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  在選擇微控制器的過程中,一個重要的特征是其與周圍環(huán)境的全面連接能力。基于微控制器的系統(tǒng)必須具有一個至傳感器的簡易型廉價接口以及通信接口等等。賽普拉斯公司的可編程系統(tǒng)級芯片(PSoC)架構(gòu)提供了適合各種應(yīng)用且靈活性和經(jīng)濟性極佳的解決方案。
  本文將著重介紹CY8C24794 PSoC芯片。如下文所述,它具有四個主要部分:PSoC內(nèi)核、數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和包括一個全速USB端口的系統(tǒng)資源。這種架構(gòu)使得用戶能夠創(chuàng)建與各應(yīng)用的要求相吻合的定制外設(shè)配置。USB接口再加上可配置模擬和數(shù)字外設(shè),使得CY8C24794在與其外部環(huán)境的連接中擁有了最佳的通用性。

  PSoC內(nèi)核包括:
  ·一個8位、4MIPS CPU
  ·16kbytes程序快速擦寫ROM
  ·1Kbytes數(shù)據(jù)RAM
  ·精度達±0.25%的內(nèi)部24MHz振蕩器(在USB應(yīng)用中)
  ·睡眠和看門狗定時器
   ·低速32kHz振蕩器
  ·通用型輸入/輸出引腳IO(GPIO)允許把任何引腳用作數(shù)字輸入或輸出,并將大多數(shù)引腳用作模擬輸入或輸出。每個引腳均可被用作一個數(shù)字或模擬中斷。
  數(shù)字系統(tǒng)由4個數(shù)字PSoC塊組成。如下圖所示,每個塊都是一個8位資源,既可單獨使用,也可與其他塊相組合以形成外設(shè)。

    可能的外設(shè)包括:
  ·PWM(8位~32位)
  ·具有不工作區(qū)的PWM(8位~24位)
  ·計數(shù)器(8位~32位)
  ·具有可選奇偶性的8位UART
  ·SPI主控器和從動器
  ·循環(huán)冗余校驗器/發(fā)生器(8位~32位)
  ·偽隨機序列發(fā)生器(8位~32位)
  這些數(shù)字塊可通過一系列通用總線與任何GPIO相連。這些總線還為進行信號多路復(fù)用和邏輯運算創(chuàng)造了條件。
  下圖所示的模擬系統(tǒng)包括6個可配置塊,每個塊由一個運算放大器電路組成,從而實現(xiàn)了復(fù)雜模擬信號流的生成。模擬外設(shè)具有非常高的靈活性,并可通過客戶化設(shè)計來支持特定的應(yīng)用要求。

  一些更加常用的PSoC模擬部件是:
  ·濾波器(雙極點和四極點帶通、低通和陷波濾波器)
  ·放大器(多達2個,具有至48倍的可選增益)
  ·儀表放大器(1個,具有至93倍的可選增益)
  ·比較器(多個2個,具有16種可選門限)
  ·DAC(多達2個,具有6位~10位分辨率)
  ·SAR型ADC(多達2個,具有6位分辨率)
  當(dāng)與數(shù)字塊組合時,用戶還能夠生成額外的部件,包括:
  ·增量型ADC(多達2個,具有6位~14位分辨率)
  ·增量-累加(ΔΣ)型ADC(1個,在62.5ksps采樣速率條件下具有8位分辨率)
附加的系統(tǒng)資源可提供適用于完整系統(tǒng)設(shè)計的更多功能。這些資源包括:
  ·具有5個可配置端點和256bytes RAM的全速USB(12Mbps),只需要2個外部串聯(lián)電阻器。
  ·硬件I2C通過兩根電纜提供了100kHz和400kHz通信。支持從模式、主模式和多主模式。
  ·數(shù)字時鐘分頻器提供了三種適合不同應(yīng)用的可定制時鐘頻率??赏ㄟ^布線使時鐘與數(shù)字和模擬系統(tǒng)相連。
  ·兩個乘法累加單元(MAC)提供了具有16位結(jié)果的快速帶符號8位乘法和32位累加運算功能,旨在幫助進行通用數(shù)學(xué)和數(shù)字信號處理。
  ·抽取器提供了一個針對數(shù)字信號處理應(yīng)用(包括ΔΣ型ADC的形成)的定制硬件濾波器。
  ·低電壓檢測(LVD)中斷能夠指示電壓電平的下降,而先進的POR(上電復(fù)位)電路則免除了增設(shè)一個系統(tǒng)監(jiān)控器的需要。
  ·內(nèi)部1.3V基準提供了一個用于模擬系統(tǒng)(包括ADC和DAC)的絕對基準
  ·通用型模擬多路復(fù)用器系統(tǒng)。
當(dāng)選擇一個控制器時,設(shè)計師必須了解需要多少個模擬輸入。對于只需要6個輸入的系統(tǒng),8個輸入是否足夠?需求會不會進一步提高?一個特殊的控制器系列能夠處理多少個模擬輸入?CY8C24794通過允許將其多達6個I/O端口與一個模擬多路復(fù)用器相連的方法(從而可將48個引腳用于模擬信號)解決了該問題。下圖對此進行了詳細的圖示。

