【小黑嵌入式系统第九课】PSoC 5LP第一个实验——LED、字符型LCD显示实验

以你之姓@ 2024-05-31 04:13 73阅读 0赞

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#### 文章目录 ####

*   *  1 实验目的
     *  2 实验要求
     *  3 实验设备
     *  4 实验原理
     *   *  1. 基于 PWM 原理的 LED 亮度控制
         *  2. 时间的计量
         *  3. 按键抖动影响的消除
     *  5 设计实现
     *   *  （1）硬件连接：
         *  （2） 软件设计
     *  6 测试与分析

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### 1 实验目的 ###

*  掌握PSoC 5LP入门项目开发的基本流程；
 *  熟悉PSoC 5LP I/O系统的主要结构；
 *  熟悉PSoC 5LP GPIO的结构，掌握其输入输出控制方法；
 *  熟悉字符型LCD模块的基本显示控制方法；
 *  实现由独立按键、LED、字符型LCD构造的基本人机接口。

### 2 实验要求 ###

（1）结合LED流水灯示例项目，学习并熟悉PSoC 5LP I/O系统的基本结构，特别是GPIO的结构，并掌握GPIO的输入输出控制实现方法；  
（2）结合Creator软件自带的HelloWorld\_Blinky示例项目，学习并熟悉HD44780型字符LCD模块的基本显示控制实现方法；  
（3）设计一个PSoC 5LP项目，**实现以下功能**：

*  a．能够正确判断按键SW2、SW3的按下和松开的状态（并通过软件延时再判的方式消除按键动作时抖动的影响）；
 *  b. LED3 ~ LED2同时闪烁（亮度可以调整。提示：基于PWM原理实现）；
 *  c. 用SW2调整LED3的亮度，每按下一次增加或减少1挡亮度。用LED4亮指示LED3当前处于最低亮度或最高亮度，其它亮度时LED4灭；
 *  d. 用SW3调整LED2的亮度，每按下一次增加或减少1挡亮度。用LED1亮指示LED2当前处于最低亮度或最高亮度，其它亮度时LED1灭；
 *  e. LCD的第一行显示LED3的亮度百分比值，第二行显示LED2的亮度百分比值。

（4）以上功能可以全软件实现，也可以考虑部分功能使用硬件方式实现，如按键消抖（参考应用笔记AN60024）、LED显示。  
更多的显示效果：  
（5）使LCD内容的显示更加友好

### 3 实验设备 ###

CY8CKIT-050实验板  
安装了PSoC Creator软件的PC机

### 4 实验原理 ###

#### 1. 基于 PWM 原理的 LED 亮度控制 ####

本实验要求使用数字 I/O 口来连接控制 LED，由于数字输出口只能输出高低两种电平，并不能输出中间电压，因此不能直接控制 LED 的亮度，故采用 PWM 方式来实现亮度控制。

如果让 LED 全亮一段时间，接着灭一段时间，这个过程周而复始重复进行，若重复频率足够高（>60Hz），由于人眼的视觉暂留现象，人眼辨别不出有闪烁，看到的现象就是 LED 以一个中间亮度一直亮着。全亮占整个周期的比例越大，LED 就越亮，这个比例称为**占空比**（假定高电平时亮），其值范围为 0~100%。显然，占空比为 0 时 LED 为灭，100%时 LED 全亮度。

我们在需要 LED 亮时，让连接到它的数字输出口输出 PWM 波形，这样 LED 看起来就以某种亮度亮着；在需要 LED 灭时，则让数字输出口输出低电平（假定低电平时灭）。在需要 LED 闪烁时，让这两个过程交替的重复进行，重复频率设置得足够低（如 1Hz），人眼就能看到 LED 在闪烁了。

**亮度受控的 LED 闪烁原理示意图：**  
![在这里插入图片描述][07c76d0724cf4dcbb2b8371a7fac8c16.png_pic_center]  
**亮度受控的 LED 闪烁波形图（左图 1 个闪烁周期，右图为其中一部分 PWM 波形的放大）：**

