PSoC 是一種對于標準的"全數(shù)字式"微控制器設計、純粹的模擬設計以及介乎此二者之間的所有設計而言具有同等的高適用性的器件，是一種具有極端靈活且完全可編程的混合信號SOC 的基本原理的全新一代器件。PSoC系列單片機是在一個專有的MCU（Microprogrammed Control Unit）內核周圍集成了可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列PSoC塊，利用芯片內部的可編程互聯(lián)陣列，有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字塊資源，達到可編程片上系統(tǒng)的目的。賽普拉斯的PSoC（TM）混合信號陣列是可編程的片上系統(tǒng)（SOC），其集成了微控制器以及嵌入式系統(tǒng)中通常圍繞微控制器周圍的模擬及數(shù)字組件。采用一個微控制器，一個PSoC器件多可集成100種外設功能，從而幫助客戶節(jié)約設計時間和板上面積，降低了功耗，系統(tǒng)成本也可降低5美分到10美元不等。方便易用的開發(fā)工具使設計人員能夠準確選擇所需的外設功能，包括放大器、ADC、DAC、濾波器及比較器等模擬功能以及定時器、計數(shù)器、PWM、SPI和UART等數(shù)字功能。

　　靈活的PSoC資源令設計人員可以在設計、確認、生產過程中現(xiàn)場進行基于固件的改動，從而防止產品過時。PSoC的靈活性大大縮短了設計周期，從而可以實現(xiàn)臨上市前的性能改進。所有的PSoC器件都是可動態(tài)重配置的，使得設計人員能夠隨意在運行過程中改變內部資源形式，使用較少的元件完成既定任務。

　　賽普拉斯（CYPRESS）半導體公司日前宣布推出業(yè)界首款同時集成非易失性靜態(tài)隨機訪問存儲器（nvSRAM）與可編程片上系統(tǒng)的器件PSoC NV。該全新的PSoC NV產品系列將賽普拉斯旗艦PSoC架構的高度設計靈活性與nvSRAM的耐用性集于一身。PSoC NV器件集成了可由片上微控制器控制的可配置模擬和數(shù)字線路，更加便于設計修改，又可節(jié)約元件數(shù)。這款安全存儲數(shù)據(jù)記錄器件的目標市場包括計算、網(wǎng)絡、電信、汽車和工業(yè)市場等。

　　在選擇微控制器（將微型計算機的主要部分集成在一個芯片上的單芯片微型計算機）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）架構提供了適合各種應用且靈活性和經(jīng)濟性的解決方案。

　　本文將著重介紹CY8C24794 PSoC芯片。如上述示意圖1所示，即為CY8C24794 PSoC芯片。它具有四個主要部分：PSoC內核、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)境的連接中擁有了的通用性。

　　PSoC內核包括：

　　·一個8位、4MIPS CPU

　　·16kbytes程序快速擦寫ROM

　　·1Kbytes數(shù)據(jù)RAM

　　·達±0.25%的內部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。

　　如上述示意圖2所示，即為PSoC的數(shù)字系統(tǒng)。它由4個數(shù)字PSoC塊組成，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。

　　PSoC可能的外設包括：

　　·PWM（脈寬調制，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術，廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。）（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（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter,通用異步接收/發(fā)送裝置，UART是一個并行輸入成為串行輸出的芯片，通常集成在主板上）

　　·SPI（高速同步串行口，是一種標準的四線同步雙向串行總線）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）

　　以上這些數(shù)字塊可以通過一系列通用總線與任何相連。同時，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。

　　如上述示意圖3所示，即為PSoC模擬系統(tǒng)。它包括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。

　　下面例舉了一些更加常用的PSoC模擬部件：

　　·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（數(shù)模轉換器）（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PSoC的模擬塊與數(shù)字塊組合時，用戶還能夠生成額外的部件，它包括：

　　·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。可通過布線使時鐘與數(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。

　　·內部1.3V基準提供了一個用于模擬系統(tǒng)（包括ADC和DAC）的基準。

　　·通用型模擬多路復用器系統(tǒng)。

　　圖4:CY8C24794 I/O模擬多路復用器總線/系統(tǒng)連接

　　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。上述示意圖4就對此問題進行了詳細的分析。

　　一個I/O模擬多路復用器（復用器是一種綜合系統(tǒng)，通常包含一定數(shù)目的數(shù)據(jù)輸入，n個地址輸入（以二進制形式選擇一種數(shù)據(jù)輸入））實際是兩根總線，如果需要的話，可在內部進行連接。它實質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，并具有兩個調節(jié)范圍，即：0μA~20μA或0μA~400μA。如欲讀出一個電阻值，則只需以下四個步驟即可：

　?。?） 將電阻連接至一個引腳

　?。?） 把該引腳連接至模擬總線

　?。?） 啟動電流

　?。?） 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。當受到的激勵時，與電阻器將產生一個DC（直流）負載電壓

　　不同，生成的是一個。該斜坡速率與激勵電流成正比，而與測量電容成反比。為了方便該轉換速率的測量，模擬部分被配置成一個采樣比較器。電容器（由兩片接近并相互絕緣的導體制成的電極組成的儲存電荷和電能的器件）被連接至總線，從而產生一個轉換信號。當該信號達到比較器的調整點時，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

　　風扇模塊概述：大型電信、網(wǎng)絡系統(tǒng)經(jīng)常使用高性能處理器，從而在一個簡單的機架上實現(xiàn)更多功能。例如，一個曾經(jīng)支持12條ADSL的線卡現(xiàn)在可以支持64條，之前能夠耗散24W （每條ADSL為2W）功率的電路板現(xiàn)在必須耗散128W的功率。用強勁的冷空氣氣流降低相關熱阻，以達到散熱要求。大多數(shù)電信系統(tǒng)包含很多風扇。為保證在一個風扇出現(xiàn)故障的情況下系統(tǒng)仍能正常工作，系統(tǒng)經(jīng)常放置超過理論所需數(shù)目的風扇（N+1結構）。這樣，一個系統(tǒng)可能會用到6至8個風扇。每個風扇都有自己的電源，使風扇可以很容易地替換而不需要關閉整個系統(tǒng)。

　　PSoC器件的常見應用之一便是風扇控制。PSoC架構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。

　　如上述方框示意圖5即為一種速度受控型風扇的實例。我們將對其進行研究PSoC器件對其帶來的作用。

　　我們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（調整點）。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制器（PWM）來控制。其頻率應接近1kHz。一個轉速計被連接至風扇，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。

　　如上述示意圖6所示，PWM（脈沖調制器）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%。

　　這種PWM實現(xiàn)方案的好處是輸出頻率現(xiàn)在擁有了一個±3%的高頻抖動，這樣可以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，用于調節(jié)風扇的轉速計信號。

　　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。

　　上述示意圖為一個將被用來測量溫度，被選產品型號為muRata NTH5G16P33B103J07TH的溫度-電阻關系。

　　如欲測量熱敏電阻（由具有很高電阻溫度系數(shù)的固體半導體材料構成的熱敏類型的溫度檢測元件）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，如上述示意圖7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。

　　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)可重構的。由于轉速計和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從屬用戶模塊具有的易用性。對于本例而言，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。

　　就本例來說，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和轉速計始終處于被配置和重構的狀態(tài)之下。

　　圖8:風扇控制示意圖

　　上述示意圖8出了完整的風扇控制設計方案（所有的元件都被連接到了其適當?shù)囊_）。

　　該設計可以很容易地進行修改，以增設更多的自動調溫器。只需將每個自動調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。