Ứng dụng vi điều khiển PSoC điều khiển động cơ một chiều theo phương pháp PID

1

I H C QU C GIA HÀ N I
TR

NG

I H C CÔNG NGH

Nguy n

NG D NG VI

c Minh

U KHI N PSoC

U KHI N

CHI U THEO PH

NG C

M T

NG PHÁP PID

Ngành : K THU T

NT

- VI N THÔNG

Chuyên ngành : K THU T VÔ TUY N

NT

VÀ THÔNG TIN LIÊN L C
Mã s : 02.07.00

LU N V N TH C S

N

IH

NG D N KHOA H C

TS. Tr n Quang Vinh

Hà N i –

m 2005


2

L IC M

N

Sau m t th i gian h c t p và nghiên c u,
các b n h c và
d ng vi

ng nghi p,

u khi n PSoC™

c s giúp

c a các th y cô,

n nay tôi ã hoàn thành b n lu n v n th c s " ng
u khi n

ng c m t chi u theo ph

M c dù ã có nhi u c g ng song do trình

ng pháp PID".

và i u ki n nghiên c u có h n nên

ch c ch n b n lu n v n v n còn i m thi u sót. Tôi r t mong nh n
óng góp c a các th y cô và các b n

c các ý ki n

hoàn thi n h n n a ki n th c c a mình.

Tôi xin bày t s kính tr ng và bi t n sâu s c

i v i th y giáo-ti n s

Quang Vinh, m c dù r t b n nh ng ã r t nhi t tình h

ng d n, giúp

Tr n

tôi hoàn

thành b n lu n v n này.
Tôi c ng xin g i l i c m n t i các th y cô, các b n h c và
viên, giúp

ng nghi p ã

tôi hoàn thành công vi c.
Xin chân thành c m n !

ng


3

M CL C
Trang ph bìa-----------------------------------------------------------------------------------1
L I C M N----------------------------------------------------------------------------------2
M C L C--------------------------------------------------------------------------------------3

DANH M C CÁC KÝ HI U, CH

VI T T T-----------------------------------------5

DANH M C CÁC B NG, HÌNH V ,
M

TH ------------------------------------------7

U--------------------------------------------------------------------------------------13

CH

NG 1. H VI

U KHI N PSoC™

1.1 Công ngh SONOS

14

1.2 PSoC™ H th ng kh trình trên chíp

15

1.3 Các

c

m chính c a vi

16

1.4 Các

c

m u vi t c a chíp PSoC™

u khi n PSoC™

17

1.5 M t vài h n ch c a chíp PSoC™

18

1.6 T ng quan v h th ng

19

1.7

n v x lý trung tâm CPU

21

1.8 B t o t n s (Frequency Generator)

22

1.9 Công su t tiêu th c a chíp PSoC™

24

1.10 Tái kh i

26

ng (Reset)

1.11 Các l i vào ra s (Digital Input and Output)

27

1.12 Các l i vào ra t

30

ng t (Analog Input and Output)

1.13 Truy c p các kh i s kh trình

31

1.14 Các kh i t

36

1.15 B t o

1.16

ng t kh trình (Analog Programable Blocks)

n áp tham chi u

n v MAC (multiplycation Accumulator)

1.17 B suy hao (Decimator)

40
42
44

1.18 B

u khi n I2C (I2C Controller)

44

1.19 B

u khi n ng t

45

1.20 Không gian

a ch

1.21 Ph n m m phát tri n ng d ng PSoC™ Designer

46
48


4

CH

NG 2. LÝ THUY T
2.1 B

U KHI N PID

u khi n PID

50

2.2 S d ng mô hình x p x b c nh t có tr c a

it

ng

52

2.3 Xác

nh tham s b ng th c nghi m

54

2.4 Ph

ng pháp Chien-Hrones-Reswick

55

2.4 Ph

ng pháp t ng T c a Kuhn

38

CH

NG 3.

D NG VI
3.1. Xác

I U KHI N T C

NG C

THEO THU T TOÁN PID S

U KHI N PSoC™
nh các yêu c u bài toán

61

3.2 Kh i hi n th (LCD 16x2)

61

3.3 Kh i bàn phím 4x4

63

3.4 Kh i giao ti p máy tính

66

3.5 Kh i m ch công su t

u khi n

ng c

67

3.6 Kh i ngu n nuôi

68

3.7 Kh i x lý trung tâm PSoC™

69

3.8 Thu t toán

71

u khi n PID

3.9 K t qu

72

K T LU N

75

TÀI LI U THAM KH O

76

PH L C

77

1. S

chi ti t m ch

2. Mã ngu n ch
3. C u hình ch
4. Mã ngu n ch

u khi n

ng c s d ng chíp PSoC™

ng trình nhúng n p cho chíp PSoC™ CY8C27443
ng trình bên trong chíp PSoC™ CY8C27443
ng trình LabView

