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[PSOC™] 【英飞凌PSOC 4000T DIY】温奶器DIY原型设计实现

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 楼主| jobszheng 发表于 2025-5-26 02:39 | 显示全部楼层 |阅读模式
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4000T, 电感触摸, PSOC, 英飞凌, DIY
本帖最后由 jobszheng 于 2025-5-26 02:43 编辑

        在完成了使用英飞凌PSOC 4000T的基础功能实验后，我们进入本次DIY的实现环节——温奶器的DIY。
一、概述
        国家在鼓励生育，做为电子工程师我也利用自身的技术所长做出支持。我申请英飞凌PSoC 4000T Protokit评估板用来DIY一个婴幼儿温奶与消毒器小家电。温奶器一般有恒温水壶和消毒仓组成，通过控制面板设置恒温水温度和控制功能。我家里的温奶器的控制面板人机交互按钮使用的是电容式按键，平时使用时也挺方便的，但是电容式按键一旦滴上水，按键便不再灵敏。温奶器无论在消毒，还是倒水的时候滴上水是很正常的现象。理论上擦干即可，可我家这个不知道为什么擦干要等些时间，而在等待期间按键失灵，温奶器也不能正常工作。虽然我也是电子工程师，但我也没搞懂。这其中的关联不过我知道，如果可以带水操作，则上述问题定不会存在英飞凌PSOC 4000T就可以解决我的问题。还有另外一个问题：我家小宝宝已经3岁，他可以踮着脚伸手触碰到我温奶器的按键。我家的温奶器却没有一个童锁！有时候我们发现温奶器没有正常工作以为系统自己复位了，后来才了解到是小家伙直接给关闭掉了！
二、硬件设计
        英飞凌PSOC 4000T系列是基于ARM公司Cortex-M0+内核设计的一款多传感器用途的MCU，适配英飞凌自家的CapSense第五代专利技术，轻松实现高效、准确、稳定的电感按键采样与识别。
        英飞凌还有一项更加令人兴奋的硬件功能特性——悬停按键，这也实现了隔离触发按键的功能。悬停生效 时，这对小朋友来说仅靠模仿怕是非常困难，也能成功地把小朋友误操作设备导致烫伤的可能性排除了。我们设计了基于英飞凌PSOC 4000T-MS开发板套件的原理设计硬件框图。


2.1 硬件框图
        从上面的硬件框图，我们看到UART外设用于与温奶器的主控MCU通讯，后者需要显示LED屏与控制加热器加热，采集温度传感器获取温度等等。
考虑到本次DIY的时间略紧，以PC机串口为通讯接口。这也满足PSOC 4000T的原型开发的需求。
2.2 硬件配置
        对于硬件外设的配置，我们使用ModusToolBox中的Device Configurator工具软件实现。我们依次配置如下外设：系统时钟，外设分频时钟，串口外设，CapSense外设，GPIO等
系统时钟
        系统时钟使用HSI的48MHz。即英飞凌PSOC 4000T将工作在48MHz的主频下。
外设分频时钟
        我们使用了串口外设，需要我们使用PSOC 4000T的16位，分频时钟，为其提供时钟源输入，具体配置如下：

串口时钟
        SCB串口时钟，在设置了分频时钟后，即可在SCB UART外设界面配置UART时钟，之后将其配置参数设置为115200-8-N-1即可。
CapSense
        本次原型开发使用了4键按键的硬件扩展板。故参照官方示例配置。
GPIO配置
        GPIO主要用于显示设备状态。对于温奶器来说，设备状态使用主控MCU来完成，而PSOC 4000T的LED灯仅使用于我们调试时使用。以上就是我们的硬件配置，接下来我们看看软件设计实现。
三、软件设计
        硬件设计参照英飞凌ModusToolBox来实现，软件外设底层代码也是通过ModusToolBox来实现。其实在device configurator保存一下，代码便自动生成了，自己修改一下主函数的调用即可完成.
3.1 软件流程图

