基于嵌入式PsoC的MCU選色控制器設(shè)計(jì)

　　摘要：闡述Cypress公司的可配置片上系統(tǒng)（PSoC）的功能及其實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)；結(jié)合選色控制器開發(fā)實(shí)例，詳細(xì)闡述使用PsoC開發(fā)的方法和流程。其設(shè)計(jì)方法也可用于其它控制系統(tǒng)或工業(yè)自動(dòng)化等各種應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：PsoC(可配置片上系統(tǒng)) 選色控制器MCU

引言

　　最近幾年，隨著電子技術(shù)及半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展，片上系統(tǒng)（SoC），特別是可配置片上系統(tǒng)PsoC（Programmable System on Chip），已逐漸成為微控制器的主流產(chǎn)品。因此，要求設(shè)計(jì)工程師必須迅速地掌握SoC的開發(fā)特點(diǎn)和要求，盡快融入SoC的開發(fā)大潮中去。但是，SoC系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來了與傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)全然不同的挑戰(zhàn)，其中包括從處理器和存儲(chǔ)器的選擇到產(chǎn)品環(huán)境的考慮。如果設(shè)計(jì)工程師能夠深入理解SoC的開發(fā)特點(diǎn)，并且考慮部件之間如何交互，以及各種因素帶來的影響等問題，就可以直接提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率和開發(fā)效率，降低系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性和費(fèi)用，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

　　文章根據(jù)本人的開發(fā)經(jīng)歷，結(jié)合選色控制器的開發(fā)過程，為設(shè)計(jì)工程師提供指導(dǎo)，從所有層面上幫助他們?yōu)榻窈蟮脑O(shè)計(jì)項(xiàng)目做更好的準(zhǔn)備。

　　人們?cè)诟鞣N各樣的微控制器和嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)，并非不同的設(shè)計(jì)就必須用到完全不同的外圍器件；相反，這其吸大量共的部分，因此，啟發(fā)了芯片設(shè)計(jì)工程師建立此種可配置微控制器。在芯片內(nèi)建立一些通用的數(shù)字和模擬塊（digital and analog block），把它們配置成微控制器的各種功能模塊（Module）。這樣，在ASIC設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用工程師就可以根據(jù)自己的不同設(shè)計(jì)要求調(diào)用不同的功能模塊，完成芯片內(nèi)部的功能配置，實(shí)現(xiàn)使用一塊芯片就可以配置成具多種不同外圍器件的微控制器。

　　目前，市場(chǎng)上有Cypress MicroSystems，InC和Cygnal Integrated Products，Inc生產(chǎn)可配置的SOC微控制器。本控制系統(tǒng)選用Cypress MicroSystems,Inc生產(chǎn)的M8C內(nèi)核PsoC微控制器作為控制核心。

    下面我們首先熟悉開發(fā)的任務(wù)要求。選色控制器是一個(gè)由信息采集、鍵盤、顯示及輸出驅(qū)動(dòng)等部分組成的控制系統(tǒng)，主要用來取代進(jìn)口和國(guó)產(chǎn)劍桿織機(jī)上的紙帶輸入式光電緯紗選色器。

　　為了便于用戶根據(jù)不同的實(shí)際需要對(duì)工作方式及其它參數(shù)進(jìn)行修改，要求所有的參數(shù)及組態(tài)均可通過面板睥幾個(gè)操作鍵進(jìn)行輸入、檢查、修改；并可在突然并機(jī)的情況下，重新開機(jī)后，自動(dòng)恢復(fù)斷點(diǎn)參數(shù)信息。

　　根據(jù)用戶提出的技術(shù)指標(biāo)，我們還必須把它進(jìn)步量化，并且進(jìn)一步完成功能設(shè)計(jì)方案。

1 硬件方案設(shè)計(jì)

1.1 選擇微處理器

　　在設(shè)計(jì)任務(wù)確定后，應(yīng)對(duì)控制系統(tǒng)所需要的硬件做出初步估計(jì)和選擇。微處理器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的選擇將對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)產(chǎn)生決定性的影響。一般應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮微處理器是否符合控制系統(tǒng)的要求：字長(zhǎng)、指令的種類和數(shù)量、內(nèi)部寄存器的種類數(shù)量、微處理器的速度、中斷處理能力以及微處理器的外圍電路配套等。對(duì)于外圍器件的來源、軟件的運(yùn)行等也是設(shè)計(jì)人員必須考慮的因素，因?yàn)槠渖婕暗秸麄€(gè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制能力以及硬件和應(yīng)用程序的分開。

　　Cypress MicroSystems，Inc生產(chǎn)的PsoC是新一代功能強(qiáng)大的8位可配置微控制器。PsoC微控制順片內(nèi)有8根獨(dú)立的輸入和輸出總線，分別與數(shù)字和模block相連。其內(nèi)部可用的block資源包含：4個(gè)基本類型和4個(gè)通信類型的數(shù)字block，各有3個(gè)CT、SCA和SCB類型模擬block。使用這些資源可以配置成不販功能模塊，用以實(shí)現(xiàn)微控制器標(biāo)準(zhǔn)外圍器件的功能。

使用基本類型數(shù)字block可配置：

*計(jì)數(shù)器（counter）；

*定時(shí)器（timer）；

*脈寬調(diào)制（PWM）；

*循環(huán)冗余碼校驗(yàn)（CRC）串行接收（serial receiver）。

使用通信類型數(shù)字block可配置：

*基本數(shù)字block；

*串行發(fā)送（serial transmitter）;