77
78
90
91


5

DANH M C CÁC KÝ HI U, CH

VI T T T

A
ACB- Analog Continuous Blocks
AD- Analog to Digital Converter
AGND- Analog Ground
ALU- Athrimectic and Logic Unit
ASC- Analog Switch Type C
ASD- Analog Switch Type D
B
BC- Broadcast Line

C
CISC- Complex Insructions Set Computer
CMOS- Complementary Metal Oxide Semiconductor
CPU- Central Processing Unit
CRC- Cyclic Redunduncy Check
D
DA- Digital to Analog Converter
DSP- Digital Signal Processing
DTMF- Dial Tone Multifrequency
F
FPGA- Field Programable Gate Array
G
GIE- Global Input Even
GIO- Global Input Odd
GOE- Global Output Even
GOO- Global Output Odd
GPIO- General Purpose Input Output
H
HDL- Hardware Description Language


6

I
I2C- Inter Intergrated Circuit (Inter-IC)
IC- Intergrated Circuit
ILO- Internal Local Oscilator
IMO- Internal Main Oscilator
IrDA- Infrared Data Association
IP-Intellectual Properties

M
MAC- Multiply Accumulate
O
AP-AM - Operational Amplifier
P
PC- Program Counter
PCH- Program Counter Hight
PCL- Program Counter Low
PDA- Portable Digital Access
PSoC™ -Programable System on Chip
POR- Power on Reset
PRSPWM- Pulse Width Modulation
R
RAM- Read Only Memory
RO- Row Output
ROM- Read Only Memory
S
SC- Switch Capacitor
SISO- Serial In Serial Out
SMP- Switch Mode Pump
SoC- System on Chip


7

SP- Stack Pointer
SPI- Serial Programming Interface
SRAM- Static Random Access Memory
U
UART- Universal Asynchroneous Rceiver Transmiter

W
WDT- Watch-dog Timer


8

DANH M C CÁC B NG, HÌNH V ,

TH

Các hình s d ng trong lu n v n
Hình 1: Mô hình chíp PSoC
Hình 2: M t c t ngang c a l p SONOS
Hình 3.Chíp PSoC CY8C27442 PDIP
Hình 4. Ki n trúc chung c a h vi

u khi n PSoC

Hình 5: C u t o CPU
Hình v 6. H th ng
Hình 7: Ho t
Hình 8. M ch

ng h trong PSoC

ng ti t ki m n ng l

ng c a vi

u khi n PSoC

n reset ngoài

Hình 9. Thao tác truy xu t c ng
Hình 10. Ch

Strong

Hình 11. Ch

Analog Hi-Z

Hình 12. Ch

Open Drain

Hình 13. Các l i vào/ra t

ng t

Hình 14. Truy c p các kh i s
Hình 15.K t n i

ng dây l i vào toàn c c

Hình 16. K t n i thông qua b h p kênh
Hình 17. Các kh i s kh trình
Hình 18. Các ngu n
Hình 19. M ch

ng h kh d

n logic

Hình 20. K t n i các

ng dây vào ra

Hình 21. Các kh i s kh trình
Hình 22. Các kh i t
Hình 23. Các l i ra t
Hình 24. Cung c p

ng t
ng t
ng h cho các kh i t

ng t

Hình 25. i n áp tham chi u AGND trong PSoC
Hình 26. Các giá tr
Hình 27. Ch

n áp tham chi u trong PSoC

b m i n áp SMP


9

Hình 28. Ph n c ng th c hi n phép nhân 8x8 bít
Hình 29.Quá trình nhân
Hình 30. Các ng t x y ra
Hình 31. Không gian

a ch trong PSoC

Hình 32. Ph n m m thi t k PSoC

Designer

Hình 33. Ph n c ng l p trình cho chíp PSoC
Hình 34. a. i u khi n v i b

u khi n PID

Hình 34. b. i u khi n v i b

u khi n PID

Hình 35. Nhi m v c a b

u khi n PID

Hình 36. Hàm quá
Hình 37.a. Xác

nh tham s cho mô hình x p x c a

Hình 37.b Xác

nh tham s cho mô hình x p x c a

Hình 38.a Xác

nh h ng s khu ch

it ih n

Hình 38.b Xác

nh h ng s khu ch

it ih n

Hình 39. Hàm quá

cho

it

ng thích h p cho ph

it
it

ng
ng

ng pháp

Chien-Hrones-Reswick
Hình 40. Quan h gi a di n tích A và t ng các h ng s th i gian
Hình 41.S

