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、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，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%26;#215;4的鍵盤，8KB的存儲(chǔ)器。輸入/輸出都采用光電隔離，每一路輸出還經(jīng)過功率放大。 (1)PSoC微控制器 PSoC微控制器控制系統(tǒng)中最主要的部件，它完成對(duì)輸入信號(hào)的判斷和邏輯運(yùn)算，產(chǎn)生時(shí)序控制信號(hào)，對(duì)PSoC微控制器的配置可以通過其系統(tǒng)提供的IDE集成開發(fā)平臺(tái)上的圖形化工具來完成。選擇本控制系統(tǒng)所需的計(jì)時(shí)器、放大器、液晶等功能模塊，配置其內(nèi)部參數(shù)，指定其輸入與輸出關(guān)系，主、輸出引腳。在全局變量部分要配置CPU的工作頻率、系統(tǒng)時(shí)鐘、中斷、電荷泵以及其它特性，以此完成PSoC微控制器片內(nèi)配置。 (2)存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)工作參數(shù)和用戶應(yīng)用程序。隨機(jī)存儲(chǔ)器有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器DRAM和靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器SRAM兩種。DRAM雖然價(jià)格低，但它需要不斷刷新。 PSoC單片機(jī)沒有刷新功能，為了使用DRAM，不得不增加刷新電路。這樣總的價(jià)格并不低，且使電路復(fù)雜化，可靠性降低，因此本系統(tǒng)中采用SRAM—— 6264。 當(dāng)6264的CE1為高電平或CE2為怦時(shí)時(shí)，6264處于低功耗的保持狀態(tài)，此時(shí)流過的電源電流為維持電流，只有μA級(jí)。在保持狀態(tài)的情況下，VCC可降至3V左右，內(nèi)部所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不會(huì)丟失。由此可見，只要在掉電之后保持CE1為高，并保持VCC大于3V，就可保持RAM中所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不變，且消耗VCC 的電流很小。由此可以建立數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)電路。 (3)液晶模塊 字符型液晶顯示模塊是一類專用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶顯示模塊。字符型液晶顯示驅(qū)動(dòng)控制器廣泛應(yīng)用于字符型液晶顯示模塊上。目前PSoC微控制器內(nèi)液晶模塊僅支持HD44780U顯示驅(qū)動(dòng)控制器。 (4)輸入電路 單片機(jī)只能接受0～5的邏輯電路平信號(hào)，而現(xiàn)場工作信號(hào)是按鈕、行程開關(guān)。輸入電路完成電平轉(zhuǎn)換任務(wù)，同時(shí)為了系統(tǒng)的安全和可靠，還要考慮信號(hào)的濾波和隔離問題。 本系統(tǒng)采用的是光電隔離及電平轉(zhuǎn)換電路。光電耦合器以光電轉(zhuǎn)換原理傳輸信息，它不僅使信息發(fā)出端(收側(cè))與信息接收并輸出端(二次側(cè))是電絕緣的，從而對(duì)地電位差干擾有很強(qiáng)的抑制能力，而且有很強(qiáng)的抑制電磁干擾能力，且速度高、價(jià)格低、接口簡單，因而得到廣泛的應(yīng)用。光電耦合器的一次側(cè)都是發(fā)光二極管，但是二次側(cè)側(cè)則有多種結(jié)構(gòu)，如光敏二極管、光敏晶體管等，因而就有二極管-二極管光電耦全器、二極管一晶體管光電耦全器等多種型號(hào)的光電耦全器。本系統(tǒng)選用 TPL521-4，它在同一個(gè)封裝內(nèi)4個(gè)相同而獨(dú)立的光電耦合器。TPL521主要用于工業(yè)控制中，其速度不高。 (5)輸出電路 輸出電路主要包括兩部分：一是隔離，二是功率放大。在順序控制系統(tǒng)中，單片機(jī)輸出的控制信號(hào)常用來控制繼電器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它們需要較大的功率，因此輸出信號(hào)需要光隔離和放大后才輸出到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 2 織機(jī)選色器的功能設(shè)計(jì) 織機(jī)選色控制器是一個(gè)可以編程的順序控制器。它有兩個(gè)工作狀態(tài)：編程狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)。編程狀態(tài)的主程序的功能為更新顯示器上顯示的內(nèi)容、用戶鍵入編輯相應(yīng)的用戶程序。鍵盤有MOD、TAB、INC、DEC、ENT這5個(gè)鍵，用于輸入程序和參數(shù)。下面介紹這些鍵的功能。 MOD模式鍵：用于編程狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)之間的切換。編程狀態(tài)下，用戶可以完成用戶程序的編輯;運(yùn)行狀態(tài)下，用于顯示程序執(zhí)行的步驟。 TAB光標(biāo)移動(dòng)鍵：用于屏幕光標(biāo)的移動(dòng)，隨著光標(biāo)處于不同的變量位置，表明此變量處于編輯狀態(tài)。此變量可以編輯。 INC增加鍵：在編程狀態(tài)下，按下此鍵，光標(biāo)所在位置的變量加1。 DEC減少鍵：在編程狀態(tài)下，按下此鍵，光標(biāo)所位置的變量減1。 