电动机在高速运转时，如何满足控制的实时性很重要，所以对各任务时序要做精心安排。要使电动机运行平稳，换相要及时，考虑到换相程序非常短小，故可以在程序流程中多次插入换相子程序，只要保证两次换相之间的执行时间小于换相间隔即可，实践证明这样的安排完全能做到及时换相。过流保护和速度检测的定时程序对实时性要求很高，程序中采用中断方式。定时中断服务程序流程如图4.5所示，定时1ms产生中断，中断程序中查询换相标志，一旦开始换相，对毫秒进行计数，直至下一次换相开始，这样可以测得两次换相之间的时间，间接测得电动机转速。过流保护产生的中断程序中，一旦发现电流超过