在選擇微控制器的過(guò)程中，一個(gè)重要的特征是其與周圍環(huán)境的全面連接能力?；谖⒖刂破鞯南到y(tǒng)必須具有一個(gè)至傳感器的簡(jiǎn)易型廉價(jià)接口以及通信接口等等。賽普拉斯公司的可編程系統(tǒng)級(jí)芯片（PSoC）架構(gòu)提供了適合各種應(yīng)用且靈活性和經(jīng)濟(jì)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(gè)主要部分：PSoC內(nèi)核、數(shù)字系統(tǒng)、模擬系統(tǒng)和包括一個(gè)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(gè)8位、4MIPS CPU
·16kbytes程序快速擦寫ROM
·1Kbytes數(shù)據(jù)RAM
·精度達(dá)±0.25%的內(nèi)部24MHz振蕩器（在USB應(yīng)用中）
·睡眠和看門狗定時(shí)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(gè)引腳均可被用作一個(gè)數(shù)字或模擬中斷。
數(shù)字系統(tǒng)由4個(gè)數(shù)字PSoC塊組成。如下圖所示，每個(gè)塊都是一個(gè)8位資源，既可單獨(dú)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(jì)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(dòng)器
·循環(huán)冗余校驗(yàn)器/發(fā)生器（8位～32位）
·偽隨機(jī)序列發(fā)生器（8位～32位）
這些數(shù)字塊可通過(guò)一系列通用總線與任何GPIO相連。這些總線還為進(jìn)行信號(hào)多路復(fù)用和邏輯運(yùn)算創(chuàng)造了條件。
下圖所示的模擬系統(tǒng)包括6個(gè)可配置塊，每個(gè)塊由一個(gè)運(yùn)算放大器電路組成，從而實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜模擬信號(hào)流的生成。模擬外設(shè)具有非常高的靈活性，并可通過(guò)客戶化設(shè)計(jì)來(lái)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(diǎn)和四極點(diǎn)帶通、低通和陷波濾波器）
·放大器（多達(dá)2個(gè)，具有至48倍的可選增益）
·儀表放大器（1個(gè)，具有至93倍的可選增益）
·比較器（多個(gè)2個(gè)，具有16種可選門限）
·DAC（多達(dá)2個(gè)，具有6位～10位分辨率）
·SAR型ADC（多達(dá)2個(gè)，具有6位分辨率）
當(dāng)與數(shù)字塊組合時(shí)，用戶還能夠生成額外的部件，包括：
·增量型ADC（多達(dá)2個(gè)，具有6位～14位分辨率）
·增量-累加（ΔΣ）型ADC（1個(gè)，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(jì)的更多功能。這些資源包括：
·具有5個(gè)可配置端點(diǎn)和256bytes RAM的全速USB（12Mbps），只需要2個(gè)外部串聯(lián)電阻器。
·硬件I2C通過(guò)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(shí)鐘分頻器提供了三種適合不同應(yīng)用的可定制時(shí)鐘頻率?？赏ㄟ^(guò)布線使時(shí)鐘與數(shù)字和模擬系統(tǒng)相連。
·兩個(gè)乘法累加單元（MAC）提供了具有16位結(jié)果的快速帶符號(hào)8位乘法和32位累加運(yùn)算功能，旨在幫助進(jìn)行通用數(shù)學(xué)和數(shù)字信號(hào)處理。
·抽取器提供了一個(gè)針對(duì)數(shù)字信號(hào)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(cè)（LVD）中斷能夠指示電壓電平的下降，而先進(jìn)的POR（上電復(fù)位）電路則免除了增設(shè)一個(gè)系統(tǒng)監(jiān)控器的需要。
·內(nèi)部1.3V基準(zhǔn)提供了一個(gè)用于模擬系統(tǒng)（包括ADC和DAC）的絕對(duì)基準(zhǔn)
·通用型模擬多路復(fù)用器系統(tǒng)。
