SOC" title="PSOC">PSOC微處理器擁有多系列、多規格的應用芯片，以滿足不同用戶的不同層次的需要，如CY8C26XXX／CY8C24XXX／CY8C22XXX等等。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。文中以CY8C24223為例，介紹一種典型應用——基于PSoC可編程片上系統的感煙火災探測器。它將對煙霧變化信號的放大、處理、模數轉換功能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。

       1 內部資源及開發環境

       1.1 內部資源介紹

       PSoC內部有一個高速M8C內核、快閃內存和SRAM數據內存

，以及可進行多種配置的模擬模塊陣列和數字模塊陣列；內核采用Haryard結構，具有獨立的程序存儲器和數據存儲器總線，處理器工作頻率可達到24 MHz。對于不同系列、不同型號的片上系統，其內部資源配置不同。以CY8C24223芯片為例，內部具有4 KB的Flash以及256 B的片內SRAM數據存儲器；4個數字模塊、6個模擬模塊；16個通用I／0口，最大輸出電流可達25 mA，每個I／O口引腳均可通過編程設置，所有I／O口引腳都能作為中斷源；具有存儲字節可變的EEPROM模塊和ISSP串行編程功能。

       1.2 集成開發環境lDE   

       用于PSoC的集成開發環境PSoC Designer是一種功能齊全、基于Gul的設計工具套件。它分為設備編輯子系統、應用編輯子系統和調試程序子系統。其界面將根據不同的子系統而被分割成多個活動窗口。其中最具特色的是設備編輯子系統，具有相當的靈活性和可操作性，如圖l所示。

       用戶可通過選擇和放置用戶模塊、配置參數、連接模塊、定義引腳功能、生成應用文件API來最終完成設備編輯工作。在產品的開發研制過程中，無論是更改設計原理還是更改設計參數，都無需在PCB板上進行，而只需借助簡單的鼠標點擊選項就可對硅片進行重新配置，快速、簡單地完成產品的功能塊選用以及功能塊之間的連線。

       2 PSoC片上系統的開發關鍵

       2.1 混合信號陣列的系統級集成

       用戶的模擬模塊陣列和數字模塊陣列的可配置性是這一可編程片上系統的最大特點，它不同于FPGA或CPLD嵌入式片上系統。FPGA與CPLD是對邏輯門陣列進行現場編輯，而PSoC‘微處理器不僅能對數字模塊進行動態配置，同時也能對模擬模塊進行動態配置，實現混合信號陣列的系統級集成。   

       在應用時，片上系統中的數字模塊陣列可配置成多種功能，如定時／計數器、UART、SPI、CRC發生器、PWM等等；模擬模塊陣列可配置成具有不同工作方式的ADC、可編程增益放大器PGA、比較器、可編程濾波器、DAC等等。通過用數字模塊配置的定時器作為ADC的采樣頻率等等類似方法，實現數字模塊陣列和模擬模塊陣列的集成應用，使PSoC微處理器具有強大的混合信號陣列的系統級集成功能。   

       PSoC微處理器的模塊功能中，最簡單的混合信號集成功能的應用是A／D轉換器。PSoC微處理器支持多種A／D轉換器，如14位遞增式、11位△-∑ADC、8位逐次逼近式ADC和6位SAR-ADC。用戶可根據A／D轉換精度和轉換時間的設計要求，設置不同工作方式的A／D模塊。以配置一個8位△-A／D轉換器為例，轉換器需占用微處理器的內部資源為：1個數字模塊、1個開關電容模擬SC模塊、1個外部模擬輸入引腳，以及生成8位△-ΣA／D轉換器應用程序API所需的8字節的內部RAM和143字節的Flash。     
       圖2是一個8位△-∑A／D轉換器的結構框圖。它由模擬開關電容SC模塊、8位定時器和抽樣器各一個組成。模擬開關電容SC模塊完成信號的采集與轉換工作；8位定時器用于配置數據時鐘信號來控制采樣速率，采樣速率為O．125 ksps～31．25 ksps；△-∑型ADC里的抽樣器實際上是一個SINC2濾波器。在x域，它的傳遞函數如下：