kh i h th ng

Hình 42. Module LCD
Hình 43. LCD HD4478A Base
Hình 44.C u trúc ghép n i bàn phím 4x4 v i vi i u khi n PSoC
Hình 45. GPIO
Hình 46 .L u

t

ch

Pull-Down

thu t toán quét bàn phím

Hình 47. Kh i m ch giao ti p gi a vi

u khi n PSoC

RS232
Hình 48. Kh i m ch công su t
Hình 49. M ch ngu n

u khi n

n áp +5Volt

Hình 50.M ch ngu n n áp +12Volt
Hình 51.S

kh i m ch o t n s

ng c

và máy tính PC qua c ng


10

Hình 52.C u hình máy o t n s trên chíp PSoC
Hình 53.K t qu thu t toán PID
Hình 54. S

chi ti t b ng m ch

Hình 55. C u hình ch
Hình 56. Mã ngu n ch

u khi n s d ng chíp PSoC

ng trình bên trong chíp PSoC
ng trình

CY8C27443

CY8C27443

c c ng COM s d ng ph n m m LabVIEW 7.1

Các b ng s d ng trong lu n v n
B ng 1. Ch
B ng 2. S l

u khi n các chân
ng các kh i s trong m i thành ph n ch c n ng

B ng 3. Các giá tr

n áp tham chi u

B ng4. Các h s l a ch n theo ph

ng pháp th hai c a Nichols-Ziegles


11

M

U

N i dung chính c a lu n v n này là nghiên c u và phát tri n ng d ng trên
m t h vi
nh

n

c ta : h vi

Nh ng tr
h vi

u khi n hi n ang còn m i m và r t

u khi n PSoC™ c a hãng Cypress Micro System.

c khi tìm hi u v PSoC chúng ta s xem xét nguyên nhân nào khi n cho

u khi n này

c nhi u ng

i quan tâm

Theo m t cu n sách tr ng (white-book)
a ra m t con s d

vi c nh : i u khi n

c công ty Sun Microsystem công b

n 100 vi

ã

cu i th p niên

u khi n các lo i nh m th c hi n các công

n tho i s và các lò vi sóng, máy video cassete, máy thu

hình, các thi t b liên l c di
ph n ánh m c

n th .

oán: m t gia ình có m c s ng trung bình

này s s d ng kho ng 50

nh n

c quan tâm trên th gi i c ng

ng, PDA vvv...Th m chí có th xem nh con s này

thu nh p c a gia ình trong các n

c phát tri n...Không th ph

c m t th c t là ã có m t con s kh ng l các vi i u khi n và vi x lý

c s d ng trong các

n t gia d ng.[6]

Bên c nh các ng d ng gia ình m t l nh v c khác c ng ang kích thích s t ng
tr

ng c a vi

u khi n ó là th

d ng, lo i th có dung l
ra tin c y h n. V i

n t . V i vi c thanh toán qua th tín

ng b nh nhi u h n so v i lo i th t thông th

c tính mà nhi u ng

này ã th hi n m i kh n ng
ng

ng m i

ng và t

i ch p nh n là th thông minh, lo i th

thay th ti n m t.

u ó còn có ngh a là s l

ng

i s d ng th thông minh s là m t con s vô cùng l n. Còn có th k ra nhi u

s ki n khác: m t xe ô tô lo i trung bình có kho ng 15 b vi
Mercedes S-class
b vi

i 1999 có t i 63 b vi

u khi n. Theo cách nhìn

u khi n, trong khi lo i BMW có t i 65

ánh giá m t b vi

ra d dàng khi s d ng trong các thi t b

u khi n, xe ô tô

u khi n thì chúng luôn t

n t ho c các h th ng

n t s , ch ng

h n nh trong m t máy gi t dùng trong gia ình. B ng vi c s d ng vi
các s n ph m c n
b od

n r t ít chi phí khi nâng c p, r t ít linh ki n d tr cho b o hành

ng. Nói khác i vi

l n do có ch t l

u khi n

u khi n mang l i nhi u l i nhu n và s c c nh tranh r t

ng cao nên nhi u ng

i c ng

i dùng c ng nh nhà s n xu t

u


12

xô

n v i các vi
n gia d ng, vi

u khi n. Càng

c s d ng r ng rãi,

c bi t là trong các

u khi n càng t ng thêm tính h p d n v phía ng

càng mang l i nhi u l i nhu n cho nhà s n xu t và cung ng
thêm

ng l c

PSoC ã ra

t ng tr

ng v s l

i và phát tri n

i dùng

ng th i càng t ng

ng [6]. Trong xu th chung y công ngh

t o nên m t s thay

i l n ó chính là dòng vi

i u khi n mang nhi u tính n ng m i và h p d n, nó có th thay th các thành ph n
k t h p c a c m t h th ng phát tri n d a trên n n các vi

b ng ch m t thi t b có kh n ng tái c u hình
device)

ng th i giá thành l i r .

