微處理器在電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器上的應(yīng)用
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PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的一種現(xiàn)場(chǎng)可編程片上系統(tǒng)。片內(nèi)備有通用模擬和數(shù)字模塊，用戶可根據(jù)開發(fā)需要，隨意調(diào)用模塊，實(shí)現(xiàn)混合信號(hào)陣列的動(dòng)態(tài)配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動(dòng)車無刷電機(jī)控制器上的應(yīng)用，它將對(duì)電壓電流信號(hào)的放大、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，以及PWM信號(hào)輸出功能全部集成到微處理器的內(nèi)部完成，減少了芯片的外圍器件，提高了系統(tǒng)整體的集成性能和可靠性。
可編程片上系統(tǒng)
由美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司倡導(dǎo)并推出的完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來構(gòu)成產(chǎn)品SoC的設(shè)想，并把單片機(jī)的發(fā)展從MCU推動(dòng)到SoC的新階段。這種可編程的SoC取名為可編程片上系統(tǒng)(PSoC)，由基本的CPU內(nèi)核和預(yù)設(shè)外圍器件組成，就是在一個(gè)專有MCU內(nèi)和周圍集成了PSoC模塊(可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列)，利用芯片內(nèi)部可編程互聯(lián)陣列，可以有效地配置芯片的模擬和數(shù)字電路資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。
與傳統(tǒng)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(tǒng)微控制器，它的出現(xiàn)使設(shè)計(jì)者逐步擺脫了板級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法層次而進(jìn)入芯片級(jí)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減少了單片機(jī)的品種和規(guī)格，同時(shí)更有利于新品開發(fā)和升級(jí)換代。與同種價(jià)位的普通單片機(jī)比較，其豐富的內(nèi)部資源、新穎的設(shè)計(jì)界面、靈活的設(shè)計(jì)方式、簡(jiǎn)單的編程技巧都使其極具特點(diǎn)。PSoC完全不同于以往的傳統(tǒng)的微處理器。PSoC開發(fā)者不需要自己構(gòu)建ADC、DAC和其它外圍設(shè)備，可以通過PSoC的配置性進(jìn)行資源調(diào)配，而且PSoC為控制器成功的引入動(dòng)態(tài)可重新配置功能，真正實(shí)現(xiàn)在線可編程，由此可見，一個(gè)PSoC微控制器就能代替多種類型的單片機(jī)。
PSoC的內(nèi)部框圖結(jié)構(gòu)及資源
賽普拉斯CY8C21×××"29×××系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其資源包括：
圖1：CY8C24423內(nèi)部系統(tǒng)資源框圖。
1. 處理器內(nèi)核
PSoC微處理器CY8C21×××"29×××系列器件使用強(qiáng)大的8位哈佛結(jié)構(gòu)處理器內(nèi)核(M8C CPU)，它具有獨(dú)立的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線，處理器速度可達(dá)24MHz。擁有豐富的M8C架構(gòu)指令，并可進(jìn)行I/O和內(nèi)存上的操作。此外系統(tǒng)提供便捷的尋址方式。
CPU內(nèi)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(gè)乘法器/加法器(MAC)。MAC系統(tǒng)中作為一個(gè)獨(dú)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(zhí)行帶符號(hào)的8×8乘法運(yùn)算和32位的加法運(yùn)算。只要把數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器在下一個(gè)指令周期，在輸出寄存器就能得到運(yùn)算結(jié)果。寄存器加速內(nèi)存數(shù)據(jù)交換，大大提高了處理數(shù)據(jù)的速度。
2. 內(nèi)存儲(chǔ)器
PSoC系列器件擁有靈活的片內(nèi)存儲(chǔ)器，包括4"16KB的快速程序存儲(chǔ)器(Flash Program Memory)以及256字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，速內(nèi)存可擦寫100,000次，并可分塊實(shí)時(shí)修改，不同的型號(hào)芯片閃存的容量不同。此外，系統(tǒng)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(nèi)部程序閃存存儲(chǔ)器中。PSoC對(duì)片內(nèi)存儲(chǔ)器提供多種保護(hù)加密方式。以保證用戶敏感信息的安全。這個(gè)功能允許用戶有選擇性的對(duì)內(nèi)存模塊的讀寫操作加鎖和寫操作保護(hù)。這允許對(duì)部分代碼進(jìn)行升級(jí)，而不會(huì)泄漏重要數(shù)據(jù)。