當(dāng)選擇一個(gè)控制器時(shí)，設(shè)計(jì)師必須了解需要多少個(gè)模擬輸入。對(duì)于只需要6個(gè)輸入的系統(tǒng)，8個(gè)輸入是否足夠？需求會(huì)不會(huì)進(jìn)一步提高？一個(gè)特殊的控制器系列能夠處理多少個(gè)模擬輸入？CY8C24794通過(guò)允許將其多達(dá)6個(gè)I/O端口與一個(gè)模擬多路復(fù)用器相連的方法（從而可將48個(gè)引腳用于模擬信號(hào)）解決了該問(wèn)題。下圖對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)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(gè)I/O模擬多路復(fù)用器實(shí)際是兩根總線，如果需要的話，可在內(nèi)部進(jìn)行連接。它實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)大型交叉開關(guān)，允許將 任何引腳連接至一個(gè)模擬控制系統(tǒng)的模擬陣列。每個(gè)引腳都具有一個(gè)開關(guān)，當(dāng)被選擇時(shí)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(gè)ADC，則將能夠檢測(cè)多達(dá)48個(gè)輸入信號(hào)的電壓。
與模擬多路復(fù)用器總線相連的還有一個(gè)電流源。該電流DAC是可選的，并具有兩個(gè)調(diào)節(jié)范圍，即：0μA～20μA或0μA～400μA。如欲讀出一個(gè)電阻值，則只需：
1 將電阻連接至一個(gè)引腳
2 把該引腳連接至模擬總線
3 啟動(dòng)電流DAC
4 利用同樣連接至該總線的ADC來(lái)測(cè)量負(fù)載電壓。該電壓是電阻與電流的乘積。
為了獲得超高準(zhǔn)確度，一種方法是犧牲一個(gè)引腳來(lái)?yè)Q取一個(gè)基準(zhǔn)電阻器。將該電阻器連接至總線，并測(cè)量其兩端的負(fù)載電壓。然后，斷開該電阻器、連接所需的電阻器并測(cè)量其負(fù)載電壓。這兩個(gè)電壓讀數(shù)之比就等于兩個(gè)電阻器的阻值之比。電流準(zhǔn)確度中的任何誤差都將下降。此時(shí)，測(cè)量的準(zhǔn)確度完全取決于基準(zhǔn)電阻器的準(zhǔn)確度。
加至模擬多路復(fù)用器上的一個(gè)放電開關(guān)可被用來(lái)測(cè)量電容。當(dāng)受到DC電流的激勵(lì)時(shí)，與電阻器將產(chǎn)生一個(gè)DC負(fù)載電壓
不同，電容器生成的是一個(gè)斜坡電壓。該斜坡速率與激勵(lì)電流成正比，而與測(cè)量電容成反比。為了方便該轉(zhuǎn)換速率的測(cè)量，模擬部分被配置成一個(gè)采樣比較器。電容器被連接至總線，從而產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換信號(hào)。當(dāng)該信號(hào)達(dá)到比較器的調(diào)整點(diǎn)時(shí)，放電開關(guān)進(jìn)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(jìn)行。這個(gè)過(guò)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(gè)頻率計(jì)數(shù)器或周期定時(shí)器。電容可從測(cè)量數(shù)字信號(hào)推導(dǎo)出來(lái)。
有多種換能器可將信號(hào)轉(zhuǎn)換成電容，比如顯微機(jī)械加工加速器。電容的一項(xiàng)重要應(yīng)用是測(cè)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(fèi)類電子產(chǎn)品（比如：MP3播放器、筆記本電腦和移動(dòng)電話）中的按鈕和開關(guān)。電容性觸摸開關(guān)提供了一種獨(dú)特的用戶體驗(yàn)，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(shí)際風(fēng)扇控制應(yīng)用的元件數(shù)量減少了25個(gè)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(shí)例。
對(duì)所需的溫度進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量值用于定義期望的風(fēng)扇速度（調(diào)整點(diǎn)）。最初，對(duì)于20℃以下的溫度，該參數(shù)為2000RPM；對(duì)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(jī)通過(guò)I2C接口來(lái)改變。輸送至風(fēng)扇的功率由一個(gè)脈寬調(diào)制器（PWM）來(lái)控制。其頻率應(yīng)接近1kHz。一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)被連接至風(fēng)扇，用于測(cè)量其速度?？刂扑惴ㄇ蟮闷谕俣扰c測(cè)量速度之差（誤差），并用它來(lái)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(guò)I2C主機(jī)來(lái)改變。
