在選擇微控制器的過程中，一個重要的特征是其與周圍環境的全面連接能力。基于微控制器的系統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級芯片（PSoC）架構提供了適合各種應用且靈活性和經濟性極佳的解決方案。
本文將著重介紹CY8C24794 PSoC芯片。如下文所述，它具有四個主要部分：PSoC內核、數字系統、模擬系統和包括一個全速USB端口的系統資源。這種架構使得用戶能夠創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字外設，使得CY8C24794在與其外部環境的連接中擁有了最佳的通用性。
PSoC內核包括：
·一個8位、4MIPS CPU
·16kbytes程序快速擦寫ROM
·1Kbytes數據RAM
·精度達±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字輸入或輸出，并將大多數引腳用作模擬輸入或輸出。每個引腳均可被用作一個數字或模擬中斷。
數字系統由4個數字PSoC塊組成。如下圖所示，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。
可能的外設包括：
·PWM（8位～32位）
·具有不工作區的PWM（8位～24位）
·計數器（8位～32位）
·具有可選奇偶性的8位UART
·SPI主控器和從動器
·循環冗余校驗器/發生器（8位～32位）
·偽隨機序列發生器（8位～32位）
這些數字塊可通過一系列通用總線與任何GPIO相連。這些總線還為進行信號多路復用和邏輯運算創造了條件。
下圖所示的模擬系統包括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。
一些更加常用的PSoC模擬部件是：
·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（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）
當與數字塊組合時，用戶還能夠生成額外的部件，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）
附加的系統資源可提供適用于完整系統設計的更多功能。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字和模擬系統相連。
·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學和數字信號處理。
·抽取器提供了一個針對數字信號處理應用（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監控器的需要。
·內部1.3V基準提供了一個用于模擬系統（包括ADC和DAC）的絕對基準
·通用型模擬多路復用器系統。
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，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。下圖對此進行了詳細的圖示。
圖4：CY8C24794 I/O模擬多路復用器總線/系統連接
一個I/O模擬多路復用器實際是兩根總線，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，并具有兩個調節范圍，即：0μA～20μA或0μA～400μA。如欲讀出一個電阻值，則只需：
1 將電阻連接至一個引腳
2 把該引腳連接至模擬總線
3 啟動電流DAC
4 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DC電流的激勵時，與電阻器將產生一個DC負載電壓
不同，電容器生成的是一個斜坡電壓。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，導致電容器放電回零。開關隨后釋放，該循環繼續進行。這個過程被稱為弛張振蕩。顯然，這種循環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字部分，這里已經配置了一個頻率計數器或周期定時器。電容可從測量數字信號推導出來。
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境因素的損壞。
風扇控制應用
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量減少了25個以上。我們將研究下面方框圖中所示的一種速度受控型風扇實例。
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）。最初，對于20℃以下的溫度，該參數為2000RPM；對于70℃以及更高的溫度，該參數則為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。控制算法求得期望速度與測量速度之差（誤差），并用它來確定PWM的合適占空比。與溫度一樣，這些控制參數的設定值也必須能夠通過I2C主機來改變。
PWM是利用一個數字塊來實現的。所做的一項改進是采用了另一個數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啟動的PWM的50.2%，如下圖所示。
這種方案的好處是輸出頻率現在擁有了一個±3%的高頻抖動。這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字塊（被配置為一個16位定時器）和一個連續模擬塊（被配置為一個比較器）組成，用于調節風扇的轉速計信號。
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定時器同步的2MHz系統時鐘時，可以測量長達328mS或31Hz的脈沖寬度。
一個熱敏電阻將被用來測量溫度。所選的產品型號是muRata NTH5G16P33B103J07TH，其溫度-電阻關系如下。
如欲測量熱敏電阻的阻值，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字塊被 配置為一個14位ADC，如下圖所示。
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。
最后考慮的是4個模擬塊和5個數字塊的資源使用。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個數字塊實際上起到了5個數字塊的作用，也就是說數字塊資源的利用率達到了125%。
I2C從屬用戶模塊具有極佳的易用性。對于本例來說，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。
就本例而言，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之下。
下圖示出了完整的設計方案（所有的元件都被連接到了其適當的引腳）。
圖8：風扇控制示意圖
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，只需采用適當的用戶模塊便可輕而易舉地改為SPI、UART或USB。
采用可編程系統級芯片的賽普拉斯CY8C24794微控制器為實現與各種傳感器和外圍設備的連接奠定了基礎。其動態可重構性有利于實現極 高的片上資源利用率。對于我來說，它是理想的嵌入式系統控制器選擇。