*串行接收（serial receiver）;

*SPI主端（SPI Master）;

*SPI從端（SPI Slave）。

使用模擬block可配置：

*多極濾波器（multi-pole filters）;

*放大器（gain stages）;

*數(shù)模轉(zhuǎn)換（DACs）;

*模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADCs）。

　　在模塊功能設(shè)計(jì)方面，Cypress公司把各種常用處理器的外圍器件作為設(shè)計(jì)Module的標(biāo)準(zhǔn)，把芯片內(nèi)數(shù)字和模擬block資源組配成標(biāo)準(zhǔn)的功能模塊（module），并把這些功能模塊存儲(chǔ)在器件庫中。用戶通過使用其提供的集成開發(fā)平臺(tái)（IDE），調(diào)用這些功能模塊、設(shè)定模塊時(shí)鐘輸入，配置全局變量和局部變量，設(shè)定用戶功能參數(shù)，完成功能模塊的配置。另外，這些功能模塊還可以相互連接，以完成更加復(fù)雜的功能。因此，通過合理的配置數(shù)字和模擬block就可以在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)大部分外圍器件的工作。并且，由于設(shè)定的參數(shù)量存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash中，因此，無論是在設(shè)計(jì)之初，還是在產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，工程師均通過軟件重新配置數(shù)字和模擬block參數(shù)，從而增加/刪除功能模塊，定義輸入/輸出引腳，完成硬件升級(jí)。這就是可編程嵌入式片上系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)重新配置能力（Dynamic ReConfigurability）。因此，可配置片上系統(tǒng)（PSoC）允許用戶根據(jù)自己的需求，定義整個(gè)系統(tǒng)所需要的功能模塊的種類和數(shù)量，分配芯片的資源，完成芯片內(nèi)部的功能配置。

　　對(duì)于本控制系統(tǒng)來說，可以利用其內(nèi)部的多個(gè)定時(shí)器功能模塊，完成各個(gè)動(dòng)作之間的間隔和定時(shí)，從及復(fù)雜的邏輯關(guān)系；利用A/D、PGA模塊，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入等功能；利用液晶模塊，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的顯示等功能；利用PsoC具有I/O多的特點(diǎn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)開關(guān)信號(hào)量的控制。因此，利用PsoC就可以實(shí)現(xiàn)使用一塊芯片來配置多種不同外圍元器件微控制器。建立一種可配置控制器，可以實(shí)現(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開始，到軟/硬件劃分，并在片內(nèi)完成整個(gè)選色控制器的設(shè)計(jì)過程。

　　本系統(tǒng)使用PSoC微控制器具有三個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)：①通過使用數(shù)字和模擬block配置不同的外圍器件，大量的外圍器件可以設(shè)計(jì)成SoC；②通過使用內(nèi)部總線連接用戶所選的功能，用戶可以建立實(shí)際系統(tǒng)信號(hào)鏈，減少大量的外部線路，甚至可以重新分配輸入/輸出引腳，幫助優(yōu)化電路板的布局；③最大的益處是它可以實(shí)時(shí)重新定義模塊功能，迅速完成硬件升級(jí)，能夠適應(yīng)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，同時(shí)增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。

1.2 確定總體控制方案

　　選色控制方式是一種典型的順序控制方式。順序控制是工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)中一種常見的控制方式，其控制系統(tǒng)一般具有以下一些特性：開關(guān)信號(hào)量多、定時(shí)范圍大、邏輯關(guān)系復(fù)雜、可靠性要求高等。因此，在總體方案設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮其控制特點(diǎn)。

　　PSoC微處理器的所有輸入/輸出引腳都可以申請(qǐng)中斷，各個(gè)內(nèi)部數(shù)字和模擬模塊也可以申請(qǐng)中斷。因此本系統(tǒng)可以根據(jù)要求，方便靈活地申請(qǐng)執(zhí)行多個(gè)中斷。

　　經(jīng)過對(duì)上述各項(xiàng)認(rèn)真分析后，就可以畫出整個(gè)系統(tǒng)的概略框圖。本選色控制系統(tǒng)是由存儲(chǔ)器、輸入/輸出電路、液晶顯示模塊、鍵盤電路等部件構(gòu)成，其系統(tǒng)組成如圖1所示。

1.3 具體硬件設(shè)計(jì)方案

　　進(jìn)入具體設(shè)計(jì)階段，必須認(rèn)真考慮和反復(fù)權(quán)衡硬件和軟件的分工及比例。

　　硬件和軟件設(shè)計(jì)過程必須同時(shí)進(jìn)行，兩者相輔相成。對(duì)于本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來說，由于大部分外圍器件的功能是在微控制器片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的，因此，外部硬件的主要工作集中在輸入/輸出接口設(shè)計(jì)上，而輸入/輸出接口設(shè)計(jì)又往往和控制程序交織在一起。此外，存儲(chǔ)器的連接和擴(kuò)充也是必做的工作。

　　硬件設(shè)計(jì)過程中，器件應(yīng)注意篩選，在布線和安排時(shí)，注意制作技術(shù)和裝配技術(shù)，以克服電氣干擾。下面就是具體的硬件設(shè)計(jì)：在單片配備8位液晶顯示器，2