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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(kāi)發(fā)實(shí)例，詳細(xì)闡述使用PsoC開(kāi)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(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(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)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(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(shè)計(jì)的成功率和開(kāi)發(fā)效率，降低系統(tǒng)開(kāi)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(kāi)發(fā)經(jīng)歷，結(jié)合選色控制器的開(kāi)發(fā)過(guò)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(guò)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(guò)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(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(qū)動(dòng)等部分組成的控制系統(tǒng)，主要用來(lái)取代進(jìn)口和國(guó)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(hù)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(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(jī)的情況下，重新開(kāi)機(jī)后，自動(dòng)恢復(fù)斷點(diǎn)參數(shù)信息。
根據(jù)用戶(hù)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(zhǎng)、指令的種類(lèi)和數(shù)量、內(nèi)部寄存器的種類(lèi)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(lái)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(kāi)。
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(lèi)型和4個(gè)通信類(lèi)型的數(shù)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(xiàn)微控制器標(biāo)準(zhǔn)外圍器件的功能。
使用基本類(lèi)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(lèi)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(kù)中。用戶(hù)通過(guò)使用其提供的集成開(kāi)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(hù)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(guò)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(wú)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(guò)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(hù)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(lèi)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(lái)說(shuō)，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(pán)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(kāi)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(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(xiàn)從確定系統(tǒng)功能開(kāi)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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