PWM是利用一個(gè)數(shù)字塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。所做的一項(xiàng)改進(jìn)是采用了另一個(gè)數(shù)字塊來(lái)生成一個(gè)具有50.2%（128/255）占空比的偽隨機(jī)脈沖流。當(dāng)把該信號(hào)連接至PWM啟動(dòng)引腳時(shí)，PWM的工作頻率將是一個(gè)連續(xù)啟動(dòng)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(gè)±3%的高頻抖動(dòng)。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(jìn)行。
轉(zhuǎn)速計(jì)電路由兩個(gè)數(shù)字塊（被配置為一個(gè)16位定時(shí)器）和一個(gè)連續(xù)模擬塊（被配置為一個(gè)比較器）組成，用于調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速計(jì)信號(hào)。
風(fēng)扇速度是通過(guò)測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間長(zhǎng)度來(lái)確定的。比較器與列比較器總線0相連，后者又與定時(shí)器的捕獲信號(hào)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(gè)極點(diǎn)，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(gè)用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)器同步的2MHz系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，可以測(cè)量長(zhǎng)達(dá)328mS或31Hz的脈沖寬度。
一個(gè)熱敏電阻將被用來(lái)測(cè)量溫度。所選的產(chǎn)品型號(hào)是muRata NTH5G16P33B103J07TH，其溫度-電阻關(guān)系如下。
如欲測(cè)量熱敏電阻的阻值，則把一個(gè)熱敏電阻和一個(gè)10k基準(zhǔn)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(shí)間模擬塊被配置為一個(gè)緩沖器，其輸入與模擬MUX總線1相連。該列中剩余的兩個(gè)塊和一個(gè)數(shù)字塊被 配置為一個(gè)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(duì)一個(gè)200μA電流進(jìn)行了設(shè)置。即使在20℃的溫度條件下，負(fù)載電壓也為2.4V。對(duì)于ADC的輸入范圍而言這是合適的。
最后考慮的是4個(gè)模擬塊和5個(gè)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(dòng)態(tài)可重構(gòu)的。由于轉(zhuǎn)速計(jì)和ADC永遠(yuǎn)不會(huì)同時(shí)使用，因此它們可以共享數(shù)字資源。配置一個(gè)ADC并加以使用。然后配置一個(gè)轉(zhuǎn)速計(jì)并使用。在該應(yīng)用中，4個(gè)數(shù)字塊實(shí)際上起到了5個(gè)數(shù)字塊的作用，也就是說(shuō)數(shù)字塊資源的利用率達(dá)到了125%。
I2C從屬用戶模塊具有極佳的易用性。對(duì)于本例來(lái)說(shuō)，端口5的靠下的7個(gè)引腳被用來(lái)設(shè)定地址。該用戶模塊只需要一個(gè)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(chǔ)于I2C存儲(chǔ)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(yùn)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(fù)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(chǔ)空間、并啟動(dòng)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(qǐng)注意，ADC和轉(zhuǎn)速計(jì)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(jì)方案（所有的元件都被連接到了其適當(dāng)?shù)囊_）。
圖8：風(fēng)扇控制示意圖
該設(shè)計(jì)可以很容易地進(jìn)行修改，以增設(shè)更多的自動(dòng)調(diào)溫器。只需將每個(gè)自動(dòng)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(jí)芯片的賽普拉斯CY8C24794微控制器為實(shí)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(dòng)態(tài)可重構(gòu)性有利于實(shí)現(xiàn)極 高的片上資源利用率。對(duì)于我來(lái)說(shuō)，它是理想的嵌入式系統(tǒng)控制器選擇。