家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計(3):利用片上系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)

第2部分中，我們介紹了基于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的家庭自動化系統(tǒng)的架構(gòu)。在第3部分，我們將展示如何利用片上系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計基本的家庭自動化系統(tǒng)。
SoC架構(gòu)能將系統(tǒng)的大部分功能集成到單個芯片中，以縮短上市進(jìn)程和減少材料清單成本。由于這種集成方法將實現(xiàn)方案隱藏在芯片中，因此對系統(tǒng)進(jìn)行反向工程的難度加大。
除了加速設(shè)計外，SoC還可提供幾種有助于OEM廠商在嵌入式市場中取得成功的業(yè)務(wù)優(yōu)勢：
1.更低的成本：集成組件的總成本顯著高于單個SoC的成本。
2.更快的上市進(jìn)程：考慮到設(shè)計人員能利用更少的外部組件實現(xiàn)更小的系統(tǒng)，因此SoC能縮短產(chǎn)品上市所需的時間。
3.簡化的系統(tǒng)可變性：SoC具有不同的接口和功能，因此可基于相同SoC設(shè)計多個家庭自動化系統(tǒng)。這樣更利于在系統(tǒng)中使用SoC并保持架構(gòu)不變，使設(shè)計工作更趨近于即插即用方式。使用單個器件能減少組件數(shù)量，從而實現(xiàn)更小型的解決方案。
SoC提供不同級別的集成度。例如，賽普拉斯的PSoC系列MCU集成了家庭自動化系統(tǒng)所需的大部分組件，只需外部傳感器和有限數(shù)量的無源組件即可。此外，PSoC架構(gòu)內(nèi)的通用數(shù)字模塊(UDB)提供可編程硬件邏輯，使設(shè)計人員能夠在可編程邏輯模塊 (PLD)中集成定制數(shù)字邏輯，以實現(xiàn)更高的集成度。
系統(tǒng)要求：
1.采樣多個傳感器的ADC
2.連接各種外設(shè)的SPI通信接口
3.連接RTC 的I2C通信接口
4.十六進(jìn)制鍵盤接口
5.面向紅外遙控器的IrDA接口
6.用于驅(qū)動驅(qū)動器電路的輸出引腳
系統(tǒng)級設(shè)計
為協(xié)助用戶采用SoC架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，芯片制造商提供了專用工具。這些工具有助于管理通信任務(wù)和通過SoC的數(shù)據(jù)流，便于建立可靠的固件并配置可編程邏輯資源。例如，賽普拉斯的PSoC Creator提供圖形化設(shè)計界面，允許開發(fā)人員快速使用經(jīng)過預(yù)先驗證的生產(chǎn)就緒型組件，且組件具有簡化的配置和易于使用的API等。


圖1：PSoC Creator 中顯示的家庭自動化系統(tǒng)架構(gòu)


圖1給出了完整的家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計。所用的各種組件包括：
A.ADC：ADC可用來從溫度和氣體傳感器中獲取讀數(shù)，對傳感器進(jìn)行采樣，并提供數(shù)字值以供CPU制定智能控制決策。
B.熱敏電阻：該組件提供一個API，用以將與溫度傳感器對應(yīng)的數(shù)字讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度。
C.SPI：SPI組件可與NFC、以太網(wǎng)等各種外設(shè)直接連接。該接口使用一個額外的解復(fù)用器來連接采用單個主機(jī)的多個通信模塊。
D.I2C：I2C組件連接到RTC，而且可方便地進(jìn)行擴(kuò)展以連接任意I2C從設(shè)備。
E.十六進(jìn)制鍵盤：這是一個在設(shè)計環(huán)境內(nèi)部實現(xiàn)的定制組件。該組件采用由UDB設(shè)計的狀態(tài)機(jī)，讀取4x4鍵盤中檢測到的按鍵輸入。
F.IrDA解碼器：該組件接收來自IrDA接收器的信號，對信號進(jìn)行解碼，并將譯碼結(jié)果提供給CPU進(jìn)行評估和處理。


【系列文章】
家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計(1):一般設(shè)計考慮因素
家庭自動化系統(tǒng)設(shè)計(2):基于星形拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)






定制組件的內(nèi)部電路：SoC設(shè)計工具使開發(fā)人員能夠靈活性地利用常見系統(tǒng)模塊設(shè)計定制組件，并通過易于使用的模塊隱藏復(fù)雜電路。以上設(shè)計采用兩種定制組件：
A.IrDA解碼器：該模塊能解碼由RC5協(xié)議編碼的紅外信號。RC5數(shù)據(jù)包一般有14位，以曼徹斯特編碼格式發(fā)送。



圖2：曼徹斯特編碼遠(yuǎn)程輸出


Bit Extractor模塊按照以下方式從來自TSOP IrDA接收器的輸入信號恢復(fù)位和時鐘。第一個XOR門電路從信號中恢復(fù)埋時鐘。該信號以串行時鐘3/4的周期觸發(fā)PWM組件。當(dāng)PWM到達(dá)最終計數(shù)時會觸發(fā)第二個DFF，用以采樣反轉(zhuǎn)信號。反轉(zhuǎn)的DFF輸出信號在傳送到移位寄存器之前被再次反轉(zhuǎn)。利用查找表 (LUT) 來計算接收到的位數(shù)，當(dāng)收到第14個位時觸發(fā)一個中斷。在該中斷內(nèi)，CPU讀取存儲在移位寄存器中的接收數(shù)據(jù)。



圖3：IrDA解碼器電路圖


B.十六進(jìn)制鍵盤：十六進(jìn)制鍵盤為16按鍵輸入，分為四行和四列以提供 (4 x 4 =) 16個唯一按鍵。在給定組件中，其中一個列引腳被置成低電平，同時讀取行。如果未檢測到按鍵動作，那么下個列引腳置為低電平，并將前一個引腳置為高電平。當(dāng)相應(yīng)的列引腳置為低電平時如果有一個行引腳變?yōu)榈碗娖?，那么此時檢測到按鍵動作。按鍵動作檢測會讓“有效”行變?yōu)楦唠娖?。這個有效終端可用來產(chǎn)生中斷。在中斷內(nèi)，CPU會讀取“Key_Reg”寄存器以獲取關(guān)于該按鍵的信息。



圖4：十六進(jìn)制鍵盤解碼器電路圖