![在这里插入图片描述][7591f344e7f940dda3f69b90f0cd7ba8.png_pic_center]

#### 2. 时间的计量 ####

要计量所经过的一段时间的时长，总需要有一个时间粒度较细的参考时钟（如 1ms 为周期的时钟）。

（1）如果用**硬件定时器**（Creator 提供了定时器组件）来实现计时，把这个参考时钟提供给硬件定时器，定时器里的计数值会随参考时钟同步递增（或递减），那么 t1、t2 时刻的计数值差值，乘以参考时钟周期，就是 t1 到 t2 时刻所经历的时长。时间计量的需求非常普遍，所有的处理器芯片内部都会包含至少一个硬件定时器。

（2）如果单纯用**软件**的方法来实现计时，则必然会想到用软件延时函数，Creator 提供了`CyDelay()`、`CyDelayUs()`函数，这些延时函数是通过让 CPU 执行无意义的指令单纯消耗时间的方式实现的。如果 CPU 仅执行这些延时函数，期间也没有被中断打断，那么延时是准确的。

对于本实验的要求，一方面的 LED 亮（亮度受控），PWM 波形什么时候输出高，什么时候输出低，需要计时；另一方面的 LED 闪烁效果，什么时候 LED 亮，什么时候灭，也需要计时。软件如何利用延时函数实现各种计时需求？程序不能总是在做各种不同的延时，因为延时期间是不能处理其它事情的，而是应该仿照硬件定时器构造一个周期性的参考时钟。一种合理的实现方式如图 3所示，在 main()函数主循环中，串行地加入软件延时、任务 1、任务 2、……任务 m 的代码，如果所有任务的执行耗时都比延时代码的耗时少很多，则主循环一次的耗时（一个主循环周期）约等于延时代码的耗时。这样，主循环就可以作为计时的参考时钟，若程序运行经历了 n 轮主循环，则经历的时长即为：n \* 主循环周期。

当然，需要提醒也容易看出的是，这个方案的计时准确性不能做到很高。即使想把各任务的执行时间考虑进来提高计时精度也是难以做到的，因为实现某任务时，经常难以做到任务执行时间等时，而是会随任务流程的不同分支而波动。如果有中断，计时会被中断处理延长并且发生波动。总之，这个方案适用于不那么精确的计时需求。

![在这里插入图片描述][d28613fa710c436e8254a82317327e86.png_pic_center]  
因此，对于 LED 亮（亮度受控）方面的计时，需要设置一个变量来数经过的主循环次数，可将其命名为`tmr_pwm3`（与硬件定时器里的计数值等效）；对于 LED 闪烁效果方面的计时，也需要设置一个变量来数经过的主循环次数，可将其命名为 `tmr_led3blink`。

此外，如图 1，PWM 波形高→低的转换时刻决定了占空比，程序中需要调整，因此需要设置一个变量，可将其命名为 `tmout_pwm3comp`。PWM 波形周期、LED 闪烁周期，一般固定不变即可，图 1 中因此分别用宏 `TMOUT_PWMPRD`、`TMOUT_LED3BLINKPRD` 定义，单位为主循环周期。

#### 3. 按键抖动影响的消除 ####

机械按键在发生按下或松开动作的短时间内，由于接触片的接触不良，会出现反复通-断的现象，称为**按键抖动**。按键抖动期间的时长一般\*\*<20ms\*\*，然后按键才处于稳定的通或断状态。如图 4 所示的按键状态波形图。

为了消除按键抖动的影响，一种简单而有效的方法是对按键状态定时采样（采样周期需大于抖动时长，一般可取 20ms），这种方法既可以用软件实现也可以用硬件实现。如图 4 所示，波形每格为 10ms，箭头处代表采样时刻及采样值，很明显，图中的各种采样值序列都只出现了一次 1→0，对应到有一次按键按下（假设按键松开时为高电平）动作，从而消除了按键抖动的影响。

