基于嵌入式PsoC的MCU选色控制器设计

阐述Cypress公司的可配置片上系统（PSoC）的功能及其实现结构；结合选色控制器开发实例，详细阐述使用PsoC开发的方法和流程。其设计方法也可用于其它控制系统或工业自动化等各种应用。

引言

　　最近几年，随着电子技术及半导体工艺的迅猛发展，片上系统（SoC），特别是可配置片上系统PsoC（Programmable System on Chip），已逐渐成为微控制器的主流产品。因此，要求设计工程师必须迅速地掌握SoC的开发特点和要求，尽快融入SoC的开发大潮中去。但是，SoC系统设计带来了与传统系统设计全然不同的挑战，其中包括从处理器和存储器的选择到产品环境的考虑。如果设计工程师能够深入理解SoC的开发特点，并且考虑部件之间如何交互，以及各种因素带来的影响等问题，就可以直接提高产品设计的成功率和开发效率，降低系统开发的复杂性和费用，同时增强系统的可靠性和抗干扰能力。

　　文章根据本人的开发经历，结合选色控制器的开发过程，为设计工程师提供指导，从所有层面上帮助他们为今后的设计项目做更好的准备。

　　人们在各种各样的微控制器和嵌入式控制系统设计过程中发现，并非不同的设计就必须用到完全不同的外围器件；相反，这其吸大量共的部分，因此，启发了芯片设计工程师建立此种可配置微控制器。在芯片内建立一些通用的数字和模拟块（digital and analog block），把它们配置成微控制器的各种功能模块（Module）。这样，在ASIC设计过程中，应用工程师就可以根据自己的不同设计要求调用不同的功能模块，完成芯片内部的功能配置，实现使用一块芯片就可以配置成具多种不同外围器件的微控制器。

　　目前，市场上有Cypress MicroSystems，InC和Cygnal Integrated Products，Inc生产可配置的SOC微控制器。本控制系统选用Cypress MicroSystems,Inc生产的M8C内核PsoC微控制器作为控制核心。

下面我们首先熟悉开发的任务要求。选色控制器是一个由信息采集、键盘、显示及输出驱动等部分组成的控制系统，主要用来取代进口和国产剑杆织机上的纸带输入式光电纬纱选色器。

　　为了便于用户根据不同的实际需要对工作方式及其它参数进行修改，要求所有的参数及组态均可通过面板睥几个操作键进行输入、检查、修改；并可在突然并机的情况下，重新开机后，自动恢复断点参数信息。

　　根据用户提出的技术指标，我们还必须把它进步量化，并且进一步完成功能设计方案。

1 硬件方案设计

1.1 选择微处理器

　　在设计任务确定后，应对控制系统所需要的硬件做出初步估计和选择。微处理器是整个控制系统的核心，它的选择将对整个控制系统产生决定性的影响。一般应从以下几个方面考虑微处理器是否符合控制系统的要求：字长、指令的种类和数量、内部寄存器的种类数量、微处理器的速度、中断处理能力以及微处理器的外围电路配套等。对于外围器件的来源、软件的运行等也是设计人员必须考虑的因素，因为其涉及到整个系统实时控制能力以及硬件和应用程序的分开。

　　Cypress MicroSystems，Inc生产的PsoC是新一代功能强大的8位可配置微控制器。PsoC微控制顺片内有8根独立的输入和输出总线，分别与数字和模block相连。其内部可用的block资源包含：4个基本类型和4个通信类型的数字block，各有3个CT、SCA和SCB类型模拟block。使用这些资源可以配置成不贩功能模块，用以实现微控制器标准外围器件的功能。

使用基本类型数字block可配置：

*计数器（counter）；

*定时器（timer）；

*脉宽调制（PWM）；

*循环冗余码校验（CRC）串行接收（serial receiver）。

使用通信类型数字block可配置：

*基本数字block；

*串行发送（serial transmitter）;

*串行接收（serial receiver）;

*SPI主端（SPI Master）;

*SPI从端（SPI Slave）。

使用模拟block可配置：

*多极滤波器（multi-pole filters）;

*放大器（gain stages）;

*数模转换（DACs）;

