微處理器在電動車無刷電機控制器上的應用
加入技術交流群
PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導體公司推出的一種現(xiàn)場可編程片上系統(tǒng)。片內備有通用模擬和數(shù)字模塊，用戶可根據(jù)開發(fā)需要，隨意調用模塊，實現(xiàn)混合信號陣列的動態(tài)配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動車無刷電機控制器上的應用，它將對電壓電流信號的放大、處理、模數(shù)轉換功能，以及PWM信號輸出功能全部集成到微處理器的內部完成，減少了芯片的外圍器件，提高了系統(tǒng)整體的集成性能和可靠性。
可編程片上系統(tǒng)
由美國賽普拉斯半導體公司倡導并推出的完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來構成產(chǎn)品SoC的設想，并把單片機的發(fā)展從MCU推動到SoC的新階段。這種可編程的SoC取名為可編程片上系統(tǒng)(PSoC)，由基本的CPU內核和預設外圍器件組成，就是在一個專有MCU內和周圍集成了PSoC模塊(可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列)，利用芯片內部可編程互聯(lián)陣列，可以有效地配置芯片的模擬和數(shù)字電路資源，達到可編程片上系統(tǒng)的目的。
與傳統(tǒng)的MCU相較，從根本意義上講PSoC系列是一種微控制器，而且是一種可編程片上系統(tǒng)微控制器，它的出現(xiàn)使設計者逐步擺脫了板級電子系統(tǒng)設計方法層次而進入芯片級電子系統(tǒng)設計，減少了單片機的品種和規(guī)格，同時更有利于新品開發(fā)和升級換代。與同種價位的普通單片機比較，其豐富的內部資源、新穎的設計界面、靈活的設計方式、簡單的編程技巧都使其極具特點。PSoC完全不同于以往的傳統(tǒng)的微處理器。PSoC開發(fā)者不需要自己構建ADC、DAC和其它外圍設備，可以通過PSoC的配置性進行資源調配，而且PSoC為控制器成功的引入動態(tài)可重新配置功能，真正實現(xiàn)在線可編程，由此可見，一個PSoC微控制器就能代替多種類型的單片機。
PSoC的內部框圖結構及資源
賽普拉斯CY8C21×××"29×××系列的內部結構如圖1所示。其資源包括：
圖1：CY8C24423內部系統(tǒng)資源框圖。
1. 處理器內核
PSoC微處理器CY8C21×××"29×××系列器件使用強大的8位哈佛結構處理器內核(M8C CPU)，它具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線，處理器速度可達24MHz。擁有豐富的M8C架構指令，并可進行I/O和內存上的操作。此外系統(tǒng)提供便捷的尋址方式。
CPU內核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有處理器中都有一個乘法器/加法器(MAC)。MAC系統(tǒng)中作為一個獨立的組件，并映射到特定的寄存器地址空間，由輸入寄存器和輸出寄存器，能執(zhí)行帶符號的8×8乘法運算和32位的加法運算。只要把數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器在下一個指令周期，在輸出寄存器就能得到運算結果。寄存器加速內存數(shù)據(jù)交換，大大提高了處理數(shù)據(jù)的速度。
2. 內存儲器
PSoC系列器件擁有靈活的片內存儲器，包括4"16KB的快速程序存儲器(Flash Program Memory)以及256字節(jié)的片內SRAM數(shù)據(jù)存儲器，速內存可擦寫100,000次，并可分塊實時修改，不同的型號芯片閃存的容量不同。此外，系統(tǒng)具有串行編程功能(ISSP)，即在程序頭(Programme Pod)或者用戶板上的閃存可通過串行的方式，把程序固化到內部程序閃存存儲器中。PSoC對片內存儲器提供多種保護加密方式。以保證用戶敏感信息的安全。這個功能允許用戶有選擇性的對內存模塊的讀寫操作加鎖和寫操作保護。這允許對部分代碼進行升級，而不會泄漏重要數(shù)據(jù)。
