PSoC微處理器在電動車無刷電機控制器上的應用
摘要： PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導體公司推出的一種現場可編程片上系統。片內備有通用模擬和數字模塊，用戶可根據開發需要，隨意調用模塊，實現混合信號陣列的動態配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動車無刷電機控制器上的應用，它將對電壓電流信號的放大、處理、模數轉換功能，以及PWM信號輸出功能全部集成到微處理器的內部完成，減少了芯片的外圍器件，提高了系統整體的集成性能和可靠性。
Abstract：
Key words :
電動車作為一種新型的代步工具，已經實實在在地被人民群眾所接受。尤其是在當前油價飛漲、摩托車牌照發放受限，汽車的夢想可望而不可即的情況下，電動車越來越受到老百姓的青睞。在中國這樣一個“自行車王國”，電動車的市場空間是值得期待的。業內人士預測，未來幾年內，電動車的容量幾乎相當于自行車的市場容量，全國4.5億輛自行車用戶中至少有3億的用戶將成為電動車的用戶。隨著電動車市場趨向成熟，無刷電機電動車逐漸占據了80%以上的市場份額，無刷電機控制器也在不斷的技術進步中被廣大用戶所喜愛，并且將會不斷地推陳出新，以豐富的功能來適應市場的變化。
PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導體公司推出的一種現場可編程片上系統。片內備有通用模擬和數字模塊，用戶可根據開發需要，隨意調用模塊，實現混合信號陣列的動態配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動車無刷電機控制器上的應用，它將對電壓電流信號的放大、處理、模數轉換功能，以及PWM信號輸出功能全部集成到微處理器的內部完成，減少了芯片的外圍器件，提高了系統整體的集成性能和可靠性。
可編程片上系統
由美國賽普拉斯半導體公司倡導并推出的完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來構成產品SoC的設想，并把單片機的發展從MCU推動到SoC的新階段。這種可編程的SoC取名為可編程片上系統(PSoC)，由基本的CPU內核和預設外圍器件組成，就是在一個專有MCU內和周圍集成了PSoC模塊(可配置的模擬和數字外圍器件陣列)，利用芯片內部可編程互聯陣列，可以有效地配置芯片的模擬和數字電路資源，達到可編程片上系統的目的。
與傳統的MCU相較，從根本意義上講PSoC系列是一種微控制器，而且是一種可編程片上系統微控制器，它的出現使設計者逐步擺脫了板級電子系統設計方法層次而進入芯片級電子系統設計，減少了單片機的品種和規格，同時更有利于新品開發和升級換代。與同種價位的普通單片機比較，其豐富的內部資源、新穎的設計界面、靈活的設計方式、簡單的編程技巧都使其極具特點。PSoC完全不同于以往的傳統的微處理器。PSoC開發者不需要自己構建ADC、DAC和其它外圍設備，可以通過PSoC的配置性進行資源調配，而且PSoC為控制器成功的引入動態可重新配置功能，真正實現在線可編程，由此可見，一個PSoC微控制器就能代替多種類型的單片機。
PSoC的內部框圖結構及資源
賽普拉斯CY8C21×××~29×××系列的內部結構如圖1所示。其資源包括：
圖1：CY8C24423內部系統資源框圖。
1. 處理器內核
PSoC微處理器CY8C21×××~29×××系列器件使用強大的8位哈佛結構處理器內核(M8C CPU)，它具有獨立的程序存儲器和數據存儲器總線，處理器速度可達24MHz。擁有豐富的M8C架構指令，并可進行I/O和內存上的操作。此外系統提供便捷的尋址方式。
