家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(3):利用片上系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

第2部分中，我們介紹了基于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)的架構(gòu)。在第3部分，我們將展示如何利用片上系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)基本的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。
SoC架構(gòu)能將系統(tǒng)的大部分功能集成到單個(gè)芯片中，以縮短上市進(jìn)程和減少材料清單成本。由于這種集成方法將實(shí)現(xiàn)方案隱藏在芯片中，因此對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行反向工程的難度加大。
除了加速設(shè)計(jì)外，SoC還可提供幾種有助于OEM廠商在嵌入式市場(chǎng)中取得成功的業(yè)務(wù)優(yōu)勢(shì)：
1.更低的成本：集成組件的總成本顯著高于單個(gè)SoC的成本。
2.更快的上市進(jìn)程：考慮到設(shè)計(jì)人員能利用更少的外部組件實(shí)現(xiàn)更小的系統(tǒng)，因此SoC能縮短產(chǎn)品上市所需的時(shí)間。
3.簡(jiǎn)化的系統(tǒng)可變性：SoC具有不同的接口和功能，因此可基于相同SoC設(shè)計(jì)多個(gè)家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。這樣更利于在系統(tǒng)中使用SoC并保持架構(gòu)不變，使設(shè)計(jì)工作更趨近于即插即用方式。使用單個(gè)器件能減少組件數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)更小型的解決方案。
SoC提供不同級(jí)別的集成度。例如，賽普拉斯的PSoC系列MCU集成了家庭自動(dòng)化系統(tǒng)所需的大部分組件，只需外部傳感器和有限數(shù)量的無(wú)源組件即可。此外，PSoC架構(gòu)內(nèi)的通用數(shù)字模塊(UDB)提供可編程硬件邏輯，使設(shè)計(jì)人員能夠在可編程邏輯模塊 (PLD)中集成定制數(shù)字邏輯，以實(shí)現(xiàn)更高的集成度。
系統(tǒng)要求：
1.采樣多個(gè)傳感器的ADC
2.連接各種外設(shè)的SPI通信接口
3.連接RTC 的I2C通信接口
4.十六進(jìn)制鍵盤接口
5.面向紅外遙控器的IrDA接口
6.用于驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)器電路的輸出引腳
系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)
為協(xié)助用戶采用SoC架構(gòu)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，芯片制造商提供了專用工具。這些工具有助于管理通信任務(wù)和通過(guò)SoC的數(shù)據(jù)流，便于建立可靠的固件并配置可編程邏輯資源。例如，賽普拉斯的PSoC Creator提供圖形化設(shè)計(jì)界面，允許開(kāi)發(fā)人員快速使用經(jīng)過(guò)預(yù)先驗(yàn)證的生產(chǎn)就緒型組件，且組件具有簡(jiǎn)化的配置和易于使用的API等。


圖1：PSoC Creator 中顯示的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)架構(gòu)


圖1給出了完整的家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。所用的各種組件包括：
A.ADC：ADC可用來(lái)從溫度和氣體傳感器中獲取讀數(shù)，對(duì)傳感器進(jìn)行采樣，并提供數(shù)字值以供CPU制定智能控制決策。
B.熱敏電阻：該組件提供一個(gè)API，用以將與溫度傳感器對(duì)應(yīng)的數(shù)字讀數(shù)轉(zhuǎn)換為溫度。
C.SPI：SPI組件可與NFC、以太網(wǎng)等各種外設(shè)直接連接。該接口使用一個(gè)額外的解復(fù)用器來(lái)連接采用單個(gè)主機(jī)的多個(gè)通信模塊。
D.I2C：I2C組件連接到RTC，而且可方便地進(jìn)行擴(kuò)展以連接任意I2C從設(shè)備。
E.十六進(jìn)制鍵盤：這是一個(gè)在設(shè)計(jì)環(huán)境內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的定制組件。該組件采用由UDB設(shè)計(jì)的狀態(tài)機(jī)，讀取4x4鍵盤中檢測(cè)到的按鍵輸入。
F.IrDA解碼器：該組件接收來(lái)自IrDA接收器的信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行解碼，并將譯碼結(jié)果提供給CPU進(jìn)行評(píng)估和處理。


【系列文章】
家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(1):一般設(shè)計(jì)考慮因素
家庭自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)(2):基于星形拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)架構(gòu)






定制組件的內(nèi)部電路：SoC設(shè)計(jì)工具使開(kāi)發(fā)人員能夠靈活性地利用常見(jiàn)系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)定制組件，并通過(guò)易于使用的模塊隱藏復(fù)雜電路。以上設(shè)計(jì)采用兩種定制組件：
A.IrDA解碼器：該模塊能解碼由RC5協(xié)議編碼的紅外信號(hào)。RC5數(shù)據(jù)包一般有14位，以曼徹斯特編碼格式發(fā)送。



圖2：曼徹斯特編碼遠(yuǎn)程輸出


Bit Extractor模塊按照以下方式從來(lái)自TSOP IrDA接收器的輸入信號(hào)恢復(fù)位和時(shí)鐘。第一個(gè)XOR門電路從信號(hào)中恢復(fù)埋時(shí)鐘。該信號(hào)以串行時(shí)鐘3/4的周期觸發(fā)PWM組件。當(dāng)PWM到達(dá)最終計(jì)數(shù)時(shí)會(huì)觸發(fā)第二個(gè)DFF，用以采樣反轉(zhuǎn)信號(hào)。反轉(zhuǎn)的DFF輸出信號(hào)在傳送到移位寄存器之前被再次反轉(zhuǎn)。利用查找表 (LUT) 來(lái)計(jì)算接收到的位數(shù)，當(dāng)收到第14個(gè)位時(shí)觸發(fā)一個(gè)中斷。在該中斷內(nèi)，CPU讀取存儲(chǔ)在移位寄存器中的接收數(shù)據(jù)。



圖3：IrDA解碼器電路圖


B.十六進(jìn)制鍵盤：十六進(jìn)制鍵盤為16按鍵輸入，分為四行和四列以提供 (4 x 4 =) 16個(gè)唯一按鍵。在給定組件中，其中一個(gè)列引腳被置成低電平，同時(shí)讀取行。如果未檢測(cè)到按鍵動(dòng)作，那么下個(gè)列引腳置為低電平，并將前一個(gè)引腳置為高電平。當(dāng)相應(yīng)的列引腳置為低電平時(shí)如果有一個(gè)行引腳變?yōu)榈碗娖?，那么此時(shí)檢測(cè)到按鍵動(dòng)作。按鍵動(dòng)作檢測(cè)會(huì)讓“有效”行變?yōu)楦唠娖?。這個(gè)有效終端可用來(lái)產(chǎn)生中斷。在中斷內(nèi)，CPU會(huì)讀取“Key_Reg”寄存器以獲取關(guān)于該按鍵的信息。



圖4：十六進(jìn)制鍵盤解碼器電路圖