深入了解PSoC?4A ：基于SCB的串行通信設(shè)計

　　摘要：本文首先簡要介紹了PSoC®4A的片內(nèi)外設(shè)子系統(tǒng)架構(gòu)及SCB模塊的功能。然后概括了當(dāng)前最常用的三種串行通信協(xié)議，UART，I2C和SPI。并詳細(xì)論述了如何在PSoC®4A片內(nèi)的SCB模塊平臺上，配置并實現(xiàn)這三種串行通信。

　　關(guān)鍵字：PSoC®4，SCB，UART，I2C，SPI

　　Abstract: This paper first briefly introduces the architecture of on-chip peripheral subsystem and the function of SCB module. Then generalizes the currently common used 3 serial communication protocol, UART, I2C and SPI. And detailed illustrates how to configure and realize the 3 serial communication on SCB module in PSoC®4A.

　　Keywords: PSoC®4，SCB，UART，I2C，SPI

　　1. 引言

　　PSoC®4A是Cypress可編程片上系統(tǒng)PSoC®(Programmable System on Chip)家族中的最新成員，采用ARM Cortex®-M0作為處理核心，因此也是PSoC®家族中性價比最高的成員。PSoC®4完全繼承了PSoC®芯片家族本身的高度可編程的靈活性，并融合了Cortex® M0高性價比的處理器核架構(gòu)，使得PSoC®4 系列產(chǎn)品成為一個具有高度可擴(kuò)展性的處理器平臺，在性價比、功耗等方面優(yōu)勢顯著。在針對電機控制等需要實時調(diào)試的嵌入式應(yīng)用中，串行通信顯得尤為重要，PSoC®4將常用的多種串行通信接口(UART，I2C和 SPI)集成到一個SCB(Serial Communication Block)外設(shè)模塊上，且每個片內(nèi)都含有兩個SCB外設(shè)。因此用戶可以非常方便的在SCB外設(shè)上設(shè)計出自己的串行通信系統(tǒng)。

　　PSoC®4A產(chǎn)品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200兩個入門級產(chǎn)品系列。本文即以CY8C4200為例，介紹如何利用PSoC®4A片內(nèi)的SCB外設(shè)模塊進(jìn)行UART，I2C和 SPI串行通信設(shè)計。

　　2. PSoC®4A架構(gòu)及SCB外設(shè)模塊簡介

　　PSoC® 4A 是基于ARM Cortex®-M0 CPU(處理器)的可編程嵌入式系統(tǒng)控制器家族，為嵌入式應(yīng)用提供了強大的可編程平臺。它集合了可編程模擬資源、可編程內(nèi)部互聯(lián)、用戶可編程數(shù)字邏輯、通用的固定功能外設(shè)計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統(tǒng)。

　　圖 1是PSoC®4的系統(tǒng)框圖。限于篇幅，本文將主要概括與串行通信相關(guān)的片內(nèi)資源特性，詳細(xì)內(nèi)容您可以參考Cypress網(wǎng)站上的PSoC®4的數(shù)據(jù)手冊。

　　■ 高達(dá)48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持單周期乘法

　　■ 多達(dá) 32 KB Flash 及 4KB SRAM內(nèi)存

　　■ 兩個可工作為SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模塊(SCB)

　　■ 四個可編程數(shù)字邏輯模塊(UDB)

　　■ CapSense® 及 LCD 驅(qū)動

　　■ SWD 編程及調(diào)試單元

　　■ 全面支持PSoC Creator IDE 工具

　　圖 1： PSoC®4芯片系統(tǒng)框圖

　　PSoC®4在開發(fā)環(huán)境方面與PSoC®家族的上一代產(chǎn)品保持一致，仍然為PSoC® Creator，延續(xù)了將片內(nèi)資源抽象為模塊化Component的開發(fā)方法，控制系統(tǒng)架構(gòu)清晰具體，簡單快捷。用戶可以更多關(guān)注產(chǎn)品的功能開發(fā)，而較少的注意芯片的硬件結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。PSoC® Creator的詳細(xì)信息可以在Cypress網(wǎng)站上獲得。

　　SCB串行通信模塊支持三種通信協(xié)議：UART，I2C 和SPI。由圖1可以看出PSoC®4提供了兩個SCB模塊，每個SCB模塊在同一時刻只能用于實現(xiàn)一種串行通信協(xié)議。如果在設(shè)計中需要同時實現(xiàn)三個及以上串行通信協(xié)議，用戶可以借助UDB來設(shè)計。

