基于PSOC可編程片上系統(tǒng)模擬電路創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1、基于PSOC可編程片上系統(tǒng)模擬電路創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)電路板CY8C24423芯片我們所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)主要包含三個(gè)實(shí)驗(yàn)的集成化設(shè)計(jì)： 第一、由PWM控制LED燈的閃爍； 第二、可增益放大器及其應(yīng)用； 第三、電壓比較器及其應(yīng)用； 普遍采用的方法： 單片機(jī)（微控制器）是電子系統(tǒng)的核心。隨著單片機(jī)/微控制器技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了新的SoC（System on Chip單片系統(tǒng)）技術(shù)，它將固定的單片機(jī)系統(tǒng)模塊化，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)靈活配置，通過(guò)編程來(lái)選擇構(gòu)成產(chǎn)品,將模擬處理電路集成到系統(tǒng)中，具有體積小、成本低、使用靈活的特點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展空間。1.1 什么是SOC？密度邏輯電把微處理器、存儲(chǔ)器、高路、模擬和混合電路

2、個(gè)具有，以及其他電路集成到一個(gè)芯片上，構(gòu)成一信號(hào)采集、轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和I/O處理功能的系統(tǒng)，稱(chēng)為片上系統(tǒng)（SoC-System on Chip）。SoC采用超深亞微米加工工藝、IP（intellectual Property）內(nèi)核復(fù)用和軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展趨勢(shì)。 SOC又稱(chēng)為系統(tǒng)級(jí)芯片，它的設(shè)計(jì)稱(chēng)為集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 集成系統(tǒng)和集成電路的關(guān)系相當(dāng)于集成電路和分立元件的關(guān)系。 在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者面對(duì)的不再是電路芯片，而是能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能的IP核庫(kù)。設(shè)計(jì)者不必要在眾多的模塊電路中搜索所需要的電路芯片，只需要根據(jù)設(shè)計(jì)功能和固件特性選擇相應(yīng)的IP核。這些IP核將被集成系統(tǒng)復(fù)用。 這種

3、設(shè)計(jì)方法從傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)，從整個(gè)系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機(jī)制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計(jì)緊密地結(jié)合在一起，在單個(gè)芯片上完成整個(gè)系統(tǒng)的功能，設(shè)計(jì)的重心也從邏輯綜合、布局布線(xiàn)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、軟硬件的設(shè)計(jì)以及仿真，它的設(shè)計(jì)必須是從系統(tǒng)行為級(jí)開(kāi)始的自上向下的設(shè)計(jì)方法。采用集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法完成同樣功能所需的晶體管的數(shù)目可以降低很多。 集成電路設(shè)計(jì)方法向集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的轉(zhuǎn)變，不僅是一種概念上的突破，同時(shí)也是信息技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。從應(yīng)用的角度劃分，SoC包括專(zhuān)用型、可編程型（PSoC- Programmable System on Chip）和OEM（Origina

4、l Equipment Manufacturer 原始設(shè)備生產(chǎn)商）型。可編程型基于IP內(nèi)核，通過(guò)編程來(lái)選擇構(gòu)成產(chǎn)品，是SoC主要形式和重要應(yīng)用方向。作為一種新型的、適合時(shí)代要求的智能器件，PSoc具有與普通單片機(jī)不同的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，本章將從整體上予以介紹。2.1 PSOC的總體結(jié)構(gòu)PSoc的整體結(jié)構(gòu)如A圖2.1所示，包括PSoc內(nèi)核（PSoc Core）、數(shù)字系統(tǒng)（Digital System）、模擬系統(tǒng)（Analog System）、系統(tǒng)資源（System Resource）四部分組成。這四個(gè)主要部分通過(guò)系統(tǒng)總線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。2.1.1 PSoC內(nèi)核 PSoC內(nèi)核是一個(gè)功能強(qiáng)大的處理器，

5、支持豐富的指令設(shè)置。它包含CPU內(nèi)核、用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM、用于控制程序在一個(gè)新地址中短暫執(zhí)行的中斷控制器、睡眠和看門(mén)狗定時(shí)器和一組包括鎖相環(huán)、內(nèi)部主振蕩器、內(nèi)部低速振蕩器和外部晶振的時(shí)鐘源。這些時(shí)鐘和系統(tǒng)資源中的可編程時(shí)鐘分頻因子一起使得把幾乎所有的定時(shí)需求集成到PSoc設(shè)備中成為了可能。 CPU內(nèi)核，也稱(chēng)為M8C，是一個(gè)工作頻率可以達(dá)到24MHz的強(qiáng)大的處理器。M8C是一個(gè)4MIPS的8位哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器。在CPU內(nèi)核的內(nèi)部靜態(tài)包含有RAM（SRAM）和FLASH存儲(chǔ)器。最小的PSoc設(shè)備之間有差別很小的模擬結(jié)構(gòu)。PSoc的通用輸入輸出（GPI/O）把器件的CPU、數(shù)字和模擬