*模数转换（ADCs）。

　　在模块功能设计方面，Cypress公司把各种常用处理器的外围器件作为设计Module的标准，把芯片内数字和模拟block资源组配成标准的功能模块（module），并把这些功能模块存储在器件库中。用户通过使用其提供的集成开发平台（IDE），调用这些功能模块、设定模块时钟输入，配置全局变量和局部变量，设定用户功能参数，完成功能模块的配置。另外，这些功能模块还可以相互连接，以完成更加复杂的功能。因此，通过合理的配置数字和模拟block就可以在片内实现大部分外围器件的工作。并且，由于设定的参数量存储在片内Flash中，因此，无论是在设计之初，还是在产品应用现场，工程师均通过软件重新配置数字和模拟block参数，从而增加/删除功能模块，定义输入/输出引脚，完成硬件升级。这就是可编程嵌入式片上系统的动态重新配置能力（Dynamic ReConfigurability）。因此，可配置片上系统（PSoC）允许用户根据自己的需求，定义整个系统所需要的功能模块的种类和数量，分配芯片的资源，完成芯片内部的功能配置。

　　对于本控制系统来说，可以利用其内部的多个定时器功能模块，完成各个动作之间的间隔和定时，从及复杂的逻辑关系；利用A/D、PGA模块，实现键盘输入等功能；利用液晶模块，实现参数的显示等功能；利用PsoC具有I/O多的特点，可以方便地实现对多个开关信号量的控制。因此，利用PsoC就可以实现使用一块芯片来配置多种不同外围元器件微控制器。建立一种可配置控制器，可以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并在片内完成整个选色控制器的设计过程。

　　本系统使用PSoC微控制器具有三个明显优势：①通过使用数字和模拟block配置不同的外围器件，大量的外围器件可以设计成SoC；②通过使用内部总线连接用户所选的功能，用户可以建立实际系统信号链，减少大量的外部线路，甚至可以重新分配输入/输出引脚，帮助优化电路板的布局；③最大的益处是它可以实时重新定义模块功能，迅速完成硬件升级，能够适应非常复杂的实时控制需求，同时增强系统的可靠性和抗干扰能力。

1.2 确定总体控制方案

　　选色控制方式是一种典型的顺序控制方式。顺序控制是工业自动控制系统中一种常见的控制方式，其控制系统一般具有以下一些特性：开关信号量多、定时范围大、逻辑关系复杂、可靠性要求高等。因此，在总体方案设计时必须考虑其控制特点。

　　PSoC微处理器的所有输入/输出引脚都可以申请中断，各个内部数字和模拟模块也可以申请中断。因此本系统可以根据要求，方便灵活地申请执行多个中断。

　　经过对上述各项认真分析后，就可以画出整个系统的概略框图。本选色控制系统是由存储器、输入/输出电路、液晶显示模块、键盘电路等部件构成，其系统组成如图1所示。

1.3 具体硬件设计方案

　　进入具体设计阶段，必须认真考虑和反复权衡硬件和软件的分工及比例。

　　硬件和软件设计过程必须同时进行，两者相辅相成。对于本控制系统的设计来说，由于大部分外围器件的功能是在微控制器片内实现的，因此，外部硬件的主要工作集中在输入/输出接口设计上，而输入/输出接口设计又往往和控制程序交织在一起。此外，存储器的连接和扩充也是必做的工作。

　　硬件设计过程中，器件应注意筛选，在布线和安排时，注意制作技术和装配技术，以克服电气干扰。下面就是具体的硬件设计：在单片配备8位液晶显示器，2×4的键盘，8KB的存储器。输入/输出都采用光电隔离，每一路输出还经过功率放大。

（1）PSoC微控制器

　　PSoC微控制器控制系统中最主要的部件，它完成对输入信号的判断和逻辑运算，产生时序控制信号，对PSoC微控制器的配置可以通过其系统提供的IDE集成开发平台上的图形化工具来完成。选择本控制系统所需的计时器、放大器、液晶等功能模块，配置其内部参数，指定其输入与输出关系，主、输出引脚。在全局变量部分要配置CPU的工作频率、系统时钟、中断、电荷泵以及其它特性，以此完成PSoC微控制器片内配置。

（2）存储器

　　存储器用来存储工作参数和用户应用程序。随机存储器有动态随机存储器DRAM和静态随机存储器SRAM两种。DRAM虽然价格低，但它需要不断刷新。PSoC单片机没有刷新功能，为了使用DRAM，不得不增加刷新电路。这样总的价格并不低，且使电路复杂化，可靠性降低，因此本系统中采用SRAM