Cypress在2013年第二季度推出了新一代可編程片上系統(tǒng)PSoC4系列產(chǎn)品，作為PSoC（Programmable System on Chip）芯片家族中的一員，PSoC4保持了Cypress具有特色的片內(nèi)可編程數(shù)字資源和豐富的模擬資源，同時由于采用ARM Cortex-M0作為處理核心，其運算性能也有顯著提高。PSoC4內(nèi)含許多獨具匠心的功能模塊，逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Successive Approximation Register Analog Digital Convertor，以下簡稱SAR ADC）就是其中之一。本文即以SAR ADC為例，介紹如何使用PSoC4實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計。

　　PSoC4簡介

　　PSoC4現(xiàn)包含CY8C4100和CYCY8C4200兩個產(chǎn)品系列，均采用ARM Cortex-M0作為處理核心。PSoC4具有靈活的可編程和可重新配置的模擬、數(shù)字模塊，結(jié)合芯片內(nèi)部靈活的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，可以使用一塊芯片實現(xiàn)復(fù)雜的混合信號設(shè)計。

　　圖1是PSoC4的系統(tǒng)框圖，以下概括了其主要特性，詳細內(nèi)容可以參考Cypress網(wǎng)站上的PSoC4的數(shù)據(jù)手冊。

　　● 48MHz ARM Cortex-M0中央處理器，支持單周期乘法

　　● 最大支持32KB閃存（Flash），最大支持4KB SRAM存儲器

　　● 高達36個可靈活配置的通用輸入輸出管腳（GPIO），均可配置為觸摸感應(yīng)輸入

　　● 兩個可靈活配置驅(qū)動能力和帶寬的運算放大器，可以工作在比較器模式，也可做ADC的輸入緩沖器

　　● 一個12-bit 1M采樣率的SAR ADC，支持差分和單端輸入，無軟件開銷的輸入通道切換，硬件實現(xiàn)的采樣結(jié)果平均，采樣結(jié)果范圍比較

　　● 兩個電流數(shù)模轉(zhuǎn)換器（IDAC），不用于CapSense時可以輸出給內(nèi)部模塊，或通過GPIO輸出用于其他用途

　　● 兩個內(nèi)部低功耗比較器，可以在深度睡眠和休眠模式下工作，可以產(chǎn)生喚醒信號中斷睡眠

　　● 一個電容感應(yīng)（CapSense）模塊，提供極佳的信噪比和防水功能，具有簡單易用的應(yīng)用設(shè)計接口

　　● 四個通用數(shù)字模塊（UDB），每個包含兩個微型的可編程邏輯陣列和一個8位數(shù)據(jù)運算單元。Cypress提供了自定義組件功能，用戶可以根據(jù)設(shè)計需要，使用Verilog控制UDB實現(xiàn)用戶定制的功能模塊

　　● 2個可靈活配置的串行通訊模塊（SCB），每個均可配置成SPI/UART/I2C，支持基于串口的LIN、IrDA、SmartCard協(xié)議

　　● 四個16比特的定時器/計數(shù)器/脈沖寬度調(diào)制模塊（TCPWM），支持中心對齊、邊沿對齊模式，偽隨機模式，支持靈活的死區(qū)控制，PWM可與ADC同步，用戶可自定義在PWM周期內(nèi)任一時刻觸發(fā)ADC轉(zhuǎn)換），支持同步刷新PWM的占空比

　　圖1：PSoC4芯片系統(tǒng)框圖

　　與 Cypress前一代產(chǎn)品PSoC3/5相同，PSoC4仍然使用PSoC Creator作為集成開發(fā)環(huán)境。PSoC Creator將硬件資源抽象成了眾多的功能模塊（Component），每個模塊實現(xiàn)一種基本功能，例如PWM模塊，I2C模塊，基本與門，中斷響應(yīng)模塊，輸入輸出管腳等等。設(shè)計者像繪制原理圖一樣，選擇適當(dāng)模塊，將其輸入輸出與其他模塊連接，然后通過每個模塊提供的圖形化配置向?qū)гO(shè)置模塊參數(shù)，之后編寫適當(dāng)?shù)能浖a，即可實現(xiàn)所需功能。這種模塊化的設(shè)計方法令設(shè)計者能夠?qū)⒏嗑性趯崿F(xiàn)應(yīng)用的功能上，而無需關(guān)注許多底層硬件配置細節(jié)。PSoC Creator的詳細使用手冊可以在Cypress網(wǎng)站上獲得。