　　在PSoC® Creator 3.0中將SCB模塊放入schematic編輯器中，雙擊打開配置界面可以看出，SCB共有5個配置選項。

　　■ “Unconfigured SCB”: 保留SCB為未配置狀態(tài)，需在運行時實時配置。

　　■ “I2C”: 標(biāo)準(zhǔn)I2C模式。

　　■ “EZI2C”: EZI2C模式。

　　■ “SPI”: SPI模式

　　■ “UART”: UART模式

　　本文將主要論述最常用的UART，I2C和SPI三種通信協(xié)議在SCB模塊上的實現(xiàn)方法。

　　圖 2： SCB模塊及配置界面

　　3. 基于SCB模塊的UART串行通信實現(xiàn)

　　① UART串行通信簡介

　　通用異步收發(fā)協(xié)議(UART)定義了一種全雙工的串行異步接口。其拓?fù)渫ǔＪ屈c到點的結(jié)構(gòu)，主要有TX(發(fā)送)和RX(接收)兩個信號。由于是異步方式，沒有同步時鐘信號，需要雙方約定一個相同的波特率，且每發(fā)送一個字節(jié)后進(jìn)行一次數(shù)據(jù)同步，因此UART的數(shù)據(jù)傳輸速率相對較低(常用為115200bps, 最高可達(dá)1Mbps)。UART沒有固定的通信協(xié)議，因此用戶可以自由定義。所以UART特別適合于諸如電機控制等需要實施監(jiān)控系統(tǒng)參數(shù)的應(yīng)用場合，用于在上位機和下位機之間雙向傳遞數(shù)據(jù)。圖3概括了一個UART通信的示例。關(guān)于UART通信協(xié)議的詳細(xì)定義，您可以參考相關(guān)的理論文獻(xiàn)。

　　圖 3：UART通信的示例

　　UART 協(xié)議中一個典型的數(shù)據(jù)幀由開始位，數(shù)據(jù)位，奇偶校驗位和停止位組成。開始位的邏輯值為0，它標(biāo)志一個數(shù)據(jù)幀的開始;數(shù)據(jù)位是需要傳輸?shù)男畔?奇偶校驗位是可選的，它的值取決于所有數(shù)據(jù)位邏輯值求和結(jié)果的奇偶性;停止位的邏輯值為1，它的長度可配置。當(dāng)UART 總線處于空閑態(tài)時，其邏輯值為1，如同停止位。

　　② 基于SCB的UART通信實現(xiàn)

　　在圖2所示的配置框中，將SCB配置為UART模式，點開出現(xiàn)的”UART Basic”菜單，配置基本的UART通信參數(shù)，如圖4所示;”UART Advanced”菜單下的TX Buffer 和RX Buffer參數(shù)保持默認(rèn)的8個即可。

　　圖 4：UART通信參數(shù)配置

　　UART支持全雙工通信，因此數(shù)據(jù)發(fā)送和接收可以同時被處理。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都可以用中斷與輪詢兩種方式來完成。中斷方式是在每次數(shù)據(jù)發(fā)送/接收完成后產(chǎn)生一個中斷，在中斷服務(wù)程序中進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)發(fā)送/接收的設(shè)置。輪詢方式是在主循環(huán)中不斷查詢當(dāng)前數(shù)據(jù)接收/發(fā)送任務(wù)是否完成，然后決定何時開始下一次接收/發(fā)送任務(wù)。在類似于電機控制的實時任務(wù)處理中，中斷通常用來處理實時性要求嚴(yán)格的任務(wù)，對于用于數(shù)據(jù)監(jiān)控和調(diào)試目的的UART通信，通常用輪詢的方式來實現(xiàn)。

　　PSoC Creator 3.0 開發(fā)工具本身帶有UART全雙工數(shù)據(jù)處理的Example Project;點擊菜單File->Example Project，選擇PSoC 4 Architecture，然后選擇”SCB_UartTxRxComm”即可打開UART通信例程，如圖5所示。

　　圖 5：打開UART通信示例程序

　　UART的數(shù)據(jù)發(fā)送/接收過程很簡單，以數(shù)據(jù)接收為例，程序代碼如下：

　　if(0u != UART_SpiUartGetRxBufferSize())

　　{

　　rxData = UART_SpiUartReadRxData();

　　}

　　return(rxData);

　　在主循環(huán)程序中輪詢數(shù)據(jù)接收寄存器RxBuffer的狀態(tài)，如果數(shù)據(jù)接收完成則讀取該寄存器中的值作為接收到的數(shù)據(jù)即可。