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讓應用無所不在的PSoC
嵌入式系統趨勢
讓應用無所不在的PSoC 作者:Sammy

自2003年問世以來,PSoC的靈活性使它成為各式各樣消費性及工業性產品的新寵兒。在
Adidas的智慧型慢跑鞋中,PSoC扮演著調整鞋底鬆軟度的中央控制,以及電容式觸控按鍵處理
器的雙重重要角色,PSoC不但能精準地控制Horizon遙控直升機模型中的螺旋槳馬達,也能執行
PENTAX數位像機中的防手震功能,PSoC的應用可以無所不在,只要設計者發揮生動的想像空間。

所 謂的PSoC(Programmable system on chip),即為可程式系統單晶片的簡稱,如圖1。美國的IC設計廠商Cypress公司開發出PSoC之前,一個傳統的微處理器設計會運用到一顆微處理器晶片(Microcontroller;MCU),以及各式各樣的周邊功能晶片,像是類比數位轉換器(ADC;Analog-to-Digital Converter)、
數位類比轉換器(DAC;Digital-to-Analog Converter)、放大器、過濾器、脈衝寬度調變(PWM;Pulse Width Modulation)…等,設計者可能會先用放大器把微弱的類比信號放大, ADC將放大後的波形數位化,用過濾器除去雜訊,再用選好的MCU處理乾淨的數位訊號,之後也許還要應用DAC把信號類比化輸出。這樣的應用綜合了數位和類比的周邊功能晶片,使得整個系統變得相當複雜。Cypress的設計即是以降低複雜度為考量點,開發出結合MCU和周邊模組的可程式系統單晶片PSoC,讓工程師自由配置所需要之功能,甚至設定此功能出現的時間,以及與其他功能相連接的方法,以便於輕鬆地設計綜合數位和類比的應用。

PSoC vs. MCU

你可能開始會有疑問,PSoC跟傳統的MCU 晶片究竟哪裡不一樣?其他廠商的晶片不也是 整合了一些周邊功能嗎?其實答案很簡單,市面上有很多的晶片會整合部分的功能,好比是 MCU 加上1個或2個PWM,也許也有ADC功能。 但較麻煩的是,一個工程師要從幾千顆晶片中 一一挑選,再依照挑好的晶片規格來設計自己想要的系統。

然而,有經驗的工程師都知道,從產品計畫初期到量產階段,產品的規格可能會經 過幾番的修改。舉例來說,一項設計在產品 定義初期選擇了ADC、MCU、PWM、LCD和I2C (Inter-Integrated Circuit)傳輸協定,但是到了 畫概要圖 (Schematics)時,採購部門決定把 ADC用較便宜的比較器(Comparator)替代; 工程師更改設計,到了製版時,市場部發現光 靠I2C不夠,需要加上UART才能滿足市場的通 訊需求。於是工程師不甘願地重新構圖,選擇 一顆支援UART的MCU。誰知道在產品原形出 爐時,用I2C的設計早已落伍,競爭對手用了 較高速的SPI(Serial Peripheral Interface)來取 代I2C,工程師只好又重新設計,重頭再來。 到最後量產時,客戶反應比較器的功能不足, 要求用LPF和ADC取代。這時的工程師早已認 命,任勞任怨地重頭開始。這樣的惡夢在業界 屢見不鮮,工程師耗費大量的時間和精力來重 新挑選適合的晶片及設計產品,因為傳統的 MCU都無法依照使用者的需求,隨意地變更功 能,而PSoC的優點正是可以依照使用者的需求 變更其功能。(圖2)

PSoC的架構

我們來看看PSoC的整體架構如圖3,PSoC 有一個MCU的核心(綠色圖塊),這和其他 MCU差不多,一些基礎的MAC和記憶體結構。 有別於其他MCU的是:它還有可設計的數位 (Digital Blocks)和類比(Analog Blocks)模 塊(藍色圖塊),和可設計的通訊模塊(橘 色圖塊)。這些可設計的數位和類比模塊可 以自由地變化成數位和類比的應用功能,如 圖4所示,一個濾波器(Filter)可由兩個類比 模塊構成。相對的,16位元的PWM佔用兩個數位模塊,而一個8位元的PWM將佔用一個 數位模塊。系統設計師可應產品需求隨時添 加、篩減,或更換模塊所形成的功能,進而 將設計改變時的痛苦降到最低。同樣的,可 設計的通訊模塊讓工程師隨意更換輸入和輸出的PIN腳,讓PCB版的線路配置以最簡便的 方式完成,更因為PIN腳可任意配置和晶片內容的可塑性,你的設計在外人面前成了一個 黑盒子,因而獲得產權的保護。

PSoC的價值

P S o C的價值在於它融合了靈活性,系 統整合性,以及數位/類比的可設計性(圖 4)。PSoC整合的特性往往能簡化產品設計, 把各種的零組件整合起來,有效地縮小版面 積及零件數目,不但節省成本,更能縮短測 試時間,保護產權,提昇公司競爭力,進而 搶先一步爭取商機,獲取更大利潤。圖5即是 一個PSoC簡化設計和縮小一半版面積的真實 例子。只要設計者發揮生動的想像空間,即 可讓PSoC的應用無所不在(圖6)。

 

本文選錄自《RUN!PC雜誌》


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