在選擇微控制器的過程中,，一個重要的特征是其與周圍環(huán)境的全面連接能力,?；谖⒖刂破鞯南到y(tǒng)必須具有一個至傳感器的簡易型廉價接口以及通信接口等等。賽普拉斯公司的可編程系統(tǒng)級芯片（PSoC）架構(gòu)提供了適合各種應用且靈活性和經(jīng)濟性極佳的解決方案,。
本文將著重介紹CY8C24794 PSoC芯片,。如下文所述，它具有四個主要部分：PSoC內(nèi)核,、數(shù)字系統(tǒng),、模擬系統(tǒng)和包括一個全速USB端口的系統(tǒng)資源,。這種架構(gòu)使得用戶能夠創(chuàng)建與各應用的要求相吻合的定制外設配置。USB接口再加上可配置模擬和數(shù)字外設,，使得CY8C24794在與其外部環(huán)境的連接中擁有了最佳的通用性,。
PSoC內(nèi)核包括：
·一個8位、4MIPS CPU
·16kbytes程序快速擦寫ROM
·1Kbytes數(shù)據(jù)RAM
·精度達±0.25%的內(nèi)部24MHz振蕩器（在USB應用中）
·睡眠和看門狗定時器
·低速32kHz振蕩器
·通用型輸入/輸出引腳IO（GPIO）允許把任何引腳用作數(shù)字輸入或輸出,，并將大多數(shù)引腳用作模擬輸入或輸出。每個引腳均可被用作一個數(shù)字或模擬中斷,。
數(shù)字系統(tǒng)由4個數(shù)字PSoC塊組成,。如下圖所示，每個塊都是一個8位資源,，既可單獨使用,，也可與其他塊相組合以形成外設。
可能的外設包括：
·PWM（8位～32位）
·具有不工作區(qū)的PWM（8位～24位）
·計數(shù)器（8位～32位）
·具有可選奇偶性的8位UART
·SPI主控器和從動器
·循環(huán)冗余校驗器/發(fā)生器（8位～32位）
·偽隨機序列發(fā)生器（8位～32位）
這些數(shù)字塊可通過一系列通用總線與任何GPIO相連,。這些總線還為進行信號多路復用和邏輯運算創(chuàng)造了條件,。
下圖所示的模擬系統(tǒng)包括6個可配置塊，每個塊由一個運算放大器電路組成,，從而實現(xiàn)了復雜模擬信號流的生成,。模擬外設具有非常高的靈活性，并可通過客戶化設計來支持特定的應用要求,。
一些更加常用的PSoC模擬部件是：
·濾波器（雙極點和四極點帶通,、低通和陷波濾波器）
·放大器（多達2個，具有至48倍的可選增益）
·儀表放大器（1個,，具有至93倍的可選增益）
·比較器（多個2個,，具有16種可選門限）
·DAC（多達2個，具有6位～10位分辨率）
·SAR型ADC（多達2個,，具有6位分辨率）
當與數(shù)字塊組合時,，用戶還能夠生成額外的部件，包括：
·增量型ADC（多達2個,，具有6位～14位分辨率）
·增量-累加（ΔΣ）型ADC（1個,，在62.5ksps采樣速率條件下具有8位分辨率）
附加的系統(tǒng)資源可提供適用于完整系統(tǒng)設計的更多功能。這些資源包括：
·具有5個可配置端點和256bytes RAM的全速USB（12Mbps）,，只需要2個外部串聯(lián)電阻器,。
·硬件I2C通過兩根電纜提供了100kHz和400kHz通信。支持從模式,、主模式和多主模式,。
·數(shù)字時鐘分頻器提供了三種適合不同應用的可定制時鐘頻率?？赏ㄟ^布線使時鐘與數(shù)字和模擬系統(tǒng)相連,。
·兩個乘法累加單元（MAC）提供了具有16位結(jié)果的快速帶符號8位乘法和32位累加運算功能,，旨在幫助進行通用數(shù)學和數(shù)字信號處理。
·抽取器提供了一個針對數(shù)字信號處理應用（包括ΔΣ型ADC的形成）的定制硬件濾波器,。
·低電壓檢測（LVD）中斷能夠指示電壓電平的下降,，而先進的POR（上電復位）電路則免除了增設一個系統(tǒng)監(jiān)控器的需要。
·內(nèi)部1.3V基準提供了一個用于模擬系統(tǒng)（包括ADC和DAC）的絕對基準
·通用型模擬多路復用器系統(tǒng),。
當選擇一個控制器時,，設計師必須了解需要多少個模擬輸入。對于只需要6個輸入的系統(tǒng),，8個輸入是否足夠,？需求會不會進一步提高？一個特殊的控制器系列能夠處理多少個模擬輸入,？CY8C24794通過允許將其多達6個I/O端口與一個模擬多路復用器相連的方法（從而可將48個引腳用于模擬信號）解決了該問題,。下圖對此進行了詳細的圖示。
