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,。

人們在各種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,。    4.1 用戶模塊的選擇和放置

為了便于用戶根據(jù)不同的實(shí)際需要對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在器件庫中,。用戶通過使用其提供的集成開發(fā)平臺（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,。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)對多個(gè)開關(guān)信號量的控制,。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：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，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中斷，各個(gè)內(nèi)部數(shù)字和模擬模塊也可以申請中斷,。因此本系統(tǒng)可以根據(jù)要求,，方便靈活地申請執(zhí)行多個(gè)中斷。

經(jīng)過對上述各項(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,，2×4的鍵盤，8KB的存儲器,。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,，它完成對輸入信號的判斷和邏輯運(yùn)算,，產(chǎn)生時(shí)序控制信號，對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）存儲器

存儲器用來存儲工作參數(shù)和用戶應(yīng)用程序,。隨機(jī)存儲器有動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲器DRAM和靜態(tài)隨機(jī)存儲器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。在保持狀態(tài)的情況下,，VCC可降至3V左右,，內(nèi)部所存儲數(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，而現(xiàn)場工作信號是按鈕,、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,，我們設(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：表示執(zhí)行或編輯的程序名稱,。

段號：表示程序步的標(biāo)號。

色號：表示此次選中的顏色,。

緯數(shù)：表示打緯的次數(shù),。

最大段號：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,，輸入信號監(jiān)控。根據(jù)輸入信號執(zhí)行用戶預(yù)先存儲在存儲器內(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,，為此在外部存儲空間中預(yù)留一定的存儲空間供用戶存儲用戶程序。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)程序號確定高位址,，根據(jù)段號確定低位地址,，然后向不同字節(jié)寫入色號和緯數(shù)的信息，最大段號存放在一個(gè)固定的地址中,。在工作過程中,，同樣根據(jù)程序號確定高位地址，根據(jù)段號確定低位地址,，然后讀出存放在不同字節(jié)內(nèi)的色號和緯數(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

 

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,。