3.2 按键通讯帧
        流程图相对简单，主要是我们将PSOC 4000T的功能点减少，仅作为输入情况处理与主控MCU通讯的数据格式。我们采用类似标准键盘上报键码的形式。以固定长度为一个通讯帧，通过空闲帧和帧头标识来做帧首，帧尾判断，源代码如下：
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  1. typedef struct key_frame_s {
    

  2.         uint8_t id;
    

  3.         uint8_t func_key;
    

  4.         uint8_t reserved0;
    

  5.         uint8_t key[4];
    

  6.         uint8_t reserved1;
    

  7. } key_frame_t;

        帧首：第1个字节，固定标识号0x55，用于帧首判断。非此值，则将此帧丢弃。
        功能按键：按位表示功能按键，最多支持8个功能按键。其中按下生效时置位，抬起时清零。
        Key键码域：共4个字节，每次通讯时填充键码值，即按键被按下时依次写入K0、K1、K2、K3。当被按键抬起时，再重新发送此时按下状态的一帧键码。
3.3 程序关键代码
        按键上报代码：
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  1. static void uart_msg_poll(void) {
    

  2.         int ret = 0;
    

  3.         if (CAPSENSE_WIDGET_INACTIVE
    

  4.                         != Cy_CapSense_IsWidgetActive(CY_CAPSENSE_BUTTON0_WDGT_ID,
    

  5.                                         &cy_capsense_context)) {
    

  6.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED1_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED1_NUM,
    

  7.                 CYBSP_LED_ON);
    

  8.                 key_frame.key[0] = CY_CAPSENSE_BUTTON0_WDGT_ID;
    

  9.         } else {
    

  10.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED1_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED1_NUM,
    

  11.                 CYBSP_LED_OFF);
    

  12.                 key_frame.key[0] = 0;
    

  13.         }
    


  14. 

  15.         if (CAPSENSE_WIDGET_INACTIVE
    

  16.                         != Cy_CapSense_IsWidgetActive(CY_CAPSENSE_BUTTON1_WDGT_ID,
    

  17.                                         &cy_capsense_context)) {
    

  18.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED2_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED2_NUM,
    

  19.                 CYBSP_LED_ON);
    

  20.                 key_frame.key[1] = CY_CAPSENSE_BUTTON1_WDGT_ID;
    

  21.         } else {
    

  22.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED2_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED2_NUM,
    

  23.                 CYBSP_LED_OFF);
    

  24.                 key_frame.key[1] = 0;
    

  25.         }
    


  26. 

  27.         if (CAPSENSE_WIDGET_INACTIVE
    

  28.                         != Cy_CapSense_IsWidgetActive(CY_CAPSENSE_BUTTON2_WDGT_ID,
    

  29.                                         &cy_capsense_context)) {
    

  30.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED3_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED3_NUM,
    

  31.                 CYBSP_LED_ON);
    

  32.                 key_frame.key[2] = CY_CAPSENSE_BUTTON2_WDGT_ID;
    

  33.         } else {
    

  34.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED3_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED3_NUM,
    

  35.                 CYBSP_LED_OFF);
    

  36.                 key_frame.key[2] = 0;
    

  37.         }
    


  38. 

  39.         if (CAPSENSE_WIDGET_INACTIVE
    

  40.                         != Cy_CapSense_IsWidgetActive(CY_CAPSENSE_BUTTON3_WDGT_ID,
    

  41.                                         &cy_capsense_context)) {
    

  42.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED4_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED4_NUM,
    

  43.                 CYBSP_LED_ON);
    

  44.                 key_frame.key[3] = CY_CAPSENSE_BUTTON3_WDGT_ID;
    

  45.         } else {
    

  46.                 Cy_GPIO_Write(CYBSP_KEYPAD_LED4_PORT, CYBSP_KEYPAD_LED4_NUM,
    

  47.                 CYBSP_LED_OFF);
    

  48.                 key_frame.key[3] = 0;
    

  49.         }
    

  50.         ret = key_frame_update_check(&key_frame, &key_frame_shadow);
    

  51.         if (ret != 0) {
    

  52.                 Cy_SCB_UART_PutArrayBlocking(UART_HW, &key_frame, sizeof(key_frame_t));
    

  53.                 key_frame_sync(&key_frame, &key_frame_shadow);
    

  54.         }
    

  55. }
       主函数源代码（包含低功耗）：
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  1. int main(void) {
    

  2.         cy_rslt_t result;
    

  3.         uint32_t capsense_state_timeout;
    

  4.         uint32_t interruptStatus;
    

  5.         cy_stc_scb_uart_context_t UART_context;
    


  6. 

