【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

上一课：
【小黑嵌入式系统第八课】初识PSoC Creator™开发——关于PSoC Creator&下载、创建项目、单片机中的hello world（点亮一个led)

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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：

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）：

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。

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。

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：

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。

（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。

（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。

（2） 软件设计

1 总体设计

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 
#include 

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
    }
}
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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%。

（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。

（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。