圖4：CY8C24794 I/O模擬多路復用器總線/系統(tǒng)連接
一個I/O模擬多路復用器實際是兩根總線,，如果需要的話,，可在內(nèi)部進行連接。它實質(zhì)上就是一個大型交叉開關,，允許將 任何引腳連接至一個模擬控制系統(tǒng)的模擬陣列,。每個引腳都具有一個開關，當被選擇時則與一根模擬總線相連,。如果模擬陣列和數(shù)字塊被配置成一個ADC,，則將能夠檢測多達48個輸入信號的電壓。
與模擬多路復用器總線相連的還有一個電流源,。該電流DAC是可選的,，并具有兩個調(diào)節(jié)范圍，即：0μA～20μA或0μA～400μA,。如欲讀出一個電阻值,，則只需：
1 將電阻連接至一個引腳
2 把該引腳連接至模擬總線
3 啟動電流DAC
4 利用同樣連接至該總線的ADC來測量負載電壓。該電壓是電阻與電流的乘積,。
為了獲得超高準確度,，一種方法是犧牲一個引腳來換取一個基準電阻器。將該電阻器連接至總線,，并測量其兩端的負載電壓,。然后，斷開該電阻器,、連接所需的電阻器并測量其負載電壓,。這兩個電壓讀數(shù)之比就等于兩個電阻器的阻值之比。電流準確度中的任何誤差都將下降,。此時,，測量的準確度完全取決于基準電阻器的準確度,。
加至模擬多路復用器上的一個放電開關可被用來測量電容。當受到DC電流的激勵時,，與電阻器將產(chǎn)生一個DC負載電壓
不同,，電容器生成的是一個斜坡電壓。該斜坡速率與激勵電流成正比,，而與測量電容成反比,。為了方便該轉(zhuǎn)換速率的測量，模擬部分被配置成一個采樣比較器,。電容器被連接至總線,，從而產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換信號。當該信號達到比較器的調(diào)整點時,，放電開關進入工作狀態(tài)，導致電容器放電回零,。開關隨后釋放,，該循環(huán)繼續(xù)進行。這個過程被稱為弛張振蕩,。顯然,，這種循環(huán)的頻率與施加的電流成正比，而與電容成反比,。比較器輸出被饋至數(shù)字部分,，這里已經(jīng)配置了一個頻率計數(shù)器或周期定時器。電容可從測量數(shù)字信號推導出來,。
有多種換能器可將信號轉(zhuǎn)換成電容,，比如顯微機械加工加速器。電容的一項重要應用是測量手指的存在與否,。該技術(shù)可被用于電容性觸摸開關的移植,，這種觸摸開關正在逐漸取代消費類電子產(chǎn)品（比如：MP3播放器、筆記本電腦和移動電話）中的按鈕和開關,。電容性觸摸開關提供了一種獨特的用戶體驗,，而且不易受到潮濕以及其他環(huán)境因素的損壞。
風扇控制應用
PSoC器件的常見應用之一便是風扇控制,。PSoC架構(gòu)的超群集成度使得實際風扇控制應用的元件數(shù)量減少了25個以上,。我們將研究下面方框圖中所示的一種速度受控型風扇實例。
對所需的溫度進行測量,，并將測量值用于定義期望的風扇速度（調(diào)整點）,。最初，對于20℃以下的溫度,，該參數(shù)為2000RPM,；對于70℃以及更高的溫度,，該參數(shù)則為7000RPM，并且隨著這些極限值之間的溫度呈線性變化,。這些是初始值,；它們必須能夠由主機通過I2C接口來改變。輸送至風扇的功率由一個脈寬調(diào)制器（PWM）來控制,。其頻率應接近1kHz,。一個轉(zhuǎn)速計被連接至風扇，用于測量其速度,?？刂扑惴ㄇ蟮闷谕俣扰c測量速度之差（誤差），并用它來確定PWM的合適占空比,。與溫度一樣,，這些控制參數(shù)的設定值也必須能夠通過I2C主機來改變。
PWM是利用一個數(shù)字塊來實現(xiàn)的,。所做的一項改進是采用了另一個數(shù)字塊來生成一個具有50.2%（128/255）占空比的偽隨機脈沖流,。當把該信號連接至PWM啟動引腳時，PWM的工作頻率將是一個連續(xù)啟動的PWM的50.2%,，如下圖所示,。
這種方案的好處是輸出頻率現(xiàn)在擁有了一個±3%的高頻抖動。這顯著地降低了峰值諧波EMI輻射,。
脈沖寬度的改變將在軟件的控制之下進行,。
轉(zhuǎn)速計電路由兩個數(shù)字塊（被配置為一個16位定時器）和一個連續(xù)模擬塊（被配置為一個比較器）組成，用于調(diào)節(jié)風扇的轉(zhuǎn)速計信號,。