![在这里插入图片描述][41a748647d8549e8b0ee9cb938bf3f67.png_pic_center]  
从以上可以得出，只要记录按键的当前采样值（`sw2_cur`）和上一采样值（`sw2_prev`），便可以判定当前的按键状态，包括持续松开（`sw2_prev=1` 且 `sw2_cur=1`）、有按下动作发生（`sw2_prev=1`且 `sw2_cur=0`）、持续按下（`sw2_prev=0` 且 `sw2_cur=0`）、有松开动作发生（`sw2_prev=0` 且 `sw2_cur=1`）。

什么时候需要进行按键采样读取按键状态，需要计时。如果单纯用软件的方法来实现这个计时，如“一. 2.（2）”节所述，也需要设置一个变量来数经过的主循环次数，可将其命名为 **tmr\_debouncer**，采样周期固定不变则可以用宏 **TMOUT\_DEBOUNCER** 定义之（单位为主循环周期）。

### 5 设计实现 ###

#### （1）硬件连接： ####

**TopDesign：**

![在这里插入图片描述][0ab221843c60495691f4b270a71f9dfe.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][a59176dfd44a4e3ca273f0ccf96aaeb7.png_pic_center]

PWM1 和 PWM2 分别控制LED2和LED3的亮度和闪烁，当按键按下，按键通过引脚 SW2 或 SW3 输出中 断，中断程序调整 PWM 输出的占空比输出到 LED3 和 LED2 的引脚，实现 LED3 和 LED2 亮度改变，同时 LCD 显示 LED 亮度相关的字符。

**（1）输出端口**

配置4个相同的输出端口，分别对应四个LED灯，两个提供外部物理连接，对应连接PWM输出（LED\_2、LED\_3）调节亮度，两个端口悬空，对应两个指示灯（LED\_1、LED\_4），设置初始状态为低电平，为了后面给LED从外部灌电流增大。

![在这里插入图片描述][f5c15f6c4b914776850f47551430d9c9.png_pic_center]

**（2）输入端口**

配置两个输入端口对应两个按钮（SW\_2、SW\_3），连接两个中断，中断源为按钮是否按下，此处要进行软件消抖，可以增加按钮动作的识别准确度，当检测到按钮按下时，产生中断，反馈到PWM中进行动作。

![在这里插入图片描述][725ebb27ecc74e2ca8393085b9992f1b.png_pic_center]

**（3）PWM模块**

配置两个PWM模块（PWM1、PWM2），pwm1 和 pwm2 分别控制 LED2 和 LED3 的亮度以及闪烁，因为我后面要实现LED亮度逐级从低到高，所以初始占空比设置为0，程序中以25%四级增加，增加时钟为PWM进行计数和计时。

![在这里插入图片描述][3dd6f5d3d557458db56986792fd74416.png_pic_center]

#### （2） 软件设计 ####

**1 总体设计**

![在这里插入图片描述][57e08b067fdd4550a3c75217529b5a56.png_pic_center]

1.  CyGlobalIntEnable;  
    启用全局中断，允许中断事件触发处理函数。  
    2.uint8\_t led3\_brightness = 0;  
    uint8\_t led2\_brightness = 0;  
    初始化LED3和LED2的亮度为0，即初始状态下LED灯是关闭的。
2.  LCD\_Char\_Start();  
    LCD\_Char\_Position(0, 0);  
    LCD\_Char\_PrintString(“LED3 Bright:”);  
    LCD\_Char\_Position(1,0);  
    LCD\_Char\_PrintString(“LED2 Bright:”);  
    启动LCD显示，并在第一行显示"LED3 Bright:“，在第二行显示"LED2 Bright:”。
3.  PWM\_1\_Start();  
    PWM\_2\_Start();  
    启动PWM模块，用于控制LED的亮度。
4.  if(!SW\_2\_Read()) // 如果按下SW2  
    检测SW2按钮是否被按下。
5.  led3\_brightness+=25;  
    PWM\_1\_WriteCompare(led3\_brightness);  
    增加LED3的亮度，并将新的亮度值设置为PWM的占空比，从而控制LED3的 亮度。  
    7.while(!SW\_2\_Read());  
    等待按键释放，避免按键抖动。
6.  if(led3\_brightness == 100)  
    \{  
    LED\_4\_Write(1);  
    \}  
    在LED3的亮度达到100%时，点亮另一个LED（LED4）。
7.  同样的操作和逻辑也适用于LED2和SW3。
8.  LCD\_Char\_Position(0, 12);  
    LCD\_Char\_PrintNumber(led3\_brightness);  
    LCD\_Char\_PrintString(“%”);  
    用于更新LCD显示，显示LED3的亮度百分比。
9.  CyDelay(100); // 延时消除按键抖动  
    引入延时，以消除按键抖动。