h p m t CPU nhanh, b nh ch
l c thúc

y

n chíp (single- chip configurable

ây th c s là m t công ngh

u vi t,

c tích

ng trình FLASH, b nh d li u SRAM.

t o ra các sáng ki n c a ng

các m ng s và t

u khi n truy n th ng

i dùng chính là kh n ng c u hình cho

ng t (digital and analog array)

kh i PSoC (PSoC blocks) nó cho phép ng

ng

bên trong chíp

c g i là các

i dùng l p trình các thu t toán x lý

ph c t p m t cách d dàng b ng ngôn ng C ho c Assembly. So v i các vi

u

khi n thông d ng nh AT8051, 68HC11 ho c 68HC908 c a Motorola, Microchip
PIC16#73 có c u trúc CPU ngo i vi c

nh thì chíp PSoC có kh n ng m m d o

thích ng v i a d ng ng d ng c s và t

ng t , nh t là có kh n ng tái c u hình

ng (Dynamic reconfigurable) cho phép nhi u ch c n ng
m t chíp t i các th i
máy bán hàng t

c thi t l p trên cùng

m khác nhau trong cùng m t ng d ng. Ví d : trong m t

ng c a hãng Cocacola s d ng chíp PSoC thì 23 gi 59 phút

hàng ngày thi t b này làm nhi m v nh n ti n và bán

u ng, trong m t vài giây

m i êm nó th c hi n vi c tái c u hình tr thành m t modem 300 baud, th c hi n
nhi m v chuy n t i các thông tin v
tr ng thái b o d
trong o l

ng v trung tâm

u ng, ti n thu

c cùng các thông tin v

u hành. Công ngh ch t o chíp thông minh

ng và i u khi n trên c s PSoC có hi u qu kinh t r t cao, do chíp

PSoC có kh n ng x lý h n h p các tín hi u t

ng t và s . Nó cho phép phát tri n

các s n ph m m i nhanh chóng, d dàng m r ng các ch c n ng sau này. Công
ngh PSoC™ cho ta nhi u gi i pháp l a ch n và h tr

a ng d ng, t

ol

ng,

i u khi n, x lý, truy n thông, k t n i m ng trên cùng m t chíp v i giá thành th p.


13

H th ng ph n m m h tr thi t k
Cypress Micro System có

y

ng d ng trên chíp PSoC™ Designer c a hãng
các ch c n ng thi t k , s p x p các kh i, mô

ph ng, l p trình, tìm l i và n p chíp hi n

i, có các mô un ng d ng phong phú

giúp ta không ph i l p trình trên các ngôn ng

HDL (Hardware Description

Language) khó hi u. Ngoài ra giá thành c a m t chíp PSoC™ tr ng r t r (15USD/chíp), r h n r t nhi u so v i các chíp ngo i khác.
V i chíp PSoC™ c a hãng Cypress Micro System chúng ta th y
-

ây là công ngh m i (
c

nh h

ng

i u khi n v i s l
- Là chíp
hi u t

c bình ch n là công ngh sáng t o c a n m 2001) ã

phát tri n các chíp thông minh cho các thi t b

ol

ng và

ng l n và giá thành th p.

u tiên trên th gi i v i các b x lý có kh n ng x lý

ng th i các tín

ng t , s và truy n thông phong phú nh t trong các công ngh

SoC™ hi n

i. Gi i pháp Processor + FPGA c a hãng Altera ho c Xilinx và các hãng khác ch

cho phép ta t o ra các chíp s có b x lý (Digital IC) ho c m t s ch c n ng
analog c

nh nào ó.

- Là công ngh có ch c n ng nhân c ng (MAC) cho phép phát tri n các thu t toán
x lý nhanh nh các phép tính c a chíp DSP.
-

u t

cho các công c phát tri n, h th ng ph n m m thi t k và các IP

(Intellectual Properties) r h n nhi u so v i các công c phát tri n và ph n m m
thi t k FPGA
- Ph

ng pháp l p trình cho chíp v

t ra kh i ràng bu c c a các ngôn ng HDL

ph c t p, kém hi u qu mà áp d ng ph
m c cao nên th i gian thi t k
- Là m t công ngh tiên ti n
c u

n

ng pháp l p trình m i theo kh i ch c n ng

c rút ng n áng k .
c ngoài nh ng l i r t phù h p cho trình

Vi t Nam do có công c h tr hi n

dàng nhanh chóng t o ra
s n xu t và

i s ng.

nghiên

i giúp cho các c s c a Vi t Nam d

c các s n ph m m i c a mình ph c v thi t th c cho

ây là c h i cho các doanh nghi p Vi t Nam c ng nh các

nhóm say mê nghiên c u có c h i
áo có các chíp thông minh ch a

t

ng ý t

n thành công l n v i các s n ph m

c

ng sáng t o và bí quy t c a riêng mình.

