基于嵌入式PsoC的MCU選色控制器設計

　　摘要：闡述Cypress公司的可配置片上系統（PSoC）的功能及其實(shí)現結構；結合選色控制器開(kāi)發(fā)實(shí)例，詳細闡述使用PsoC開(kāi)發(fā)的方法和流程。其設計方法也可用于其它控制系統或工業(yè)自動(dòng)化等各種應用。

    關(guān)鍵詞：PsoC(可配置片上系統) 選色控制器MCU

引言

　　最近幾年，隨著(zhù)電子技術(shù)及半導體工藝的迅猛發(fā)展，片上系統（SoC），特別是可配置片上系統PsoC（Programmable System on Chip），已逐漸成為微控制器的主流產(chǎn)品。因此，要求設計工程師必須迅速地掌握SoC的開(kāi)發(fā)特點(diǎn)和要求，盡快融入SoC的開(kāi)發(fā)大潮中去。但是，SoC系統設計帶來(lái)了與傳統系統設計全然不同的挑戰，其中包括從處理器和存儲器的選擇到產(chǎn)品環(huán)境的考慮。如果設計工程師能夠深入理解SoC的開(kāi)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(lái)的影響等問(wèn)題，就可以直接提高產(chǎn)品設計的成功率和開(kāi)發(fā)效率，降低系統開(kāi)發(fā)的復雜性和費用，同時(shí)增強系統的可靠性和抗干擾能力。

　　文章根據本人的開(kāi)發(fā)經(jīng)歷，結合選色控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)程，為設計工程師提供指導，從所有層面上幫助他們?yōu)榻窈蟮脑O計項目做更好的準備。

　　人們在各種各樣的微控制器和嵌入式控制系統設計過(guò)程中發(fā)現，并非不同的設計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)了芯片設計工程師建立此種可配置微控制器。在芯片內建立一些通用的數字和模擬塊（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A(yíng)SIC設計過(guò)程中，應用工程師就可以根據自己的不同設計要求調用不同的功能模塊，完成芯片內部的功能配置，實(shí)現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。本控制系統選用Cypress MicroSystems,Inc生產(chǎn)的M8C內核PsoC微控制器作為控制核心。

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

　　為了便于用戶(hù)根據不同的實(shí)際需要對工作方式及其它參數進(jìn)行修改，要求所有的參數及組態(tài)均可通過(guò)面板睥幾個(gè)操作鍵進(jìn)行輸入、檢查、修改；并可在突然并機的情況下，重新開(kāi)機后，自動(dòng)恢復斷點(diǎn)參數信息。

　　根據用戶(hù)提出的技術(shù)指標，我們還必須把它進(jìn)步量化，并且進(jìn)一步完成功能設計方案。

1 硬件方案設計

1.1 選擇微處理器

　　在設計任務(wù)確定后，應對控制系統所需要的硬件做出初步估計和選擇。微處理器是整個(gè)控制系統的核心，它的選擇將對整個(gè)控制系統產(chǎn)生決定性的影響。一般應從以下幾個(gè)方面考慮微處理器是否符合控制系統的要求：字長(cháng)、指令的種類(lèi)和數量、內部寄存器的種類(lèi)數量、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。對于外圍器件的來(lái)源、軟件的運行等也是設計人員必須考慮的因素，因為其涉及到整個(gè)系統實(shí)時(shí)控制能力以及硬件和應用程序的分開(kāi)。

　　Cypress MicroSystems，Inc生產(chǎn)的PsoC是新一代功能強大的8位可配置微控制器。PsoC微控制順片內有8根獨立的輸入和輸出總線(xiàn)，分別與數字和模block相連。其內部可用的block資源包含：4個(gè)基本類(lèi)型和4個(gè)通信類(lèi)型的數字block，各有3個(gè)CT、SCA和SCB類(lèi)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)現微控制器標準外圍器件的功能。

使用基本類(lèi)型數字block可配置：

*計數器（counter）；

*定時(shí)器（timer）；

*脈寬調制（PWM）；

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

使用通信類(lèi)型數字block可配置：

*基本數字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）;

