基于PSOC可編程片上系統(tǒng)模擬電路創(chuàng)新性實驗設(shè)計

1、基于PSOC可編程片上系統(tǒng)模擬電路創(chuàng)新性實驗設(shè)計實驗電路板CY8C24423芯片我們所設(shè)計的實驗主要包含三個實驗的集成化設(shè)計： 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（微控制器）是電子系統(tǒng)的核心。隨著單片機/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)，它將固定的單片機系統(tǒng)模塊化，通過編程實現(xiàn)靈活配置，通過編程來選擇構(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，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、存儲器、高路、模擬和混合電路

2、個具有，以及其他電路集成到一個芯片上，構(gòu)成一信號采集、轉(zhuǎn)換、存儲和I/O處理功能的系統(tǒng)，稱為片上系統(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)計技術(shù)，是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展趨勢。 SOC又稱為系統(tǒng)級芯片，它的設(shè)計稱為集成系統(tǒng)的設(shè)計。 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)計過程中，設(shè)計者面對的不再是電路芯片，而是能實現(xiàn)設(shè)計功能的IP核庫。設(shè)計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)計方法從傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計轉(zhuǎn)向集成系統(tǒng)設(shè)計，從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)，把處理機制、模型算法、芯片結(jié)構(gòu)、各層次電路直至器件的設(shè)計緊密地結(jié)合在一起，在單個芯片上完成整個系統(tǒng)的功能，設(shè)計的重心也從邏輯綜合、布局布線轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的設(shè)計、軟硬件的設(shè)計以及仿真，它的設(shè)計必須是從系統(tǒng)行為級開始的自上向下的設(shè)計方法。采用集成系統(tǒng)的設(shè)計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)計方法向集成系統(tǒng)設(shè)計方法的轉(zhuǎn)變，不僅是一種概念上的突破，同時也是信息技術(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?？删幊绦突贗P內(nèi)核，通過編程來選擇構(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、適合時代要求的智能器件，PSoc具有與普通單片機不同的結(jié)構(gòu)和特點，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。這四個主要部分通過系統(tǒng)總線通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起。2.1.1 PSoC內(nèi)核 PSoC內(nèi)核是一個功能強大的處理器，

5、支持豐富的指令設(shè)置。它包含CPU內(nèi)核、用于數(shù)據(jù)存儲的靜態(tài)存儲器SRAM、用于控制程序在一個新地址中短暫執(zhí)行的中斷控制器、睡眠和看門狗定時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鐘源。這些時鐘和系統(tǒng)資源中的可編程時鐘分頻因子一起使得把幾乎所有的定時需求集成到PSoc設(shè)備中成為了可能。 CPU內(nèi)核，也稱為M8C，是一個工作頻率可以達到24MHz的強大的處理器。M8C是一個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、資源與外部引腳進行了連接。每一個引腳有八種不同的驅(qū)動模式，不同的驅(qū)動模式為外部接口提供了很大的靈活性。每一個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）、全局數(shù)字系統(tǒng)互連（GDI）組成。數(shù)字模塊最多有四行16個。數(shù)字模塊的個數(shù)因設(shè)備的不同而不同。 數(shù)字模塊可以通過一系列的全局總線連接到任何通用的I/O口，全局總線可以把任何信號發(fā)送到任何引腳上。全局總線還允許信號多路技術(shù)和進行邏輯操作。這一配置使得你的設(shè)計從一個外圍設(shè)備固定的控制器中解脫出來了。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、 模擬信號基準電壓發(fā)生器、模擬信號輸入多路選擇器等幾部分組成。模擬系統(tǒng)模塊最多包括四個模擬列，12個模擬模塊，不同的設(shè)備具有的模擬模塊的數(shù)目不同。每一個可配置的模塊都是由一個拓撲電路組成，該拓撲電路允許用戶創(chuàng)造復(fù)雜的模擬信號流。每一個模擬列包括一個B類連續(xù)時間模塊（ACB）、一個C類開關(guān)電容模塊（ASC）、一個D類開關(guān)電容模塊（ASD）。PSoc的系統(tǒng)資源包括：（1）數(shù)字時鐘；（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）開關(guān)式升壓泵；（8）上電復(fù)位和低電壓檢測；（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)參見圖。與傳統(tǒng)單片機系統(tǒng)設(shè)計方案的比較PSoc作為一種新型器件，能在更大的程度上滿足設(shè)計需求，采用PSoc的設(shè)計方案與采用傳統(tǒng)單片機的系統(tǒng)設(shè)計方案相比有很多優(yōu)點。1.從開發(fā)系統(tǒng)來看，Cypress公司提供的兩種開發(fā)軟件PSoc Designer和PSoc Express可以根據(jù)硬件電路的構(gòu)造自動生成高質(zhì)量的可供調(diào)用的API函數(shù)，編程者無須像以前那樣在底層驅(qū)動程序上勞神費力而可將精力更多地放在應(yīng)用層程序的編制上，提高了開發(fā)效率。例如：PSoc中提供了LCD和八段LED的驅(qū)動程序。用戶在使用時，只需要選擇該模塊后進行簡單的參數(shù)配置，寫2到3

9、句程序即可。 2.PSoc的開發(fā)基于成熟而又豐富的用戶模塊，極大地減少甚至免除了設(shè)計者在成千上萬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，通過可配置的數(shù)字及模擬區(qū)塊靈活地構(gòu)造適用的用戶模塊，這是傳統(tǒng)的單片機所不具備的。4.PSoc可以動態(tài)重構(gòu)，即在應(yīng)用中通過程序改變存儲在閃存中設(shè)定的參數(shù)，重新定義系統(tǒng)所需要的功能模塊的種類和數(shù)量，動態(tài)地完成片上資源的重新分配，實現(xiàn)新的外圍元器件的功能，這一點保證了系統(tǒng)資源的最大化，最合理化和最經(jīng)濟化應(yīng)用。5.與傳統(tǒng)意義上的單片機系統(tǒng)相比，PSoc最大程度地實現(xiàn)了系統(tǒng)單片化的目

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

11、的光盤放入電腦，就出現(xiàn)下面的安裝界面：（2）：單擊Install PSoC Designer 4.3，出現(xiàn)下面的對話框：（3）：單擊Next進入下面的對話框：（4）：單擊YES為接受協(xié)議，進入選擇路徑對話框：（5）：單擊Browse可以選擇安裝路徑，單擊Next進入下一步安裝：（6）：單擊Next進入安裝確認對話框：8）：安裝完畢后出現(xiàn)下面界面：（9）：單擊Finish，重啟計算機完成安裝。 安裝完P(guān)SoC Designer 4.3后還需要安裝PSoC Programmer，用來燒寫芯片。安裝時，只須在第一步時單擊Install PSoC Programmer 2.20,其他步驟和前面一致。如

12、下：激活PSoC C語言編譯器使用PSoC Designer 4.3前需要激活PSoC C語言編譯器，按照以下步驟激活：（1）：打開PSoC Designer 4.3；（2）：執(zhí)行ToolsOptions; (3): 單擊Compiler選項；（4）：輸入PSoC C語言編譯器的授權(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)字與模擬混合信號陣列的可編程片上系統(tǒng)。 不同型號的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。用戶可以根據(jù)自己的需要來定義這些模塊。如數(shù)字資