14

CH

NG 1. H

VI

U KHI N PSoC™

1.1 Công ngh SONOS [8]
- Khi chúng ta phát tri n các ng d ng
th

n t d a trên n n vi

u khi n, m t v n

ng g p ph i ó là s c n thi t ph i có thêm các thi t b ngo i vi ph tr

làm vi c cùng v i vi
khu ch

u khi n, nh là các b khu ch

i công c , các b l c, các b

nh th i, các m ch s logic, các b bi n

AD, DA…vv. Xây d ng các ph n t này th
chúng chi m nhi u không gian,

i thu t toán OP-AM,
i

ng mang l i nhi u khó kh n ph c t p:

c bi t m t nhi u th i gian khi thi t k ch t o

m ch in, tiêu t n công su t ngu n nuôi... T t c các y u t

ó s góp ph n làm cho

giá thành s n ph m t ng cao, kéo dài th i gian hoàn thành s n ph m (time-tomarket)…..
S ra

i c a vi

u khi n PSoC™ ã bi n gi c m c a các k s

i n t thành s

th c b ng vi c tích h p t t c các ngo i vi c n thi t trong ng d ng vào bên trong
m t chíp!

Hình 1. Mô hình chíp PSoC
Các IC PSoC™

c xây d ng d a trên m t quy trình s n xu t FLASH

(SONOS-Silicon Oxide Nitrous Oxide Silicon Semiconductor).
ngh v a r v a có

ây là m t công

tin c y cao so v i các công ngh FLASH thông th

thành r là do quy trình SONOS
chu n và ch c n thêm có 3 l p ph

c áo

ng. Giá

c t o nên trên n n m t l p CMOS m ng tiêu
t o ra m t t bào NV.

tin c y có

c là


15

do các t SONOS l u tr
nh này kh c ph c

n tích trong l p các b nh Nitride làm cho các t bào

c nh ng khuy t

M c dù công ngh SONOS ã
trình này ch th c s

c

m c a các c ng Oxide (Oxide gate).

c phát tri n trong nhi u n m tr

c, nh ng quy

a vào s n xu t t o ra các thi t b có th tích l n trong

vài n m tr l i ây. Chìa khoá cho công ngh này chính là kh n ng
ng h m oxide (tunnel oxide) dày

cv i

u khi n các

chính xác không quá vài ph n tr m

bên trên m t b m t c c k m ng [8].

Hình 2. M t c t ngang c a l p SONOS (l p m ng màu tr ng n m ngang chính là
ng h m oxide kích th

c 20 angstroms)

Công ngh PSoC là m t trong nh ng công ngh thúc

y quá trình ti n hoá c a

máy tính i n t , thoát kh i các ràng bu c c a h máy tính c ng (Rigid Computing
Machine) sang th h máy tính t thích nghi (Adaptive Computing Machine).
1.2 PSoC™ H th ng kh trình trên chíp.
-PSoC™ (Programable System on Chip- h th ng kh trình trên chíp) cho chúng ta
th y t t c các khái ni m m i trong s phát tri n c a vi

u khi n. Thêm vào ó là

t t c các thành ph n c a m t vi

u khi n 8 bít tiêu chu n. PSoC™ óng gói trên

m t chíp các kh i có tính n ng t

ng t (Analog Blocks) và s (Digital Blocks) l p

trình

c. B n thân các kh i này s cho phép chúng ta th c hi n vi c c u hình

t o ra m t l

ng l n các lo i ngo i vi c n thi t cho ng d ng trên n n vi

u khi n.

Các kh i s (Digital Blocks) bao g m các kh i kh trình nh h n cho phép c u
hình

t o ra các l a ch n cho s phát tri n các thành ph n s .


16

Các kh i t

ng t (Analog Blocks)

ng t ví d nh : các b l c t
toán thu n,

o, các b bi n

c s d ng

phát tri n các thành ph n

ng t , các b so sánh, các b khu ch

i thu t

i AD và DA.