  7. #if ENABLE_RUN_TIME_MEASUREMENT
    

  8.     static uint32_t active_processing_time;
    

  9.     static uint32_t alr_processing_time;
    

  10. #endif
    


  11. 

  12.         /* Initialize the device and board peripherals */
    

  13.         result = cybsp_init();
    


  14. 

  15. #if ENABLE_RUN_TIME_MEASUREMENT
    

  16.     init_sys_tick();
    

  17. #endif
    


  18. 

  19.         /* Board init failed. Stop program execution */
    

  20.         if (result != CY_RSLT_SUCCESS) {
    

  21.                 CY_ASSERT(CY_ASSERT_FAILED);
    

  22.         }
    


  23. 

  24.         /* Configure and enable the UART peripheral */
    

  25.         Cy_SCB_UART_Init(UART_HW, &UART_config, &UART_context);
    

  26.         Cy_SCB_UART_Enable(UART_HW);
    


  27. 

  28.         /* Enable global interrupts */
    

  29.         __enable_irq();
    


  30. 

  31.         /* Register callbacks */
    

  32.         register_callback();
    


  33. 

  34.         /* Define initial state of the device and the corresponding refresh rate*/
    

  35.         capsense_state = ACTIVE_MODE;
    

  36.         capsense_state_timeout = ACTIVE_MODE_TIMEOUT;
    


  37. 

  38.         /* Initialize MSC CAPSENSE™ */
    

  39.         initialize_capsense();
    


  40. 

  41.         /* Measures the actual ILO frequency and compensate MSCLP wake up timers */
    

  42.         Cy_CapSense_IloCompensate(&cy_capsense_context);
    


  43. 

  44.         /* Configure the MSCLP wake up timer as per the ACTIVE mode refresh rate */
    

  45.         Cy_CapSense_ConfigureMsclpTimer(ACTIVE_MODE_TIMER, &cy_capsense_context);
    


  46. 

  47. //Cy_SCB_UART_PutString(UART_HW, "Hello PSoC 4000T, Hello 21ic.com\r\n");
    

  48.         Cy_SCB_UART_PutArrayBlocking(UART_HW, uart_tx_buf, 8);
    


  49. 

  50.         for (;;) {
    

  51.                 switch (capsense_state) {
    

  52.                 case ACTIVE_MODE:
    


  53. 

  54.                         Cy_CapSense_ScanAllSlots(&cy_capsense_context);
    


  55. 

  56.                         interruptStatus = Cy_SysLib_EnterCriticalSection();
    


  57. 

  58.                         while (Cy_CapSense_IsBusy(&cy_capsense_context)) {
    

  59.                                 Cy_SysPm_CpuEnterDeepSleep();
    


  60. 

  61.                                 Cy_SysLib_ExitCriticalSection(interruptStatus);
    


  62. 

  63.                                 /* This is a place where all interrupt handlers will be executed */
    

  64.                                 interruptStatus = Cy_SysLib_EnterCriticalSection();
    

  65.                         }
    


  66. 

  67.                         Cy_SysLib_ExitCriticalSection(interruptStatus);
    


  68. 

  69. #if ENABLE_RUN_TIME_MEASUREMENT
    

  70.                 active_processing_time=0;
    

  71.                 start_runtime_measurement();
    

  72. #endif
    


  73. 

  74.                         Cy_CapSense_ProcessAllWidgets(&cy_capsense_context);
    


  75. 