CPU內核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有處理器中都有一個乘法器/加法器(MAC)。MAC系統中作為一個獨立的組件，并映射到特定的寄存器地址空間，由輸入寄存器和輸出寄存器，能執行帶符號的8×8乘法運算和32位的加法運算。只要把數據傳送到輸入寄存器在下一個指令周期，在輸出寄存器就能得到運算結果。寄存器加速內存數據交換，大大提高了處理數據的速度。
2. 內存儲器
PSoC系列器件擁有靈活的片內存儲器，包括4~16KB的快速程序存儲器(Flash Program Memory)以及256字節的片內SRAM數據存儲器，速內存可擦寫100,000次，并可分塊實時修改，不同的型號芯片閃存的容量不同。此外，系統具有串行編程功能(ISSP)，即在程序頭(Programme Pod)或者用戶板上的閃存可通過串行的方式，把程序固化到內部程序閃存存儲器中。PSoC對片內存儲器提供多種保護加密方式。以保證用戶敏感信息的安全。這個功能允許用戶有選擇性的對內存模塊的讀寫操作加鎖和寫操作保護。這允許對部分代碼進行升級，而不會泄漏重要數據。
3. PSoC模塊
在每一個PSoC芯片??有若干個PSoC數字模塊。PSoC片內的數字模塊減少了多種微控制器類型和外設元件的需求。數字PSoC模塊可以配置成各種各樣的用戶模塊，比如時間定時器、實時時鐘、脈寬調制(PWM)和死區脈寬調制(DB PWM)、循環冗余核對模塊、全雙工(UARTS)、串行主從通信(SPI)功能。PSoC軟件開發包提供了PSoC模塊自動配置，用戶只需簡單地選擇需要功能塊，PSoC軟件開發包就能產生正確的配制信息和器件數據手冊。
在每一個PSoC芯片中還有若干個模擬PSoC模塊，芯片內的模擬PSoC模塊可以減少CPU復雜的系列編號以及對外設的需求。模擬PSoC模塊可以配置許多外設功能，譬如12個PSoC模塊可以提供11位△-∑模數轉換、8位逐次逼近式模數轉換、8位直接模數轉換、12增量式模數轉換、可編程增益放大器、采樣和保持功能、可編程濾波器、差分比較器和片內溫度傳感器等。PSoC系統包含三種類型的模擬模塊：連續時鐘模塊(CT)，A類和B類開關電容(SC)模塊。
4. 通用I/O
PSoC微控制器的通用I/O數量從*4位不等，具體根據不同型號來確定。每個I/O功能可編程選擇。在輸出模式中可選擇輸出驅動方式，模擬輸出驅動可達40mA。通過內部上拉或者下拉電阻輸出，強輸出，可設置輸出最大的驅動電流達25mA。所有引腳都能作為中斷電源，通過引腳信號變化產生中斷。并可選擇位上升沿觸發終端、下降沿觸發。引腳能與模擬模塊相連。此外，還有用作斯密特觸發器的TTL、I/O。
5. 振蕩器
PSoC系列器件有多種振蕩器可供選擇，總能為CPU時鐘、模擬PSoC模塊和數字PSoC模塊的時鐘，找到合適的振蕩器。主要有內部達到24/48MHz的主振蕩器、一個32.768MHz外部晶體振蕩器和內部低速振蕩器。主振蕩器誤差為±2.5%，且沒有外部補償，外部晶體振蕩器可對PLL選定精度，內部低速振蕩器一般作為PSoC模塊和看門狗/睡眠定時器的時鐘?？墒褂脮r鐘分頻器，從而優化代碼執行速度和減少功耗。
6. 專用外設
PSoC系列器件還提供一些專用外設，包括看門狗/睡眠模式時鐘(Watchdog/Sleep Timer)、可設定電壓閥值的電源低電壓檢測(LVD/POR)、中斷控制器、采樣抽取器(Decimator)、片內溫度傳感器和片內電壓參考等。
7. 靜態COMS器件
PSoC微處理器系列運用了先進Flash工藝的全靜態CMOS器件，實現高度低電壓功能。通常電壓保持在3.0到5.5V DC，使用片內開關式電壓汞可使工作電壓降低到1.0V DC，工作于-40℃~＋85℃。
電動車無刷控制器系統
由CY8C24423構成的電動車無刷控制器系統原理框圖如圖2所示。
圖2：電動車無刷控制器系統原理框圖。