*數模轉換（DACs）;

*模數轉換（ADCs）。

　　在模塊功能設計方面，Cypress公司把各種常用處理器的外圍器件作為設計Module的標準，把芯片內數字和模擬block資源組配成標準的功能模塊（module），并把這些功能模塊存儲在器件庫中。用戶(hù)通過(guò)使用其提供的集成開(kāi)發(fā)平臺（IDE），調用這些功能模塊、設定模塊時(shí)鐘輸入，配置全局變量和局部變量，設定用戶(hù)功能參數，完成功能模塊的配置。另外，這些功能模塊還可以相互連接，以完成更加復雜的功能。因此，通過(guò)合理的配置數字和模擬block就可以在片內實(shí)現大部分外圍器件的工作。并且，由于設定的參數量存儲在片內Flash中，因此，無(wú)論是在設計之初，還是在產(chǎn)品應用現場(chǎng)，工程師均通過(guò)軟件重新配置數字和模擬block參數，從而增加/刪除功能模塊，定義輸入/輸出引腳，完成硬件升級。這就是可編程嵌入式片上系統的動(dòng)態(tài)重新配置能力（Dynamic ReConfigurability）。因此，可配置片上系統（PSoC）允許用戶(hù)根據自己的需求，定義整個(gè)系統所需要的功能模塊的種類(lèi)和數量，分配芯片的資源，完成芯片內部的功能配置。

　　對于本控制系統來(lái)說(shuō)，可以利用其內部的多個(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)，從及復雜的邏輯關(guān)系；利用A/D、PGA模塊，實(shí)現鍵盤(pán)輸入等功能；利用液晶模塊，實(shí)現參數的顯示等功能；利用PsoC具有I/O多的特點(diǎn)，可以方便地實(shí)現對多個(gè)開(kāi)關(guān)信號量的控制。因此，利用PsoC就可以實(shí)現使用一塊芯片來(lái)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)現從確定系統功能開(kāi)始，到軟/硬件劃分，并在片內完成整個(gè)選色控制器的設計過(guò)程。

　　本系統使用PSoC微控制器具有三個(gè)明顯優(yōu)勢：①通過(guò)使用數字和模擬block配置不同的外圍器件，大量的外圍器件可以設計成SoC；②通過(guò)使用內部總線(xiàn)連接用戶(hù)所選的功能，用戶(hù)可以建立實(shí)際系統信號鏈，減少大量的外部線(xiàn)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，能夠適應非常復雜的實(shí)時(shí)控制需求，同時(shí)增強系統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)控制系統中一種常見(jiàn)的控制方式，其控制系統一般具有以下一些特性：開(kāi)關(guān)信號量多、定時(shí)范圍大、邏輯關(guān)系復雜、可靠性要求高等。因此，在總體方案設計時(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中斷，各個(gè)內部數字和模擬模塊也可以申請中斷。因此本系統可以根據要求，方便靈活地申請執行多個(gè)中斷。

　　經(jīng)過(guò)對上述各項認真分析后，就可以畫(huà)出整個(gè)系統的概略框圖。本選色控制系統是由存儲器、輸入/輸出電路、液晶顯示模塊、鍵盤(pán)電路等部件構成，其系統組成如圖1所示。

1.3 具體硬件設計方案

　　進(jìn)入具體設計階段，必須認真考慮和反復權衡硬件和軟件的分工及比例。

　　硬件和軟件設計過(guò)程必須同時(shí)進(jìn)行，兩者相輔相成。對于本控制系統的設計來(lái)說(shuō)，由于大部分外圍器件的功能是在微控制器片內實(shí)現的，因此，外部硬件的主要工作集中在輸入/輸出接口設計上，而輸入/輸出接口設計又往往和控制程序交織在一起。此外，存儲器的連接和擴充也是必做的工作。

　　硬件設計過(guò)程中，器件應注意篩選，在布線(xiàn)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計：在單片配備8位液晶顯示器，2