3. PSoC模塊
在每一個PSoC芯片??有若干個PSoC數(shù)字模塊。PSoC片內的數(shù)字模塊減少了多種微控制器類型和外設元件的需求。數(shù)字PSoC模塊可以配置成各種各樣的用戶模塊，比如時間定時器、實時時鐘、脈寬調制(PWM)和死區(qū)脈寬調制(DB PWM)、循環(huán)冗余核對模塊、全雙工(UARTS)、串行主從通信(SPI)功能。PSoC軟件開發(fā)包提供了PSoC模塊自動配置，用戶只需簡單地選擇需要功能塊，PSoC軟件開發(fā)包就能產(chǎn)生正確的配制信息和器件數(shù)據(jù)手冊。
在每一個PSoC芯片中還有若干個模擬PSoC模塊，芯片內的模擬PSoC模塊可以減少CPU復雜的系列編號以及對外設的需求。模擬PSoC模塊可以配置許多外設功能，譬如12個PSoC模塊可以提供11位△-∑模數(shù)轉換、8位逐次逼近式模數(shù)轉換、8位直接模數(shù)轉換、12增量式模數(shù)轉換、可編程增益放大器、采樣和保持功能、可編程濾波器、差分比較器和片內溫度傳感器等。PSoC系統(tǒng)包含三種類型的模擬模塊：連續(xù)時鐘模塊(CT)，A類和B類開關電容(SC)模塊。
4. 通用I/O
PSoC微控制器的通用I/O數(shù)量從*4位不等，具體根據(jù)不同型號來確定。每個I/O功能可編程選擇。在輸出模式中可選擇輸出驅動方式，模擬輸出驅動可達40mA。通過內部上拉或者下拉電阻輸出，強輸出，可設置輸出最大的驅動電流達25mA。所有引腳都能作為中斷電源，通過引腳信號變化產(chǎn)生中斷。并可選擇位上升沿觸發(fā)終端、下降沿觸發(fā)。引腳能與模擬模塊相連。此外，還有用作斯密特觸發(fā)器的TTL、I/O。
5.振蕩器
PSoC系列器件有多種振蕩器可供選擇，總能為CPU時鐘、模擬PSoC模塊和數(shù)字PSoC模塊的時鐘，找到合適的振蕩器。主要有內部達到24/48MHz的主振蕩器、一個32.768MHz外部晶體振蕩器和內部低速振蕩器。主振蕩器誤差為±2.5%，且沒有外部補償，外部晶體振蕩器可對PLL選定精度，內部低速振蕩器一般作為PSoC模塊和看門狗/睡眠定時器的時鐘?？墒褂脮r鐘分頻器，從而優(yōu)化代碼執(zhí)行速度和減少功耗。
6. 專用外設
PSoC系列器件還提供一些專用外設，包括看門狗/睡眠模式時鐘(Watchdog/Sleep Timer)、可設定電壓閥值的電源低電壓檢測(LVD/POR)、中斷控制器、采樣抽取器(Decimator)、片內溫度傳感器和片內電壓參考等。
7. 靜態(tài)COMS器件
PSoC微處理器系列運用了先進Flash工藝的全靜態(tài)CMOS器件，實現(xiàn)高度低電壓功能。通常電壓保持在3.0到5.5V DC，使用片內開關式電壓汞可使工作電壓降低到1.0V DC，工作于-40℃"＋85℃。
電動車無刷控制器系統(tǒng)
由CY8C24423構成的電動車無刷控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
圖2：電動車無刷控制器系統(tǒng)原理框圖。
要讓圖中所示的電機轉動起來，首先控制部就必須根據(jù)電機霍爾感應到的電機轉子目前所在位置，然后決定開啟(或關閉)MOSFET的順序，如上圖中之A上、B上、C上(這些稱為上橋功率晶體管)及A下、B下、C下(這些稱為下橋功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機繞組線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制器又再開啟下一組MOSFET，如此循環(huán)電機就可以按同一方向繼續(xù)轉動，直到控制器決定要電機轉子停止，此時則關閉MOSFET，要電機轉子反向則MOSFET開啟順序相反。
評論