ENT確認(rèn)鍵：變量改變后，按此鍵確認(rèn)更改。 為了使織機(jī)選色器能按照用戶輸入的程序執(zhí)行，我們?cè)O(shè)定了固定的程序格式。用戶按此格式輸入用戶程序，織機(jī)選色器就可按程序進(jìn)行工作。其格式如下： 程序號(hào)段號(hào)色號(hào)緯數(shù)最大段號(hào)程序號(hào)：表示執(zhí)行或編輯的程序名稱。 段號(hào)：表示程序步的標(biāo)號(hào)。 色號(hào)：表示此次選中的顏色。 緯數(shù)：表示打緯的次數(shù)。 最大段號(hào)：表明程序循環(huán)段數(shù)。 使用以上定義的幾個(gè)鍵，就可以完成用戶程序輸入。在開機(jī)后處于運(yùn)行狀態(tài)中，此時(shí)執(zhí)行監(jiān)控中的鍵盤、顯示器管理程序，輸入信號(hào)監(jiān)控。根據(jù)輸入信號(hào)執(zhí)行用戶預(yù)先存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。 3 具體軟件設(shè)計(jì)方案 用戶通過鍵盤編寫用戶程序，為此在外部存儲(chǔ)空間中預(yù)留一定的存儲(chǔ)空間供用戶存儲(chǔ)用戶程序。用戶可以隨時(shí)調(diào)用、查看、編輯自己的選色程序。具體做法根據(jù)程序號(hào)確定高位址，根據(jù)段號(hào)確定低位地址，然后向不同字節(jié)寫入色號(hào)和緯數(shù)的信息，最大段號(hào)存放在一個(gè)固定的地址中。在工作過程中，同樣根據(jù)程序號(hào)確定高位地址，根據(jù)段號(hào)確定低位地址，然后讀出存放在不同字節(jié)內(nèi)的色號(hào)和緯數(shù)信息。 4 MCU內(nèi)部資源配置 和普通的ASIC設(shè)計(jì)相比較，PsoC的設(shè)計(jì)首先必須完成片內(nèi)功能模塊的設(shè)計(jì)。因此，可配置片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程和集成開發(fā)環(huán)境上也與通用的ASIC設(shè)計(jì)流程及集成開發(fā)環(huán)境有所不同。PSoC設(shè)計(jì)必須首先完成芯片內(nèi)部資源的規(guī)劃，其片內(nèi)資源設(shè)計(jì)流程具體為： *確定系統(tǒng)需求; *選擇用戶模塊; *放置用戶模塊; *設(shè)置全局變量和用戶模塊參數(shù); *定義輸出引腳; *產(chǎn)生應(yīng)用代碼; *編輯應(yīng)用代碼。 因此，在集成開發(fā)環(huán)境內(nèi)按照設(shè)計(jì)流程完成設(shè)備編輯器參數(shù)配置。 圖2 4.1 用戶模塊的選擇和放置 選擇Timer16、Timer8、PGA、SAR6、LCD模塊，如圖2所示。IDE內(nèi)含用戶模塊描述、說明，以及用戶指導(dǎo)/代碼摘錄、閱讀模塊的用戶指導(dǎo)信息，以供配置使用。數(shù)字模塊放置一般沒有什么限制，盡量使用基本類型的數(shù)字模塊;模擬模塊只能放置在允許的位置。 4.2 設(shè)置全局變量和用戶模塊參數(shù) 全局資源 24V1=16 ;配置系統(tǒng)時(shí)鐘一 24V2=16 ;配置系統(tǒng)時(shí)鐘二 Timer16模塊 Clock=CPU_32KHz ;時(shí)鐘選擇 Capture=Low ;捕捉功能關(guān) Period=65535 ;配置period CompareValue=Terminal Count ;指定中斷類型 InterruptType=Terminal Count ;指定中斷類型 Output=None Timer8模塊 Clock=CPU_32KHz ;時(shí)鐘選擇 Capture=Low ;捕捉功能關(guān) Period=255 ;配置period CompareValue=Terminal Count ;指定中斷類型 InterruptType=Terminal Count ;指定中斷類型 Output=None PGA模塊 Gain=1 ;單元增益 Input=AnalogColumn_InputMUX_3 ;信號(hào)輸入 Reference=AGND ;參考地 Analogbus=Disable ;輸出總線 AnalogColumn_InputMUX_3=PORT_0_2;輸入總線 Specify Pinout P0[2]=Analog_Input ;模擬輸入引腳 SAR6模塊 SignSource=ACA03 ;信號(hào)選擇 ClockPhase=Normal ;時(shí)鐘選擇 LCD模塊 LCDPort=Port_0 ;數(shù)據(jù)口 BarGraph=Enable ;啟用 4.3 定義輸出引腳 輸入/輸出引腳指定 P2[2]=StdCPU RisingEdge(Int);選色 P2[3]=StdCPU DisablrInt ;倒棕輸入 P2[4]=StdCPU DisablrInt ;加緯 P2[5]=StdCPU DisablrInt ;減緯 P1[1]=AnalogColumn_InputMUX_3(High Z)鍵盤輸入 4.4 產(chǎn)生應(yīng)用代碼 在完成功能模塊的參數(shù)配置工作后，系統(tǒng)就自動(dòng)生成應(yīng)用程序接口API和中斷服務(wù)程序ISR，并且自動(dòng)插入到工程項(xiàng)目中。設(shè)計(jì)工程師可在此基礎(chǔ)之上填寫應(yīng)用代碼，完成用戶程序的編制。 結(jié)語 總的來說，在基于PSoC的選色控制系統(tǒng)中，除了個(gè)別無法集成的器件以外，選色控制系統(tǒng)所應(yīng)用的大部分器件均可以集成到PSoC芯片中去，應(yīng)用系統(tǒng)電路板變得很簡潔，這對(duì)于減小系統(tǒng)的體積和功耗、提高系統(tǒng)的可靠性都是非常有利的。與傳統(tǒng)解決方案相比，可配置嵌入式片上系統(tǒng)提供的解決方案具有無法比擬的優(yōu)越性。