**2 详细设计**

#include <project.h>
    #include <stdio.h>
    
    int main()
    {
        
        CyGlobalIntEnable; /* Enable global interrupts. */
    
        uint8_t led3_brightness = 0; // 初始化LED3亮度为50%
        uint8_t led2_brightness = 0; // 初始化LED2亮度为50%
        
        LCD_Char_Start(); // 启动LCD
        LCD_Char_Position(0, 0);
        LCD_Char_PrintString("LED3 Bright:");
        LCD_Char_Position(1,0);
        LCD_Char_PrintString("LED2 Bright:");
    
        PWM_1_Start();
        PWM_2_Start();
        for(;;)
        {
        
            if(!SW_2_Read()) // 如果按下SW2
            {
        
                if(led3_brightness < 100) // 增加LED3亮度
                {
        
                    led3_brightness+=25;
                    PWM_1_WriteCompare(led3_brightness); // 设置PWM占空比
                }
                while(!SW_2_Read()); // 等待按键释放
                if(led3_brightness == 100)
                {
        
                    LED_4_Write(1);
                }
            }
            
            if(!SW_3_Read()) // 如果按下SW3
            {
        
                if(led2_brightness < 100) // 增加LED2亮度
                {
        
                    led2_brightness+=25;
                    PWM_2_WriteCompare(led2_brightness); // 设置PWM占空比
                }
                while(!SW_3_Read()); // 等待按键释放
                if(led2_brightness == 100)
                {
        
                    LED_1_Write(1);
                }
                
            }
            
            // 更新LCD显示
            LCD_Char_Position(0, 12);
            LCD_Char_PrintNumber(led3_brightness);
            LCD_Char_PrintString("%");
            
            LCD_Char_Position(1, 12);
            LCD_Char_PrintNumber(led2_brightness);
            LCD_Char_PrintString("%");
            
            CyDelay(100); // 延时消除按键抖动
        }
    }

### 6 测试与分析 ###

（1）**初始状态**：四个LED灯都处于关闭状态，LCD上显示LED2和LED3的亮度都为0%。

![在这里插入图片描述][d2a3f5c9443e4f878c16173c13ed2f2e.png_pic_center]  
（2）**亮度增加阶段**：SW2和SW3分别控制LED3和LED2的亮度，每按一次亮度增加25%，下面两张照片可以看出亮度的不一样。

![在这里插入图片描述][d4a52a2e745942c687c8ed923666d399.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][e13d833eda43439a99bd31603ce26e56.png_pic_center]  
（3）**亮度最大阶段**：当LED2的亮度达到最大时，LED1提示灯会亮起，当LED3的亮度达到最大时，LED4提示灯会亮起。

![在这里插入图片描述][8eec4b9f22344e4988dca417e476d430.png_pic_center]

[PSoC Creator_PSoC Creator_hello world_led]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/134303752
[C_OS-III]: https://blog.csdn.net/Goforyouqp/article/details/134678864
[07c76d0724cf4dcbb2b8371a7fac8c16.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/31/fb026921494446cb8fb03cf0c80e6b58.png
[7591f344e7f940dda3f69b90f0cd7ba8.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/31/86b2419bf9aa4dceaee6c9ef5f3989bc.png
[d28613fa710c436e8254a82317327e86.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/05/31/73d8b434e1b643ca841c3589fc6a389b.png
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