6、資源與外部引腳進(jìn)行了連接。每一個(gè)引腳有八種不同的驅(qū)動(dòng)模式，不同的驅(qū)動(dòng)模式為外部接口提供了很大的靈活性。每一個(gè)引腳都可以因高電平、低電平或者電平的變化而產(chǎn)生一個(gè)系統(tǒng)中斷。2.1.2數(shù)字系統(tǒng)PSoc的數(shù)字系統(tǒng)由數(shù)字PSoc模塊、行內(nèi)數(shù)字模塊互連（RDI）、行間數(shù)字陣列互連（ADI）、全局?jǐn)?shù)字系統(tǒng)互連（GDI）組成。數(shù)字模塊最多有四行16個(gè)。數(shù)字模塊的個(gè)數(shù)因設(shè)備的不同而不同。 數(shù)字模塊可以通過(guò)一系列的全局總線(xiàn)連接到任何通用的I/O口，全局總線(xiàn)可以把任何信號(hào)發(fā)送到任何引腳上。全局總線(xiàn)還允許信號(hào)多路技術(shù)和進(jìn)行邏輯操作。這一配置使得你的設(shè)計(jì)從一個(gè)外圍設(shè)備固定的控制器中解脫出來(lái)了。2.1.3模擬系統(tǒng)PSoc

7、的模擬系統(tǒng)包括全局模擬互連（GAI），基本模擬PSoc模塊陣列、 模擬信號(hào)基準(zhǔn)電壓發(fā)生器、模擬信號(hào)輸入多路選擇器等幾部分組成。模擬系統(tǒng)模塊最多包括四個(gè)模擬列，12個(gè)模擬模塊，不同的設(shè)備具有的模擬模塊的數(shù)目不同。每一個(gè)可配置的模塊都是由一個(gè)拓?fù)潆娐方M成，該拓?fù)潆娐吩试S用戶(hù)創(chuàng)造復(fù)雜的模擬信號(hào)流。每一個(gè)模擬列包括一個(gè)B類(lèi)連續(xù)時(shí)間模塊（ACB）、一個(gè)C類(lèi)開(kāi)關(guān)電容模塊（ASC）、一個(gè)D類(lèi)開(kāi)關(guān)電容模塊（ASD）。PSoc的系統(tǒng)資源包括：（1）數(shù)字時(shí)鐘；（2）乘法加法器；（3）采樣抽取器；（4）I2C通信模塊；（5）內(nèi)部參考電壓；（6）系統(tǒng)復(fù)位；（7）開(kāi)關(guān)式升壓泵；（8）上電復(fù)位和低電壓檢測(cè)；（9）I/O模

8、擬多路復(fù)用器；（10）全速USB。PSoc系統(tǒng)資源總體結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖。與傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較PSoc作為一種新型器件，能在更大的程度上滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，采用PSoc的設(shè)計(jì)方案與采用傳統(tǒng)單片機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比有很多優(yōu)點(diǎn)。1.從開(kāi)發(fā)系統(tǒng)來(lái)看，Cypress公司提供的兩種開(kāi)發(fā)軟件PSoc Designer和PSoc Express可以根據(jù)硬件電路的構(gòu)造自動(dòng)生成高質(zhì)量的可供調(diào)用的API函數(shù)，編程者無(wú)須像以前那樣在底層驅(qū)動(dòng)程序上勞神費(fèi)力而可將精力更多地放在應(yīng)用層程序的編制上，提高了開(kāi)發(fā)效率。例如：PSoc中提供了LCD和八段LED的驅(qū)動(dòng)程序。用戶(hù)在使用時(shí)，只需要選擇該模塊后進(jìn)行簡(jiǎn)單的參數(shù)配置，寫(xiě)2到3