　　PSoC4 SAR ADC模塊

　　與前幾代PSoC相比，PSoC4增強了ADC模塊的功能。在結(jié)構(gòu)上，PSoC4采用了可獲得較高采樣速率的逐次逼近式（Successive Approximation Register，SAR）ADC，能夠?qū)崿F(xiàn)最高1Msps的單通道采樣。PSoC4包含一個SAR核心，通過切換采樣通道，可以實現(xiàn)多路輸入信號的轉(zhuǎn)換。為了減少通道切換對CPU運行時間的占用，PSoC4集成了一個8通道采樣輸入多路器，提供采樣通道硬件切換，從而去掉了通道切換的軟件開銷。

　　該多路器最多支持8路單端輸入，或者4路差分輸入，或者同時包含單端輸入和差分輸入。圖2中實例（a）~（c）分別實現(xiàn)了全單端輸入，全差分輸入，和單端/ 差分混合輸入，如果應(yīng)用所需的輸入信號小于SAR的最大允許值，通過設(shè)置SAR的配置可以隱藏未使用的輸入通道，如實例（d）使用了兩個單端輸入通道，此時多路器僅自動切換兩個通道，忽略未使用的其余六個通道。

　　圖2：四個SAR設(shè)計實例 - 處理單端輸入與差分輸入

　　PSoC4 SAR一次完整的單通道采樣包含兩個階段：信號獲取（Acquisition）和采樣轉(zhuǎn)換（Convertion）。在信號獲取階段，SAR獲得當(dāng)前輸入通道的信號值，儲存在內(nèi)部的采樣保持器中；在采樣轉(zhuǎn)換階段，SAR通過不斷改變參考電壓值，與采樣保持器中的信號值做比較，從而將信號值數(shù)字化，得到采樣結(jié)果。PSoC4 SAR的信號獲取時間可以由用戶設(shè)定，而采樣轉(zhuǎn)換時間與采樣結(jié)果位數(shù)相關(guān)，以1Msps采樣率為例，默認的信號獲取時間為222.2納秒，采樣轉(zhuǎn)換時間為 777.8納秒。

　　PSoC4 SAR將這兩個階段設(shè)計成了流水線的結(jié)構(gòu)，兩個階段之間可獨立運行。因而，對于多通道采樣，當(dāng)前輸入通道進行采樣轉(zhuǎn)換時，多路器可以切換至下一路通道，從而提供一個額外時間對電路中的寄生電容充放電，保證SAR在進入信號獲取階段之前，輸入信號已經(jīng)達到穩(wěn)定。圖3是一個3通道采樣的工作示意圖，從圖中可以看出，PSoC4 SAR在具有較高采樣速度的同時，仍有充足時間獲得穩(wěn)定的采樣信號。

　　圖3：3通道SAR采樣工作示意圖

　　圖 3中還有兩個重要的脈沖信號：SDONE和EOC。SDONE用來指示信號獲取階段已完成，PSoC4 SAR的內(nèi)部多路器就是由該信號觸發(fā)通道切換；EOC用來指示一次完整的多通道采樣已完成，因此在圖3中當(dāng)最后一個通道轉(zhuǎn)換結(jié)束，該脈沖信號輸出。EOC 信號可以觸發(fā)一個中斷，用來讀取SAR的采樣數(shù)據(jù)，也可以用于觸發(fā)芯片內(nèi)的其他資源。PSoC4 SAR為每一個通道都提供了一個16位的結(jié)果寄存器，可以在一次多通道采樣結(jié)束后，一次性讀取數(shù)據(jù)以減少中斷程序?qū)PU時間的占用。圖4給出了兩個實例的波形，均使用1Msps采樣率，一個是8通道輸入，一個4通道輸入。注意到圖3中兩個SDONE信號的間隔是一個完成的采樣周期，在圖4的例子中應(yīng)為1 微秒，與波形測量值（period）一致。