Có m t s các h PSoC™ mà chúng ta có th l a ch n cho vi c phát tri n các ng

d ng c a mình tùy thu c vào yêu c u c th c a ng d ng. Ch có m t s khác nhau
b n gi a các h PSoC™ , ó là s l

ng các kh i s , t

ng t kh trình và s

chân vào ra.
S l

ng các thành ph n kh trình ó có th coi nh là kh n ng chính

t o ra các

ch c n ng. Tùy thu c vào t ng h PSoC™ khác nhau, m t chíp PSoC™ có th có
t 4

n 16 kh i s , 3

n 12 kh i t

ng t kh trình.

Chíp PSoC™ có nhi u lo i khác nhau, t các lo i CY8C21XXX cho t i các lo i
CY8C29XXX nh ng trong khuôn kh lu n v n này chúng ta s ch

i sâu tìm hi u

các ng d ng phát tri n trên m t lo i chíp PSoC™ CY8C27443.

Hình 3. Chíp PSoC CY8C27443 PDIP
1.3. Các

c

m chính c a vi

u khi n PSoC™ [10]

M t s các tính n ng n i b t nh t c a vi
-

u khi n PSoC™ ó là :

n v MAC, là ph n c ng th c hi n phép nhân 8x8 bít, k t qu

trong m t thanh ghi tích l y 32 bít.

cl u


17

- i n áp làm vi c có th thay

i

- Các b bi n

i AD lên t i 14 bít

- Các b bi n

i DA lên t i 9 bít

- Các b khu ch

i

c, 3.3 ho c 5 Volt

n áp kh trình

- Các b l c và b so sánh kh trình
- Các b

m và b

nh th i 8, 16 ho c 32 bít

- B t o mã CRC và b t o chu i gi ng u nhiên
- Hai b thu phát không

ng b v n n ng song công

- Nhi u thi t b l p trình n i ti p SPI (Serial Programming Interface)
- Các l a ch n k t n i cho t t c các chân l i ra (output pin)
- L a ch n trong vi c t h p các kh i
- L a ch n l p trình trên t ng không gian b nh xác
-

i v i t t c các chân

nh và b o v ghi

u có các tr ng thái có th l a ch n: Pull up, Pull

down, Hight Z, Strong ho c Open.
- Có kh n ng sinh ra các ng t trong quá trình thay

i tr ng thái trên t t c

các chân vào ra (Input/Output pin)
- Truy n thông I2C ch , t ho c Multi I2C t c
- M ch

n giám sát

n áp

có th lên t i 400Khz

c tích h p s n bên trong.

- i n áp tham chi u chu n n i sinh.
1.4. Các

c

m u vi t c a chíp PSoC™

Cách t t nh t

th y

ó là so sánh v i các lo i vi
Các

c

c

m u vi t c a vi

u khi n PSoC™

u khi n khác.

m u vi t ó là:

- Không có m t lo i vi
thu n

c các

o, khu ch

u khi n nào khác có các b khu ch

i công c , khu ch

i

n áp l p trình

i thu t toán

c.

- Ph n c ng t o ra mã CRC và mã gi ng u nhiên gi ng nh các b

u ch

ng t (Analog Modulators). Ch c n ng này ch có duy nh t trên PSoC™.
- MAC (Multiply - accumulate) thanh ghi nhân tích l y 8x8 bít.

ây là m t

thành ph n c t y u c a các b x lý tín hi u s , nó cho phép th c hi n các thu t


18

toán x lý tín hi u s m t cách nhanh chóng. Giá tr

áng

ph n c ng nhân tích l y này không ph i là thành ph n th

ý c a nó chính là

ch

ng có trong các h vi

i u khi n 8 bít khác.
- Kh n ng ho t

ng v i

n áp thay

tr ng trong vi c phát tri n các thi t b
và th c hi n vi c chuy n m c
- Kh n ng l a ch n ho t

i

c.

c tính này

c bi t quan

n t m i mà không c n thi t k l i m ch in

n áp.
ng v i

n áp ngu n nuôi th p (~1Volt) là m t

l i th tuy t v i khi làm vi c trong các h th ng s d ng ngu n nuôi là pin.
- Vi c c u hình và ho t
(Timers) và b

u ch

i u khi n thông th
-T

ng c a các b

m (Counters), b

nh th i

r ng xung (PWMs) linh ho t h n r t nhi u so v i các vi

ng.

ng ghi mã cho vi c truy xu t t i t t c các ngo i vi ang s d ng.

- Trong tr

ng h p c n thi t ph i s d ng t i m t l

ng l n các thành ph n

kh trình, PSoC™ cho chúng ta m t l a ch n, ó là kh n ng c u hình

ng

(Dynamic reconfiguration). Kh n ng này cho phép chúng ta thay

i các ngo i vi

trong th i gian ch y (run-time). Theo cách này t i c a b vi x lý

c gi m thi u

t i m i th i

m, dành ph n l n công vi c cho các thành ph n ph n c ng chuyên

bi t.
1.5. M t vài h n ch c a chíp PSoC™
Bên c nh nh ng u i m n i b t nêu trên thì PSoC™ c ng có m t vài h n ch mà
chúng ta c n ph i

ý khi l a ch n PSoC™ cho các thi t k c a mình.