  76.                         /* Scan, process and check the status of the all Active mode sensors */
    

  77.                         if (Cy_CapSense_IsAnyWidgetActive(&cy_capsense_context)) {
    

  78.                                 capsense_state_timeout = ACTIVE_MODE_TIMEOUT;
    

  79.                         } else {
    

  80.                                 capsense_state_timeout--;
    


  81. 

  82.                                 if (TIMEOUT_RESET == capsense_state_timeout) {
    

  83.                                         capsense_state = ALR_MODE;
    

  84.                                         capsense_state_timeout = ALR_MODE_TIMEOUT;
    


  85. 

  86.                                         /* Configure the MSCLP wake up timer as per the ALR mode refresh rate */
    

  87.                                         Cy_CapSense_ConfigureMsclpTimer(ALR_MODE_TIMER,
    

  88.                                                         &cy_capsense_context);
    

  89.                                 }
    

  90.                         }
    


  91. 

  92. #if ENABLE_RUN_TIME_MEASUREMENT
    

  93.                 active_processing_time=stop_runtime_measurement();
    

  94. #endif
    


  95. 

  96.                         break;
    

  97.                         /* End of ACTIVE_MODE */
    


  98. 

  99.                         /* Active Low Refresh-rate Mode */
    

  100.                 case ALR_MODE:
    


  101. 

  102.                         Cy_CapSense_ScanAllSlots(&cy_capsense_context);
    


  103. 

  104.                         interruptStatus = Cy_SysLib_EnterCriticalSection();
    


  105. 

  106.                         while (Cy_CapSense_IsBusy(&cy_capsense_context)) {
    

  107.                                 Cy_SysPm_CpuEnterDeepSleep();
    


  108. 

  109.                                 Cy_SysLib_ExitCriticalSection(interruptStatus);
    


  110. 

  111.                                 /* This is a place where all interrupt handlers will be executed */
    

  112.                                 interruptStatus = Cy_SysLib_EnterCriticalSection();
    

  113.                         }
    


  114. 

  115.                         Cy_SysLib_ExitCriticalSection(interruptStatus);
    


  116. 

  117. #if ENABLE_RUN_TIME_MEASUREMENT
    

  118.                 alr_processing_time=0;
    

  119.                 start_runtime_measurement();
    

  120. #endif
    


  121. 

  122.                         Cy_CapSense_ProcessAllWidgets(&cy_capsense_context);
    


  123. 

  124.                         /* Scan, process and check the status of the all Active mode sensors */
    

  125.                         if (Cy_CapSense_IsAnyWidgetActive(&cy_capsense_context)) {
    

  126.                                 capsense_state = ACTIVE_MODE;
    

  127.                                 capsense_state_timeout = ACTIVE_MODE_TIMEOUT;
    


  128. 

  129.                                 /* Configure the MSCLP wake up timer as per the ACTIVE mode refresh rate */
    

  130.                                 Cy_CapSense_ConfigureMsclpTimer(ACTIVE_MODE_TIMER,
    

  131.                                                 &cy_capsense_context);
    

  132.                         } else {
    

  133.                                 capsense_state_timeout--;
    


  134. 

  135.                                 if (TIMEOUT_RESET == capsense_state_timeout) {
    

  136.                                         capsense_state = WOT_MODE;
    


  137. 

  138.                                 }
    

  139.                         }
    


  140. 

  141. #if ENABLE_RUN_TIME_MEASUREMENT
    

  142.                 alr_processing_time=stop_runtime_measurement();
    

  143. #endif
    


  144. 

  145.                         break;
    

  146.                         /* End of Active-Low Refresh Rate(ALR) mode */
    


  147. 

  148.                         /* Wake On Touch Mode */
    

  149.                 case WOT_MODE:
    


  150. 

  151.                         Cy_CapSense_ScanAllLpSlots(&cy_capsense_context);
    


  152. 

  153.                         interruptStatus = Cy_SysLib_EnterCriticalSection();
    


  154. 

  155.                         while (Cy_CapSense_IsBusy(&cy_capsense_context)) {
    

  156.                                 Cy_SysPm_CpuEnterDeepSleep();
    


  157. 