3. PSoC模塊
在每一個(gè)PSoC芯片??有若干個(gè)PSoC數(shù)字模塊。PSoC片內(nèi)的數(shù)字模塊減少了多種微控制器類型和外設(shè)元件的需求。數(shù)字PSoC模塊可以配置成各種各樣的用戶模塊，比如時(shí)間定時(shí)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、脈寬調(diào)制(PWM)和死區(qū)脈寬調(diào)制(DB PWM)、循環(huán)冗余核對(duì)模塊、全雙工(UARTS)、串行主從通信(SPI)功能。PSoC軟件開發(fā)包提供了PSoC模塊自動(dòng)配置，用戶只需簡(jiǎn)單地選擇需要功能塊，PSoC軟件開發(fā)包就能產(chǎn)生正確的配制信息和器件數(shù)據(jù)手冊(cè)。
在每一個(gè)PSoC芯片中還有若干個(gè)模擬PSoC模塊，芯片內(nèi)的模擬PSoC模塊可以減少CPU復(fù)雜的系列編號(hào)以及對(duì)外設(shè)的需求。模擬PSoC模塊可以配置許多外設(shè)功能，譬如12個(gè)PSoC模塊可以提供11位△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換、8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換、8位直接模數(shù)轉(zhuǎn)換、12增量式模數(shù)轉(zhuǎn)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(nèi)溫度傳感器等。PSoC系統(tǒng)包含三種類型的模擬模塊：連續(xù)時(shí)鐘模塊(CT)，A類和B類開關(guān)電容(SC)模塊。
4. 通用I/O
PSoC微控制器的通用I/O數(shù)量從*4位不等，具體根據(jù)不同型號(hào)來確定。每個(gè)I/O功能可編程選擇。在輸出模式中可選擇輸出驅(qū)動(dòng)方式，模擬輸出驅(qū)動(dòng)可達(dá)40mA。通過內(nèi)部上拉或者下拉電阻輸出，強(qiáng)輸出，可設(shè)置輸出最大的驅(qū)動(dòng)電流達(dá)25mA。所有引腳都能作為中斷電源，通過引腳信號(hào)變化產(chǎn)生中斷。并可選擇位上升沿觸發(fā)終端、下降沿觸發(fā)。引腳能與模擬模塊相連。此外，還有用作斯密特觸發(fā)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(shí)鐘、模擬PSoC模塊和數(shù)字PSoC模塊的時(shí)鐘，找到合適的振蕩器。主要有內(nèi)部達(dá)到24/48MHz的主振蕩器、一個(gè)32.768MHz外部晶體振蕩器和內(nèi)部低速振蕩器。主振蕩器誤差為±2.5%，且沒有外部補(bǔ)償，外部晶體振蕩器可對(duì)PLL選定精度，內(nèi)部低速振蕩器一般作為PSoC模塊和看門狗/睡眠定時(shí)器的時(shí)鐘?？墒褂脮r(shí)鐘分頻器，從而優(yōu)化代碼執(zhí)行速度和減少功耗。
6. 專用外設(shè)
PSoC系列器件還提供一些專用外設(shè)，包括看門狗/睡眠模式時(shí)鐘(Watchdog/Sleep Timer)、可設(shè)定電壓閥值的電源低電壓檢測(cè)(LVD/POR)、中斷控制器、采樣抽取器(Decimator)、片內(nèi)溫度傳感器和片內(nèi)電壓參考等。
7. 靜態(tài)COMS器件
PSoC微處理器系列運(yùn)用了先進(jìn)Flash工藝的全靜態(tài)CMOS器件，實(shí)現(xiàn)高度低電壓功能。通常電壓保持在3.0到5.5V DC，使用片內(nèi)開關(guān)式電壓汞可使工作電壓降低到1.0V DC，工作于-40℃"＋85℃。
電動(dòng)車無刷控制器系統(tǒng)
由CY8C24423構(gòu)成的電動(dòng)車無刷控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
圖2：電動(dòng)車無刷控制器系統(tǒng)原理框圖。
要讓圖中所示的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，首先控制部就必須根據(jù)電機(jī)霍爾感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后決定開啟(或關(guān)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(jīng)電機(jī)繞組線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機(jī)順時(shí)/逆時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制器又再開啟下一組MOSFET，如此循環(huán)電機(jī)就可以按同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到控制器決定要電機(jī)轉(zhuǎn)子停止，此時(shí)則關(guān)閉MOSFET，要電機(jī)轉(zhuǎn)子反向則MOSFET開啟順序相反。
評(píng)論