9、句程序即可。 2.PSoc的開(kāi)發(fā)基于成熟而又豐富的用戶(hù)模塊，極大地減少甚至免除了設(shè)計(jì)者在成千上萬(wàn)外圍元件中選擇的煩惱，節(jié)省了模擬量處理電路調(diào)試及修改的精力和時(shí)間，提高了成功率、靈活性和可靠性。3.PSoc采用了一種新的構(gòu)架，通過(guò)可配置的數(shù)字及模擬區(qū)塊靈活地構(gòu)造適用的用戶(hù)模塊，這是傳統(tǒng)的單片機(jī)所不具備的。4.PSoc可以動(dòng)態(tài)重構(gòu)，即在應(yīng)用中通過(guò)程序改變存儲(chǔ)在閃存中設(shè)定的參數(shù)，重新定義系統(tǒng)所需要的功能模塊的種類(lèi)和數(shù)量，動(dòng)態(tài)地完成片上資源的重新分配，實(shí)現(xiàn)新的外圍元器件的功能，這一點(diǎn)保證了系統(tǒng)資源的最大化，最合理化和最經(jīng)濟(jì)化應(yīng)用。5.與傳統(tǒng)意義上的單片機(jī)系統(tǒng)相比，PSoc最大程度地實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)單片化的目

10、標(biāo)，也減少了PCB的面積。和其他架構(gòu)的SoC相比，PSoc在保證以更簡(jiǎn)便方式實(shí)現(xiàn)更多更靈活功能和具備較高性能的前提下，達(dá)到了迄今為止最高的性?xún)r(jià)比。圖2.3中左邊的PCB板是采用傳統(tǒng)單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案，右邊的PCB板是在實(shí)現(xiàn)與左圖相同的功能的前提下采用PSoc的設(shè)計(jì)方案，從圖中明顯的可以看出采用PSoc的設(shè)計(jì)方案節(jié)省了大量的元器件，PCB板的面積也相應(yīng)的小了很多。 PSoC集成開(kāi)發(fā)環(huán)境3.1 PSOC Designer的安裝PSoC Designer是Cypress公司用于PSoC芯片開(kāi)發(fā)的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境。該軟件支持C語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言及二者混合編程。3.1.1軟件安裝步驟 （1）：將Cypress公司

11、的光盤(pán)放入電腦，就出現(xiàn)下面的安裝界面：（2）：?jiǎn)螕鬒nstall PSoC Designer 4.3，出現(xiàn)下面的對(duì)話(huà)框：（3）：?jiǎn)螕鬘ext進(jìn)入下面的對(duì)話(huà)框：（4）：?jiǎn)螕鬥ES為接受協(xié)議，進(jìn)入選擇路徑對(duì)話(huà)框：（5）：?jiǎn)螕鬊rowse可以選擇安裝路徑，單擊Next進(jìn)入下一步安裝：（6）：?jiǎn)螕鬘ext進(jìn)入安裝確認(rèn)對(duì)話(huà)框：8）：安裝完畢后出現(xiàn)下面界面：（9）：?jiǎn)螕鬎inish，重啟計(jì)算機(jī)完成安裝。 安裝完P(guān)SoC Designer 4.3后還需要安裝PSoC Programmer，用來(lái)燒寫(xiě)芯片。安裝時(shí)，只須在第一步時(shí)單擊Install PSoC Programmer 2.20,其他步驟和前面一致。如

12、下：激活PSoC C語(yǔ)言編譯器使用PSoC Designer 4.3前需要激活PSoC C語(yǔ)言編譯器，按照以下步驟激活：（1）：打開(kāi)PSoC Designer 4.3；（2）：執(zhí)行ToolsOptions; (3): 單擊Compiler選項(xiàng)；（4）：輸入PSoC C語(yǔ)言編譯器的授權(quán)碼；（5）：閱讀授權(quán)協(xié)議，單擊OK完成激活。PSOC IDE的使用3. 2. 1 PSOC IDE的結(jié)構(gòu) PSOC IDE的結(jié)構(gòu)如下圖所示：PSOC Designer器件編輯器子系統(tǒng)應(yīng)用程序編輯器子系統(tǒng)調(diào)試器子系統(tǒng)PSoC(可編程片上系統(tǒng))是Cypress半導(dǎo)體生產(chǎn)的包含有8位微處理器核和數(shù)字與模擬混合信號(hào)陣列的可編程片上系統(tǒng)。 不同型號(hào)的PSoC芯片的差異主要在于其擁有的數(shù)字模塊和模擬模塊的數(shù)量的不同。用戶(hù)可以根據(jù)自己的需要來(lái)定義這些模塊。如數(shù)字資