要讓圖中所示的電機轉動起來，首先控制部就必須根據電機霍爾感應到的電機轉子目前所在位置，然后決定開啟(或關閉)MOSFET的順序，如上圖中之A上、B上、C上(這些稱為上橋功率晶體管)及A下、B下、C下(這些稱為下橋功率晶體管)，使電流依序流經電機繞組線圈產生順向(或逆向)旋轉磁場，并與轉子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制器又再開啟下一組MOSFET，如此循環電機就可以按同一方向繼續轉動，直到控制器決定要電機轉子停止，此時則關閉MOSFET，要電機轉子反向則MOSFET開啟順序相反。
一個最基本的電動車用無刷電機控制器所需要實現的功能包括除了轉把調速外，還應該包括欠壓保護，過流保護，剎車斷電等。另外近年來還有一些實用且流行的功能如定速巡航、ABS剎車再生制動、1:1助力等等。從上面的原理框圖可以很清楚地看出，整個系統只用了一個PSoC芯片便實現了上述的所有控制功能。圖3為本文設計的無刷控制器半成品實物圖。
圖3：電動車無刷電機控制器半成品實物外形圖。
除了上述功能外，本系統借助PSoC芯片強大而靈活的配置資源，還具有普通控制器所不具備的以下優點：
1. 超靜音：啟動及全程行駛過程中噪聲極低，大大超越了傳統的無刷控制器，減小電機振動，大大延長電機的壽命；
2. 低發熱：采用國際先進的同步整流技術，大幅度降低控制器的熱損耗，提高了整車的能量使用效率，延長了續駛里程；
3. 多重限流保護：既做到平均值限流，又做到峰值限流。峰值限流在每個PWM周期中都對電流波形進行檢測，防止超過MOSFET的最大允許電流，在任何情況下不會燒毀；
4. 平均值：限流使控制器能夠在各種不同的電機上保持相同的限流值，而且輕、重負載，甚至堵轉情況下限流值都不變。這樣大大便于生產調試和整車廠檢驗；
5. 防飛車功能：解決了無刷控制器由于轉把或線路故障引起的飛車現象，提高了系統的安全性；
6. 堵轉保護功能：電機堵轉3秒以上控制器自動保護，防止燒毀電機；
7. 短路保護功能：電機三根相線輸出端任意兩端短路或三端全短路，控制器不會燒毀。
以上功能均不增加硬件成本，采用PSoC可編程片上系將外圍器件減到最少，大部分功能由芯片內部來完成，大大降低了硬件成本，并且減少了故障點。本系統中所用SoC芯片引腳及功能如圖4所示。
圖4.：CY8C24423在本系統中的引腳定義說明圖。
而芯片內部模塊結構如圖5所示。
圖5：本系統所用PSoC內部模塊說明圖。
由圖5可以看出，本系統共采用了7種類型的PSoC內部模塊，其中模擬模塊包括AD轉換器ADCINC_1、可編程放大器PGA_1、比較器CMPPRG_1、四路模擬開關AMUX4_1、數模轉換器DAC6_1。數字模塊包括AD轉換器ADCINC_1、8位帶死區的PWM模塊PWMDB8_1、8位定時器模塊Timer8_1。這樣很好地利用了CY8C24423的內部資源，也節省了很多原本要在芯片外部使用的外設芯片。
本系統的控制軟件流程如圖6所示。
圖6：控制軟件基本流程。
由于PSoC的開發系統PSoC Designer支持C語言編程，配有功能強大的C語言編譯器，所以主程序采用C語言編寫，這樣簡單、直觀、可移植性好。
本文小結
通過本文介紹的電動車無刷電機控制器系統，可以略略窺見PSoC芯片的強大的可配置功能，在芯片內部配置連接就好像在設計一款新的芯片一樣。整個系統用的元器件極少，比其他的無刷控制器方案具有巨大的成本優勢。
PSoC方便、快捷的設計界面，面向對象的設計開發系統，混合信號陣列的模塊化及動態可配置功能使其在嵌入式系統應用中擁有更為靈活的設計方式，使設計人員能夠隨意創建新的系統功能。利用PSoC可以快速、便捷地完成相應程序的開發工作，縮短產品的研發周期，降低開發成本和生產成本。通過片上系統的可編程混合信號陣列的集成應用及動態配置，極大提高了工作效率，使開發成本降低了1/2、PCB的板級空間縮減了l/3、生產成本降低了1/5。(作者：繆鵬程 高級工程師 南京市溧水縣電子研究所有限公司 馬躍 工程師 威健實業國際有限公司)
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