微處理器在電動(dòng)車(chē)無(wú)刷電機控制器上的應用
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PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導體公司推出的一種現場(chǎng)可編程片上系統。片內備有通用模擬和數字模塊，用戶(hù)可根據開(kāi)發(fā)需要，隨意調用模塊，實(shí)現混合信號陣列的動(dòng)態(tài)配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動(dòng)車(chē)無(wú)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，提高了系統整體的集成性能和可靠性。
可編程片上系統
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(lái)構成產(chǎn)品SoC的設想，并把單片機的發(fā)展從MCU推動(dòng)到SoC的新階段。這種可編程的SoC取名為可編程片上系統(PSoC)，由基本的CPU內核和預設外圍器件組成，就是在一個(gè)專(zhuān)有MCU內和周?chē)闪薖SoC模塊(可配置的模擬和數字外圍器件陣列)，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字電路資源，達到可編程片上系統的目的。
與傳統的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微控制器，它的出現使設計者逐步擺脫了板級電子系統設計方法層次而進(jìn)入芯片級電子系統設計，減少了單片機的品種和規格，同時(shí)更有利于新品開(kāi)發(fā)和升級換代。與同種價(jià)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(jiǎn)單的編程技巧都使其極具特點(diǎn)。PSoC完全不同于以往的傳統的微處理器。PSoC開(kāi)發(fā)者不需要自己構建ADC、DAC和其它外圍設備，可以通過(guò)PSoC的配置性進(jìn)行資源調配，而且PSoC為控制器成功的引入動(dòng)態(tài)可重新配置功能，真正實(shí)現在線(xiàn)可編程，由此可見(jiàn)，一個(gè)PSoC微控制器就能代替多種類(lèi)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據存儲器總線(xiàn)，處理器速度可達24MHz。擁有豐富的M8C架構指令，并可進(jìn)行I/O和內存上的操作。此外系統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(gè)乘法器/加法器(MAC)。MAC系統中作為一個(gè)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，能執行帶符號的8×8乘法運算和32位的加法運算。只要把數據傳送到輸入寄存器在下一個(gè)指令周期，在輸出寄存器就能得到運算結果。寄存器加速內存數據交換，大大提高了處理數據的速度。
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字節的片內SRAM數據存儲器，速內存可擦寫(xiě)100,000次，并可分塊實(shí)時(shí)修改，不同的型號芯片閃存的容量不同。此外，系統具有串行編程功能(ISSP)，即在程序頭(Programme Pod)或者用戶(hù)板上的閃存可通過(guò)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(hù)敏感信息的安全。這個(gè)功能允許用戶(hù)有選擇性的對內存模塊的讀寫(xiě)操作加鎖和寫(xiě)操作保護。這允許對部分代碼進(jìn)行升級，而不會(huì )泄漏重要數據。
3. PSoC模塊
在每一個(gè)PSoC芯片??有若干個(gè)PSoC數字模塊。PSoC片內的數字模塊減少了多種微控制器類(lèi)型和外設元件的需求。數字PSoC模塊可以配置成各種各樣的用戶(hù)模塊，比如時(shí)間定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、脈寬調制(PWM)和死區脈寬調制(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(kāi)發(fā)包提供了PSoC模塊自動(dòng)配置，用戶(hù)只需簡(jiǎn)單地選擇需要功能塊，PSoC軟件開(kāi)發(fā)包就能產(chǎn)生正確的配制信息和器件數據手冊。
在每一個(gè)PSoC芯片中還有若干個(gè)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(gè)PSoC模塊可以提供11位△-∑模數轉換、8位逐次逼近式模數轉換、8位直接模數轉換、12增量式模數轉換、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系統包含三種類(lèi)型的模擬模塊：連續時(shí)鐘模塊(CT)，A類(lèi)和B類(lèi)開(kāi)關(guān)電容(SC)模塊。
4. 通用I/O
PSoC微控制器的通用I/O數量從*4位不等，具體根據不同型號來(lái)確定。每個(gè)I/O功能可編程選擇。在輸出模式中可選擇輸出驅動(dòng)方式，模擬輸出驅動(dòng)可達40mA。通過(guò)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(dòng)電流達25mA。所有引腳都能作為中斷電源，通過(guò)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(shí)鐘、模擬PSoC模塊和數字PSoC模塊的時(shí)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(gè)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(méi)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(mén)狗/睡眠定時(shí)器的時(shí)鐘?？墒褂脮r(shí)鐘分頻器，從而優(yōu)化代碼執行速度和減少功耗。
6. 專(zhuān)用外設
PSoC系列器件還提供一些專(zhuān)用外設，包括看門(mén)狗/睡眠模式時(shí)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(jìn)Flash工藝的全靜態(tài)CMOS器件，實(shí)現高度低電壓功能。通常電壓保持在3.0到5.5V DC，使用片內開(kāi)關(guān)式電壓汞可使工作電壓降低到1.0V DC，工作于-40℃"＋85℃。
電動(dòng)車(chē)無(wú)刷控制器系統
由CY8C24423構成的電動(dòng)車(chē)無(wú)刷控制器系統原理框圖如圖2所示。
圖2：電動(dòng)車(chē)無(wú)刷控制器系統原理框圖。
要讓圖中所示的電機轉動(dòng)起來(lái)，首先控制部就必須根據電機霍爾感應到的電機轉子目前所在位置，然后決定開(kāi)啟(或關(guān)閉)MOSFET的順序，如上圖中之A上、B上、C上(這些稱(chēng)為上橋功率晶體管)及A下、B下、C下(這些稱(chēng)為下橋功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機繞組線(xiàn)圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉磁場(chǎng)，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時(shí)/逆時(shí)轉動(dòng)。當電機轉子轉動(dòng)到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時(shí)，控制器又再開(kāi)啟下一組MOSFET，如此循環(huán)電機就可以按同一方向繼續轉動(dòng)，直到控制器決定要電機轉子停止，此時(shí)則關(guān)閉MOSFET，要電機轉子反向則MOSFET開(kāi)啟順序相反。
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