(3)12个PSoC模拟模块可灵活配置成6～13位A／D转换器、可编程增益放大器(PGA)、采样保持功能、可编程滤波器、差分比较器、温度传感器等； PSoC系列单片机将传统的单片机系统集成在一颗芯片里，用户模拟和数字阵列的可配置性是其最大特点。 (4)8个数字模块可灵活配置成定时／计数器、脉宽调制器(PWM)、循环冗余校验块(CRC)、串行通信块(UARTS或SPI)及复杂的时钟源等； (5)4～44个通用I／O口，可编程为上／下拉输出、集电极开路输出、强输出，可用作边沿／电平触发的中断输入或Smith触发器TTL输入； (6)专用的中断控制器，2级中断优先级，中断源：通用I／O、电源监控单元、Sleep定时器、8个PSoC数字模块和4个模拟列； (7)24／48MHz的片内主振荡器和32．768kHz片内低速振荡器；WatchDog／Sleep定时器、可编程的电源电压检测器、采样抽取器、片内电压参考源等专用外设；可选用的模块端口(E2PROM、LCD、I2C等)； (8)全静态CMOS工艺，3～5．5V DC工作电压，专用的开关式电压泵，可使工作电压降到1V，真正的高速低压性能； (9)配套的低廉开发工具：在线仿真器、评估板和集成开发环境PSoC Designer，其PSoC Designer内嵌汇编器、C编译器、器件资源配置器和调试器。
2 变频输配与大流量范围计量的机理 2．1 一器多控变频燃气输配的机理 燃气输配主要是维持气源端的压力。压力不足时，逐步加开输配机组，升高压力到设定值；反之，压力过高时，逐步减停机组，降低压力到设定值。由于大功率交流电机反复启停的巨大耗能和器件冲击，所以引入了变频调速器。为进一步降低成本，通常采用一台变频器控制多台交流电机，即所谓的“一器多控”，其机理如下：加压时，变频启动并加速一台电机，达到最大速度时，压力仍没有增上来，则把这台电机转为工频运行，转而对下一台电机 做变频启动并加速，如此逐步变频启动加速并做工频切换，直到把压力提上来；反之，减压时，则逐步做变频切换并变频减速停机，直到把压力降到要求值。 2．2 大流量范围燃气计量的机理 孔板式差压流量计在不变节流件开孔直径下扩展量程比，主要是采用增设差压量程切换单元的方法：在流量小、差压低时，使用小差压量程检测计算；反之，使用大差压量程检测计算。检测计量流程如图1所示。图1中参数T、P、△P、d、D、K、Z、η、β、ρ、ε、α0、rRe、M分别表示温度、压力、差压、孔板开口直径、计量管段直径、介质等熵指数、气体压缩系数、介质粘度、d／D、密度、流速系数、流出系数、管道雷诺数、流量。
3 PSoC单片机测控系统的构建 3．1 整体方案的设计 整体设计方案如图2所示，说明如下： (1)数据采集，采用1～5V的三通道11位A／D转换器，拟定采样率7．8ksps；压力作频繁采样，以增强变频输配控制的实时性；差压与温度只在计量计算需要时采样； (2)输出通道，采用一8位D／A转换器控制变频器，若干工／变频切换控制信号，一手动／自动变频切换控制信号，D／A输出为0～5V DC信号，切换控制信号具有驱动能力； (3)人机接口，使用日立HD44780LCD点阵模块显示状态参数、报警种类及键盘操作等，使用一个6位A／D转换器作键盘输入识别以减少对I／O口的占用； (4)存储关键性数据，采用串行E2PROM；外界通信采用异步串行接口UART,并以此实现在系统串行编程ISSP； (5)使用乘加器加速CPU速度；使用看门狗保证程序正常运行；使用实时时钟记录流量或故障统计的时刻；使用定时器产生所需工／变频切换时间和流量累计时间；使用OSC振荡器产生系统时钟等。 上述方案，选用Cypress PSoC系列单片机，图2中虚线部分均可由一片单片机实现，这里选用CY8C26443(28Pin Dual inline)；否则，采用普通单板机／单片机，则各个模块均要设法构造，还要考虑把它们设计连成一体。 3．2 键盘输入电路的设计 键盘输入，通过一I／O口，由一6位A／D转换器识别。这里选用8个按键，用以实现参数输入、时间核对、记录查询、通信等功能，电路如图3所示。图3所示各个电阻值，据A／D转换特点和常用电阻规格系列确定。 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。
