基于嵌入式PsoC的MCU选色控制器设计

liyf

基于嵌入式PsoC的MCU选色控制器设计

   摘要：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。
    关键词：PsoC(可配置片上系统) 选色控制器MCU
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——6264。
当6264的CE1为高电平或CE2为怦时时，6264处于低功耗的保持状态，此时流过的电源电流为维持电流，只有μA级。在保持状态的情况下，VCC可降至3V左右，内部所存储数据不会丢失。由此可见，只要在掉电之后保持CE1为高，并保持VCC大于3V，就可保持RAM中所存储数据不变，且消耗VCC的电流很小。由此可以建立数据存储保护电路。
（3）液晶模块
字符型液晶显示模块是一类专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶显示模块。字符型液晶显示驱动控制器广泛应用于字符型液晶显示模块上。目前PSoC微控制器内液晶模块仅支持HD44780U显示驱动控制器。
（4）输入电路
单片机只能接受0～5的逻辑电路平信号，而现场工作信号是按钮、行程开关。输入电路完成电平转换任务，同时为了系统的安全和可靠，还要考虑信号的滤波和隔离问题。
本系统采用的是光电隔离及电平转换电路。光电耦合器以光电转换原理传输信息，它不仅使信息发出端（收侧）与信息接收并输出端（二次侧）是电绝缘的，从而对地电位差干扰有很强的抑制能力，而且有很强的抑制电磁干扰能力，且速度高、价格低、接口简单，因而得到广泛的应用。光电耦合器的一次侧都是发光二极管，但是二次侧侧则有多种结构，如光敏二极管、光敏晶体管等，因而就有二极管-二极管光电耦全器、二极管一晶体管光电耦全器等多种型号的光电耦全器。本系统选用TPL521-4，它在同一个封装内4个相同而独立的光电耦合器。TPL521主要用于工业控制中，其速度不高。
（5）输出电路
输出电路主要包括两部分：一是隔离，二是功率放大。在顺序控制系统中，单片机输出的控制信号常用来控制继电器等执行机构，它们需要较大的功率，因此输出信号需要光隔离和放大后才输出到执行机构。
2 织机选色器的功能设计
织机选色控制器是一个可以编程的顺序控制器。它有两个工作状态：编程状态和运行状态。编程状态的主程序的功能为更新显示器上显示的内容、用户键入编辑相应的用户程序。键盘有MOD、TAB、INC、DEC、ENT这5个键，用于输入程序和参数。下面介绍这些键的功能。
MOD模式键：用于编程状态和运行状态之间的切换。编程状态下，用户可以完成用户程序的编辑；运行状态下，用于显示程序执行的步骤。
TAB光标移动键：用于屏幕光标的移动，随着光标处于不同的变量位置，表明此变量处于编辑状态。此变量可以编辑。
INC增加键：在编程状态下，按下此键，光标所在位置的变量加1。
DEC减少键：在编程状态下，按下此键，光标所位置的变量减1。
ENT确认键：变量改变后，按此键确认更改。
为了使织机选色器能按照用户输入的程序执行，我们设定了固定的程序格式。用户按此格式输入用户程序，织机选色器就可按程序进行工作。其格式如下：

程序号

段号

色号

纬数

最大段号

程序号：表示执行或编辑的程序名称。
段号：表示程序步的标号。
色号：表示此次选中的颜色。
纬数：表示打纬的次数。
最大段号：表明程序循环段数。
使用以上定义的几个键，就可以完成用户程序输入。在开机后处于运行状态中，此时执行监控中的键盘、显示器管理程序，输入信号监控。根据输入信号执行用户预先存储在存储器内的程序。
3 具体软件设计方案
用户通过键盘编写用户程序，为此在外部存储空间中预留一定的存储空间供用户存储用户程序。用户可以随时调用、查看、编辑自己的选色程序。具体做法根据程序号确定高位址，根据段号确定低位地址，然后向不同字节写入色号和纬数的信息，最大段号存放在一个固定的地址中。在工作过程中，同样根据程序号确定高位地址，根据段号确定低位地址，然后读出存放在不同字节内的色号和纬数信息。
4 MCU内部资源配置
和普通的ASIC设计相比较，PsoC的设计首先必须完成片内功能模块的设计。因此，可配置片上系统设计流程和集成开发环境上也与通用的ASIC设计流程及集成开发环境有所不同。PSoC设计必须首先完成芯片内部资源的规划，其片内资源设计流程具体为：
*确定系统需求；
*选择用户模块；
*放置用户模块；
*设置全局变量和用户模块参数；
*定义输出引脚；
*产生应用代码；
*编辑应用代码。
因此，在集成开发环境内按照设计流程完成设备编辑器参数配置。


图2

    4.1 用户模块的选择和放置
选择Timer16、Timer8、PGA、SAR6、LCD模块，如图2所示。IDE内含用户模块描述、说明，以及用户指导/代码摘录、阅读模块的用户指导信息，以供配置使用。数字模块放置一般没有什么限制，尽量使用基本类型的数字模块；模拟模块只能放置在允许的位置。
4.2 设置全局变量和用户模块参数
全局资源
24V1=16 ；配置系统时钟一
24V2=16 ；配置系统时钟二
Timer16模块
Clock=CPU_32KHz ；时钟选择
Capture=Low ；捕捉功能关
Period=65535 ;配置period
CompareValue=Terminal Count
；指定中断类型
InterruptType=Terminal Count
;指定中断类型
Output=None
Timer8模块
Clock=CPU_32KHz ；时钟选择
Capture=Low ;捕捉功能关
Period=255 ；配置period
CompareValue=Terminal Count
;指定中断类型
InterruptType=Terminal Count
；指定中断类型
Output=None
PGA模块
Gain=1 ；单元增益
Input=AnalogColumn_InputMUX_3
；信号输入
Reference=AGND ;参考地
Analogbus=Disable ；输出总线
AnalogColumn_InputMUX_3=PORT_0_2；输入总线
Specify Pinout P0[2]=Analog_Input
；模拟输入引脚
SAR6模块
SignSource=ACA03 ;信号选择
ClockPhase=Normal ；时钟选择
LCD模块
LCDPort=Port_0 ；数据口
BarGraph=Enable ；启用
4.3 定义输出引脚
输入/输出引脚指定
P2[2]=StdCPU RisingEdge(Int);选色
P2[3]=StdCPU DisablrInt ;倒棕输入
P2[4]=StdCPU DisablrInt ;加纬
P2[5]=StdCPU DisablrInt ;减纬
P1[1]=AnalogColumn_InputMUX_3(High Z)键盘输入
4.4 产生应用代码
在完成功能模块的参数配置工作后，系统就自动生成应用程序接口API和中断服务程序ISR，并且自动插入到工程项目中。设计工程师可在此基础之上填写应用代码，完成用户程序的编制。
结语
总的来说，在基于PSoC的选色控制系统中，除了个别无法集成的器件以外，选色控制系统所应用的大部分器件均可以集成到PSoC芯片中去，应用系统电路板变得很简洁，这对于减小系统的体积和功耗、提高系统的可靠性都是非常有利的。与传统解决方案相比，可配置嵌入式片上系统提供的解决方案具有无法比拟的优越性。