風扇速度是通過測量兩個脈沖之間的時間長度來確定的,。比較器與列比較器總線0相連，后者又與定時器的捕獲信號相連,。風扇的標稱轉(zhuǎn)速為2000rpm～7000rpm,。選定的風扇具有4個極點，因此標稱范圍將具有133Hz（2000×4/60）和467Hz的標稱頻率,。當采用一個用于實現(xiàn)定時器同步的2MHz系統(tǒng)時鐘時,，可以測量長達328mS或31Hz的脈沖寬度。
一個熱敏電阻將被用來測量溫度,。所選的產(chǎn)品型號是muRata NTH5G16P33B103J07TH,，其溫度-電阻關系如下。
如欲測量熱敏電阻的阻值,，則把一個熱敏電阻和一個10k基準電阻器連接至可以使用模擬多路復用器MUX1的引腳,。連續(xù)時間模擬塊被配置為一個緩沖器，其輸入與模擬MUX總線1相連,。該列中剩余的兩個塊和一個數(shù)字塊被 配置為一個14位ADC,，如下圖所示,。
該ADC的設定輸入范圍為0V～2.6V。電流DAC被接通,，并針對一個200μA電流進行了設置,。即使在20℃的溫度條件下，負載電壓也為2.4V,。對于ADC的輸入范圍而言這是合適的,。
最后考慮的是4個模擬塊和5個數(shù)字塊的資源使用。這似乎超出了可用資源的范疇,。PSoC資源不僅是可配置的,；而且還是動態(tài)可重構(gòu)的。由于轉(zhuǎn)速計和ADC永遠不會同時使用,，因此它們可以共享數(shù)字資源,。配置一個ADC并加以使用。然后配置一個轉(zhuǎn)速計并使用,。在該應用中,，4個數(shù)字塊實際上起到了5個數(shù)字塊的作用，也就是說數(shù)字塊資源的利用率達到了125%,。
I2C從屬用戶模塊具有極佳的易用性。對于本例來說,，端口5的靠下的7個引腳被用來設定地址,。該用戶模塊只需要一個至其即將使用的RAM空間的指針。
就本例而言,，下列變量將被存儲于I2C存儲空間中,。
struct I2C_Space{/Memory Common to I2C
char cTem
p;
char cTempLowerLimit;
int iFanLowerRPM;
char cTempUpperLimit;
int iFanUpperRPM;
int iControlWeightFactor;
int iTachRPM;
} MyI2C_Space;
以下是使I2C接口正常運作所需的全部代碼：
EzI2Cslave_SetAddr((PRT5DR & 0x7f0));/Port 5 controls I2C address
EzI2Cslave_SetRamBuffer( 11, 11,(BYTE *) &MyI2C_Space );
EzI2Cslave_Start(void)
這些功能調(diào)用負責設定I2C地址、定義為I2C用戶模塊和程序的其余部分所共有的存儲空間,、并啟動該外設,。
下面的代碼列表示出了用于該風扇應用的控制環(huán)路。
while(1){
while(bSleepTimerTick !=0);
bSleepTimerTick = 0;
LoadConfig_ADC();
MyI2C_Space.cTemp = cGetTemp();
UnloadConfig_ADC();
LoadConfig_Tach();
MyI2C_Space.iTachRPM = iReadTach();
UnloadConfig_Tach();
UpdatePWM();
}
請注意,，ADC和轉(zhuǎn)速計始終處于被配置和重構(gòu)的狀態(tài)之下,。
下圖示出了完整的設計方案（所有的元件都被連接到了其適當?shù)囊_）。
圖8：風扇控制示意圖
該設計可以很容易地進行修改,，以增設更多的自動調(diào)溫器,。只需將每個自動調(diào)溫器連接至其自己的引腳并讀出其電阻即可。該通信接口以往采用的是I2C,，只需采用適當?shù)挠脩裟K便可輕而易舉地改為SPI,、UART或USB。
采用可編程系統(tǒng)級芯片的賽普拉斯CY8C24794微控制器為實現(xiàn)與各種傳感器和外圍設備的連接奠定了基礎,。其動態(tài)可重構(gòu)性有利于實現(xiàn)極 高的片上資源利用率,。對于我來說,，它是理想的嵌入式系統(tǒng)控制器選擇。