具有USB的PSoC在風(fēng)扇控制中的應(yīng)用

　　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_）。

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　　 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。