- Trong các h th ng yêu c u
th n y sinh v n

v i

c tính c a các thi t b t

chúng ta nên phân tích xem t c
nhi u c a các b khu ch

- Các thành ph n t
thông th

ng. Ví d m c

c l y là

t AGND (th

chính xác ho c các phép o t c

c a b chuy n

i thu t toán có áp ng

ng t . Trong t
i AD và
c yêu c u

ng h p này

l ch m t chi u/
t ra không .

ng t không có kh n ng làm vi c v i ngu n
n áp không cung c p cho các b khu ch
ng là 2,5 Volt). T t c các

cao có

n áp âm
i thu t toán

n áp trên m c

t

u


19

c coi là i n áp d

ng, trong khi t t c các

n áp d

im c

t

u

c coi là

các i n áp âm.
-H u n

t t c các h vi

ng này có th là h i nh

u khi n PSoC™

u có 256 byte RAM, s

i v i m t vài ng d ng.

1.6 T ng quan v h th ng
Vi i u khi n PSoC™

c thi t k d a trên n n ki n trúc CISC-8 bít. C u t o

chung c a chúng cùng v i các kh i c s

c bi u di n nh

Hình 4. Ki n trúc chung c a h vi

hình 1

u khi n PSoC

Các thành ph n c u t o nên vi i u khi n PSoC™ bao g m:
-

n v x lý trung tâm (CPU unit).
ây là ph n chính c a vi

ch

u khi n, m c ích c a nó là th c thi các câu l nh c a

ng trình và i u khi n ti n trình làm vi c c a các kh i khác.

- B t o t n s (Frequency generator)


20

T o ra các tín hi u

nh th i c n thi t cho CPU ho t

ng, c ng nh cung c p các

t n s cho các kh i PSoC™ kh trình làm vi c. Các tín hi u này
trên b dao
-B

ng n i t i ho c tín hi u dao

u khi n tái kh i

ng tham chi u t bên ngoài.

ng (Reset Controller)

Cho phép vi i u khi n b t

trong tr

c t o ra d a

u ho t

ng và

a vi i u khi n v tr ng thái ban

u

ng h p x y ra các s ki n không mong mu n.

- B canh gi Watch Dog (Watch Dog timer)
c s d ng

phát hi n các vòng l p ch t c a ch

ng trình ph n m m (Dead -

loops software).
-B

nh th i gian ng (Sleep timer)

Có th

theo chu k

" ánh th c" vi

ng ti t ki m n ng l
thông th

u khi n PSoC™ thoát kh i tr ng thái ho t

ng. Nó c ng có th

c s d ng nh m t b

nh th i

ng.

- Các chân vào ra (Input/Output pins)
Cho phép th c hi n vi c trao

i thông tin gi a CPU, các kh i s , t

ng t kh

trình và th gi i bên ngoài.
- Các kh i s kh trình (Digital programable blocks)
c s d ng
- Các kh i t

t o ra các thành ph n s kh trình

c ng

i dùng l a ch n.

ng t kh trình (Analog programable blocks)

c s d ng

t o ra các thành ph n t

ng t nh các b chuy n

i AD, DA,

các b l c (Filters), các b thu xung a t n (DTMF receiver), các b khu ch
thu t toán thu n,
các ho t
-B

o, khu ch

i công c kh trình. B

ng c n thi t trong tr

i

u khi n ng t

u khi n

ng c a các thành ph n t

ng t bên

ng h p x y ra ng t.

u khi n I2C (I2C Controller)

Cho phép th c hi n vi c truy n thông theo chu n I2C.
- Tham chi u

n áp (Voltage reference)

Là m t thành ph n c n thi t t t y u cho ho t
trong các kh i t
-

ng t kh trình.

n v MAC (MAC unit)


21

c s d ng cho các ho t

ng c a ph n c ng thi t k cho vi c th c hi n các

phép nhân 8 bít.
- SMP

ây là m t h th ng có th

c s d ng nh là m t thành ph n n

Ví d : nó có th cho phép cung c p ngu n cho vi
pin 1.5 Volt
1.7

n áp.

u khi n PSoC™ t m t ngu n

nl .

n v x lý trung tâm (CPU )

Trong khi l p trình các câu l nh
m t cách d hi u
th i

nh

i v i vi

m t b nh ch

c l u trong b nh ch

ng trình (Flash) theo

u khi n. CPU th c hi n t ng câu l nh t i m i m t

ng trình, gi i mã nó và th c hi n các ho t

ng t

ng ng.

n v x lý trung tâm CPU có m t s thanh nghi n i t i: PC (Program counter)thanh ghi b

m ch

ng trình, SP (Stack pointer)- thanh ghi con tr ng n x p,

thanh ghi A, X và thanh nghi c F (Flag) , hoàn toàn gi ng nh m t
h c ALU (Athrimetic and Logic Unit) và m t

n v x lý s

n v gi i mã l nh cùng k t h p

th c thi m t câu l nh.

