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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。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(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
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