   圖4:CY8C24794 I/O模擬多路復(fù)用器總線/系統(tǒng)連接
一個I/O模擬多路復(fù)用器實際是兩根總線,如果需要的話,可在內(nèi)部進行連接。它實質(zhì)上就是一個大型交叉開關(guān),允許將 任何引腳連接至一個模擬控制系統(tǒng)的模擬陣列。每個引腳都具有一個開關(guān),當(dāng)被選擇時則與一根模擬總線相連。如果模擬陣列和數(shù)字塊被配置成一個ADC,則將能夠檢測多達48個輸入信號的電壓。
與模擬多路復(fù)用器總線相連的還有一個電流源。該電流DAC是可選的,并具有兩個調(diào)節(jié)范圍,即:0μA~20μA或0μA~400μA。如欲讀出一個電阻值,則只需:
  1 將電阻連接至一個引腳
  2 把該引腳連接至模擬總線
  3 啟動電流DAC
  4 利用同樣連接至該總線的ADC來測量負載電壓。該電壓是電阻與電流的乘積。
為了獲得超高準確度,一種方法是犧牲一個引腳來換取一個基準電阻器。將該電阻器連接至總線,并測量其兩端的負載電壓。然后,斷開該電阻器、連接所需的電阻器并測量其負載電壓。這兩個電壓讀數(shù)之比就等于兩個電阻器的阻值之比。電流準確度中的任何誤差都將下降。此時,測量的準確度完全取決于基準電阻器的準確度。
加至模擬多路復(fù)用器上的一個放電開關(guān)可被用來測量電容。當(dāng)受到DC電流的激勵時,與電阻器將產(chǎn)生一個DC負載電壓

不同,電容器生成的是一個斜坡電壓。該斜坡速率與激勵電流成正比,而與測量電容成反比。為了方便該轉(zhuǎn)換速率的測量,模擬部分被配置成一個采樣比較器。電容器被連接至總線,從而產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換信號。當(dāng)該信號達到比較器的調(diào)整點時,放電開關(guān)進入工作狀態(tài),導(dǎo)致電容器放電回零。開關(guān)隨后釋放,該循環(huán)繼續(xù)進行。這個過程被稱為弛張振蕩。顯然,這種循環(huán)的頻率與施加的電流成正比,而與電容成反比。比較器輸出被饋至數(shù)字部分,這里已經(jīng)配置了一個頻率計數(shù)器或周期定時器。電容可從測量數(shù)字信號推導(dǎo)出來。
有多種換能器可將信號轉(zhuǎn)換成電容,比如顯微機械加工加速器。電容的一項重要應(yīng)用是測量手指的存在與否。該技術(shù)可被用于電容性觸摸開關(guān)的移植,這種觸摸開關(guān)正在逐漸取代消費類電子產(chǎn)品(比如:MP3播放器、筆記本電腦和移動電話)中的按鈕和開關(guān)。電容性觸摸開關(guān)提供了一種獨特的用戶體驗,而且不易受到潮濕以及其他環(huán)境因素的損壞。
  風(fēng)扇控制應(yīng)用
PSoC器件的常見應(yīng)用之一便是風(fēng)扇控制。PSoC架構(gòu)的超群集成度使得實際風(fēng)扇控制應(yīng)用的元件數(shù)量減少了25個以上。我們將研究下面方框圖中所示的一種速度受控型風(fēng)扇實例。

  對所需的溫度進行測量,并將測量值用于定義期望的風(fēng)扇速度(調(diào)整點)。最初,對于20℃以下的溫度,該參數(shù)為2000RPM;對于70℃以及更高的溫度,該參數(shù)則為7000RPM,并且隨著這些極限值之間的溫度呈線性變化。這些是初始值;它們必須能夠由主機通過I2C接口來改變。輸送至風(fēng)扇的功率由一個脈寬調(diào)制器(PWM)來控制。其頻率應(yīng)接近1kHz。一個轉(zhuǎn)速計被連接至風(fēng)扇,用于測量其速度??刂扑惴ㄇ蟮闷谕俣扰c測量速度之差(誤差),并用它來確定PWM的合適占空比。與溫度一樣,這些控制參數(shù)的設(shè)定值也必須能夠通過I2C主機來改變。
PWM是利用一個數(shù)字塊來實現(xiàn)的。所做的一項改進是采用了另一個數(shù)字塊來生成一個具有50.2%(128/255)占空比的偽隨機脈沖流。當(dāng)把該信號連接至PWM啟動引腳時,PWM的工作頻率將是一個連續(xù)啟動的PWM的50.2%,如下圖所示。