   
       其中的n是抽樣等級。這個抽樣濾波器是由軟硬件協同工作完成的。式(1)中分母部分的二次積分項由硬件實現，分子部分的二次差分項的抽樣率計算由軟件實現。

       2.2 動態可重新配置功能   

       嵌入式系統設計人員利用PSOC架構的靈活性，在單個器件上動態地創建多種

配置，這是PSoC可編程片上系統的另一大特點?？梢韵胂?。這如同用FPGA進行設計，既使是在系統運行時，也可以對其硬件進行升級或重新配置。動態重新配置功能使設計人員能多次、重復使用芯片內的模擬與數字資源，而無需增加成本和元件庫。  

       下面以PGA模塊為例，說明其動態配置功能。

       (1)PGA模塊的資源及參數配置   

       PSoC微處理器中的PGA模塊擁有高的輸入阻抗、寬的帶寬增益和可動態配置的增益參數，其功能建立在模擬連續時間CT模塊的基礎之上。通過對CT模塊的三個控制寄存器的配置，支持增益輸出或衰減輸出、配置信號輸入端口和輸出端口。完成一個PGA配置，需占用微處理器的內部資源為：1個CT連續時間模擬模塊、1個外部I／O引腳以及生成PGA應用程序API所需的52字節的Flash。圖3為可編程增益放大器PGA的結構框圖。

       對于增益≥1的運算放大器，可編程電阻風、Rb、Ra串聯，Rb一端連到放大器的輸出端。Ra一端連接VGND，VGND有多種選擇，用戶可根據不同需要將VGND接數字地、模擬地、內部帶隙電壓或外部輸人電壓信號；Rb與Ra中間連接端連到放大器的負反饋輸人端。由此，可推出放大器的傳輸函數如下：   

       對于增益<1的衰減運算放大器，需配置成電壓跟隨器，可編程電阻Rb一端連到放大器的輸出端，Ra一端連到VGND，Rb與Ra中間連接端連到用戶模塊輸出端。由此，可推出負增益放大器的傳輸函數如下：   

       在應用中，PGA模擬模塊的輸入端、增益參數、輸出端都可進行動態配置。其輸入端可以和一個模擬信號輸入引腳連接，也可以動態地將此PGA模塊與另一個模擬信號輸入引腳相連接，在不同時刻完成對多路模擬輸入信號的放大工作，而無需在單個器件上配置多個PGA模塊；其增益參數也可以動態調節(從負增益0．06倍到最大正增益48倍)，極方便地拓展了PGA模塊的輸入電壓范圍；其輸出端也可以按需要動態地接到輸出引腳、A／D模塊輸入端或濾波器。其動態重配置部分的程序如下：

   

       3 CY8C24223在感煙火災探測器中的應用

       光電感煙火災探測器應用散射原理，將煙霧濃度的變化轉化為微弱的光電信號，經放大和濾波處理后，進行A／D轉換，完成對煙霧濃度的檢測，實現火災報警功能。感煙火災探測器的工作原理框圖如圖4所示。

       目前，光電感煙火災探測器多使用帶A／D轉換的普通嵌入式微處理器，需通過外部電路完成信號的放大和濾波處理工作。在產品的原理設計過程中，需要反復對外部電路作硬件參數調整；在PCB板布線時，又要注意避免來自空間及器件間的電磁干擾。可以肯定，要解決這些問題是件非常復雜而費時的工作。     

       當選用CY8C24223芯片作為探測器的微處理器時(虛線框內為PSOC芯片內所具有的模塊功能)，與選用帶A／D功能的微處理器相比，節省了大量的外部資源，如放大器及其相關元器件、濾波元器件等等。設計人員可在PSoC的設備編輯器中，通過配置模擬模塊陣列和數字模塊陣列完成信號放大、濾波、模／數轉換、數據存儲、通信等工作，并避免了由于放大器等外圍器件在PCB布線時造成的電磁干擾問題。更為重要的是，用戶可根據環境的變化，如白天與夜晚、潔凈空間與污染空間，動態配置放大器的增益系數，并實現多路模擬信號輸入的檢測，以降低火災探測器的誤報率。   

       在探測器的快速原型設計中，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1／10。

   結 語

       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。