  158.                                 Cy_SysLib_ExitCriticalSection(interruptStatus);
    


  159. 

  160.                                 /* This is a place where all interrupt handlers will be executed */
    

  161.                                 interruptStatus = Cy_SysLib_EnterCriticalSection();
    

  162.                         }
    


  163. 

  164.                         Cy_SysLib_ExitCriticalSection(interruptStatus);
    


  165. 

  166.                         if (Cy_CapSense_IsAnyLpWidgetActive(&cy_capsense_context)) {
    

  167.                                 capsense_state = ACTIVE_MODE;
    

  168.                                 capsense_state_timeout = ACTIVE_MODE_TIMEOUT;
    


  169. 

  170.                                 /* Configure the MSCLP wake up timer as per the ACTIVE mode refresh rate */
    

  171.                                 Cy_CapSense_ConfigureMsclpTimer(ACTIVE_MODE_TIMER,
    

  172.                                                 &cy_capsense_context);
    

  173.                         } else {
    

  174.                                 capsense_state = ALR_MODE;
    

  175.                                 capsense_state_timeout = ALR_MODE_TIMEOUT;
    


  176. 

  177.                                 /* Configure the MSCLP wake up timer as per the ALR mode refresh rate */
    

  178.                                 Cy_CapSense_ConfigureMsclpTimer(ALR_MODE_TIMER,
    

  179.                                                 &cy_capsense_context);
    

  180.                         }
    


  181. 

  182.                         break;
    

  183.                         /* End of "WAKE_ON_TOUCH_MODE" */
    


  184. 

  185.                 default:
    

  186.                         /**  Unknown power mode state. Unexpected situation.  **/
    

  187.                         CY_ASSERT(CY_ASSERT_FAILED);
    

  188.                         break;
    

  189.                 }
    

  190.                 uart_msg_poll();
    


  191. 

  192. #if ENABLE_TUNER
    

  193.                 /* Establishes synchronized communication with the CAPSENSE™ Tuner tool */
    

  194.                 Cy_CapSense_RunTuner(&cy_capsense_context);
    

  195. #endif
    

  196.         }
    

  197. }

四、DIY成果与创新点
        先来上一段视频转换的gif动图。
        通过上面的视频，可以看到我们的英飞凌PSOC 4000T成功识别出来我的按键操作。也可以看到在按键按下后，英飞凌PSOC 4000T快速的通过串口上报了键码。当按键抬起时，我们英飞凌PSOC 4000T也迅速的发送空值的键码。通过串口的实时键码上报，可以让主控MCU及时获取到按键的状态，从而做出正确的控制执行操作。
        本次DIY利用了英飞凌PSOC 4000 T MS套件的电感触摸按键和悬浮按键的优秀性能。在根本上解决了温奶器面板在滴水时，遇到电容按键失灵的严重用户体验问题。悬浮按键技术又解决了小朋友爱模仿，多动手操作的天性下“误按”按键带来的烫伤的风险。我个人觉得英飞凌PSOC 4000T为下一代按键面板的理想选择。我们又体验了英飞凌PSOC  4000T的平衡成本与性能，虽然仅预留了一个Uart外设接口，仍轻松通过协议帧完成按键操作的实时响应与数据上报操作。
五、致谢
        感谢英飞凌中国提供这么高大上的开发套件，让我充分感受到英飞凌中国对国内工程师的热情，践行了英飞凌“在中国，服务中国”的口号。
        感谢21ic论坛，感谢21ic小跑堂的大力支持。
        感谢一直关注我DIY活动的网友们！
        谢谢你们！我们英飞凌论坛天天见！











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星辰大海不退缩 发表于 2025-5-26 16:21 | 显示全部楼层
非常不错的案例分享
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小夏天的大西瓜 发表于 2025-5-27 10:19 | 显示全部楼层
非常不错的DIY设计
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简介：热爱开源，乐于分享。在嵌入式技术领域里面，主攻通讯协议，Modbus，TCP/IP以及虚拟化和RTOS

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