  這種方案的好處是輸出頻率現(xiàn)在擁有了一個±3%的高頻抖動。這顯著地降低了峰值諧波EMI輻射。

  脈沖寬度的改變將在軟件的控制之下進行。
  轉(zhuǎn)速計電路由兩個數(shù)字塊(被配置為一個16位定時器)和一個連續(xù)模擬塊(被配置為一個比較器)組成,用于調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速計信號。
  風(fēng)扇速度是通過測量兩個脈沖之間的時間長度來確定的。比較器與列比較器總線0相連,后者又與定時器的捕獲信號相連。風(fēng)扇的標(biāo)稱轉(zhuǎn)速為2000rpm~7000rpm。選定的風(fēng)扇具有4個極點,因此標(biāo)稱范圍將具有133Hz(2000×4/60)和467Hz的標(biāo)稱頻率。當(dāng)采用一個用于實現(xiàn)定時器同步的2MHz系統(tǒng)時鐘時,可以測量長達328mS或31Hz的脈沖寬度。
  一個熱敏電阻將被用來測量溫度。所選的產(chǎn)品型號是muRata NTH5G16P33B103J07TH,其溫度-電阻關(guān)系如下。
  

   如欲測量熱敏電阻的阻值,則把一個熱敏電阻和一個10k基準電阻器連接至可以使用模擬多路復(fù)用器MUX1的引腳。連續(xù)時間模擬塊被配置為一個緩沖器,其輸入與模擬MUX總線1相連。該列中剩余的兩個塊和一個數(shù)字塊被 配置為一個14位ADC,如下圖所示。

  該ADC的設(shè)定輸入范圍為0V~2.6V。電流DAC被接通,并針對一個200μA電流進行了設(shè)置。即使在20℃的溫度條件下,負載電壓也為2.4V。對于ADC的輸入范圍而言這是合適的。
  最后考慮的是4個模擬塊和5個數(shù)字塊的資源使用。這似乎超出了可用資源的范疇。PSoC資源不僅是可配置的;而且還是動態(tài)可重構(gòu)的。由于轉(zhuǎn)速計和ADC永遠不會同時使用,因此它們可以共享數(shù)字資源。配置一個ADC并加以使用。然后配置一個轉(zhuǎn)速計并使用。在該應(yīng)用中,4個數(shù)字塊實際上起到了5個數(shù)字塊的作用,也就是說數(shù)字塊資源的利用率達到了125%。
  

  I2C從屬用戶模塊具有極佳的易用性。對于本例來說,端口5的靠下的7個引腳被用來設(shè)定地址。該用戶模塊只需要一個至其即將使用的RAM空間的指針。
  就本例而言,下列變量將被存儲于I2C存儲空間中。
  struct I2C_Space{/Memory Common to I2C
char cTem

p;
char cTempLowerLimit;
int iFanLowerRPM;
char cTempUpperLimit;
int iFanUpperRPM;
int iControlWeightFactor;
int iTachRPM;
  } MyI2C_Space;
以下是使I2C接口正常運作所需的全部代碼:
  EzI2Cslave_SetAddr((PRT5DR & 0x7f0));/Port 5 controls I2C address
  EzI2Cslave_SetRamBuffer( 11, 11,(BYTE *) &MyI2C_Space );
  EzI2Cslave_Start(void)
  這些功能調(diào)用負責(zé)設(shè)定I2C地址、定義為I2C用戶模塊和程序的其余部分所共有的存儲空間、并啟動該外設(shè)。
  下面的代碼列表示出了用于該風(fēng)扇應(yīng)用的控制環(huán)路。
  while(1){
while(bSleepTimerTick !=0);
bSleepTimerTick = 0;

LoadConfig_ADC();
MyI2C_Space.cTemp = cGetTemp();
UnloadConfig_ADC();

LoadConfig_Tach();
MyI2C_Space.iTachRPM = iReadTach();
UnloadConfig_Tach();

UpdatePWM();
  }
  請注意,ADC和轉(zhuǎn)速計始終處于被配置和重構(gòu)的狀態(tài)之下。
  下圖示出了完整的設(shè)計方案(所有的元件都被連接到了其適當(dāng)?shù)囊_)。

點擊看原圖


   圖8:風(fēng)扇控制示意圖
  該設(shè)計可以很容易地進行修改,以增設(shè)更多的自動調(diào)溫器。只需將每個自動調(diào)溫器連接至其自己的引腳并讀出其電阻即可。該通信接口以往采用的是I2C,只需采用適當(dāng)?shù)挠脩裟K便可輕而易舉地改為SPI、UART或USB。
  采用可編程系統(tǒng)級芯片的賽普拉斯CY8C24794微控制器為實現(xiàn)與各種傳感器和外圍設(shè)備的連接奠定了基礎(chǔ)。其動態(tài)可重構(gòu)性有利于實現(xiàn)極 高的片上資源利用率。對于我來說,它是理想的嵌入式系統(tǒng)控制器選擇。
  

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