　　圖4：SDONE和EOC示意圖 - 8路輸入和4路輸入，1Msps采樣率

　　PSoC4 SAR ADC特色功能

　　除了具有AD模塊基本功能之外，PSoC4 SAR還包含一些獨具特色的功能。

　　靈活的觸發(fā)信號

　　PSoC4 SAR支持硬件信號觸發(fā)采樣，該信號可以是通過GPIO輸入的外部信號，也可以是內(nèi)部模塊產(chǎn)生的信號。由于PSoC4具有靈活的可配置結(jié)構(gòu)和豐富的內(nèi)部資源，因此內(nèi)部信號觸發(fā)SAR在設(shè)計中極為實用，例如，比較器的輸出觸發(fā)SAR在特定信號點采樣，定時器計數(shù)器溢出信號觸發(fā)SAR在特定時間點采樣，或者外部信號輸入后經(jīng)過PSoC4通用數(shù)字模塊（UDB）處理，針對特定輸入信號觸發(fā)SAR采樣。

　　圖5提供了一個設(shè)計實例，該例子中定時器（Timer）的計數(shù)器溢出信號觸發(fā)了SAR ADC的采樣，圖6是該設(shè)計工作時的波形。此設(shè)計可以在指定的時間點對輸入通道采樣，定時器計數(shù)值的重新裝載由硬件實現(xiàn)，采樣通道切換由SAR的多路器硬件實現(xiàn)，全過程僅在采樣數(shù)據(jù)讀取時需要軟件參與，從而節(jié)省大量的CPU運行時間。

　　圖5：設(shè)計實例：使用定時器的計數(shù)器溢出觸發(fā)SAR ADC

　　圖6：硬件觸發(fā)信號工作波形

　　采樣值范圍比較

　　PSoC4 SAR提供了硬件級別的采樣值范圍比較。通過設(shè)定一個最大值，一個最小值，SAR可以對每一個通道的采樣值進行快速的范圍比較，一旦發(fā)現(xiàn)采樣結(jié)果超出了給定數(shù)值范圍，一個范圍越界的中斷會立即產(chǎn)生，從而觸發(fā)SAR的中斷服務(wù)程序。如圖7所示，范圍比較模式有四種選項，采樣值小于最小值，采樣值大于最大值，采樣值在二者之間，和采樣值在二者之外。結(jié)合每個通道的中斷屏蔽寄存器，可以針對選定的通道實現(xiàn)快速范圍比較。

　　圖7：SAR配置 - 采樣值范圍比較

　　獨立的通道配置寄存器

　　PSoC4 SAR為每一個輸入通道提供了一組獨立的配置寄存器，可以使得通道屬性存在不同，如圖8所示的3通道采樣，第一個通道采用差分輸入，結(jié)果存為12位，信號獲取時間增加1微秒（單獨設(shè)置的A clks），并且對采樣結(jié)果進行范圍比較；其余兩個通道為單端輸入，結(jié)果存為8位（可選分辨率ALT），使用默認信號獲取時間，無需對采樣結(jié)果進行范圍比較。這種獨立的通道配置寄存器能夠更好的滿足實際應(yīng)用中多變的需求，減少工程師對于瑣碎控制邏輯的關(guān)注，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的核心功能。

　　圖8：SAR配置 – 不同通道配置的多通道采樣

　　硬件采樣平均

　　PSoC4 SAR可以對每一個采樣通道都進行指定次數(shù)的硬件采樣結(jié)果平均。例如，若設(shè)定一個通道的采樣平均次數(shù)為8，則SAR會連續(xù)對該通道采樣8次，采樣結(jié)果累加后進行算術(shù)平均，計算結(jié)果最后存入采樣結(jié)果寄存器。

　　小結(jié)

　　上述實例介紹了PSoC4 SAR的基本功能。作為MCU中最常見的功能模塊，PSoC4 SAR除了具有一般MCU的常見性能之外，還提供了一些獨具特色的實用功能。實際上，結(jié)合PSoC4靈活的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和豐富的資源，用戶使用PSoC4 SAR可以輕松設(shè)計出優(yōu)秀產(chǎn)品以滿足復(fù)雜的應(yīng)用需求。