Hình 5. C u t o CPU
I.7.1 Thanh ghi b

m ch

ng trình (PC-Program Counter)

c s d ng nh m t con tr dùng
s

tr t i câu l nh ti p theo c a ch

c th c thi. Sau m i m t l nh m i giá tr c a b
ch t i câu l nh ti p theo trong b nh ch

ng trình s

1.7.2 Thanh ghi con tr ng n x p (SP- Stack Pointer)

m ch

ng trình s

ng trình
c

c gi i mã và th c thi.

t


22

Ch t i

a ch c a b nh SRAM, n i ó d li u

thu c các câu l nh t
u trong SP

ct

c ghi vào ho c

c ra tùy

ng ng PUSH ho c POP. Khi x y ra các câu l nh này giá tr
ng t ng lên ho c gi m i.

1.7.3 Thanh ghi tích l y (A - Accumulator)
Là thanh ghi chính i u khi n t t c các thao tác toán h c, logic hay chuy n d li u.
1.7.4 Thanh ghi ch s (X- Index)
Có th

c dùng v i ch c n ng nh thanh ghi A trong ph n l n các câu l nh.

Ngoài ra nó còn

c dùng trong các tr

ng h p s d ng

a ch ch s (Index

Addressing ).
1.7.5 Thanh ghi c (F- Flag)
Ch a

ng các bít mô t k t qu c a câu l nh ã

c th c thi tr

m t quy t c l a ch n b nh phân trang RAM trong tr

c ó. Nó c ng có

ng h p khi vi

u khi n

PSoC™ có nhi u h n 256 byte RAM. Bít c không Z (Flag Zero) c ng ch ra r ng
thanh ghi tích l y l u tr m t giá tr 0. Trong khi bít c nh C (Carry) cho th y có
x y ra nh trong các ho t
1.7.6

ng toán h c ho c logic.

n v logic-s h c (ALU- Athrimetic Logic Unit)

ây là m t thành ph n tiêu chu n c a m t CPU, nó

c s d ng trong các thao tác

toán h c nh c ng, tr , d ch trái, d ch ph i ho c các thao tác logic. D li u
ng b i các câu l nh có th

c tác

c l u tr trong các thanh ghi n i A, X ho c trong

b nh RAM.
1.8 B t o t n s (Frequency Generator)
B t o t n s là m t thành ph n không th thi u
m t thành ph n kh trình bên trong chíp PSoC™
t c
nhau.

. Do v y PSoC™ có m t h th ng dành
i u này

i v i s ho t

u có m t yêu c u riêng bi t v
t o ra các tín hi u có t n s

c th c hi n b ng vi c l a ch n các tham s t

6 ch ra hai h th ng

ng c a CPU. M i

khác

ng ng. Hình v

c l p t o ra các tín hi u SYSCLK và CLK 32k

23

Hình 6. H th ng

ng h trong PSoC

1.8.1 SYSCLK
ây chính là tín hi u
là tín hi u

ng h ch n i t i có t n s 24 MHz. Nó

c s d ng nh

ng h tham chi u cho h u h t các tín hi u khác.

1.8.2 SYSCLKx2
Là tín hi u

ng h v i t n s 48MHz, g p ôi tín hi u SYSCLK.

1.8.3 24V1
Là tín hi u thu
i

c b ng vi c chia t n s SYSCLK v i tham s N1, N1 có th thay

c t 1 t i 16. T n s c a 24N1 t

ng

ng v i SYSCLK/N1, t c là nó s

có t n s t 1,5MHz (SYSCLK/16) t i 24MHz (SYSCLK/1).
1.8.4 24V2
Là tín hi u thu
i

c b ng vi c chia t n s 24MHz v i tham s N1, N1 có th thay

c t 1 t i 16. T n s tín hi u 24V2 t

nó có th thay
1.8.5 24V3

i

ct

ng

ng v i SYSCLK/N1N2, t c là

93,75Khz (N1, N2=16) t i 24 MHz (N1, N2=1).


24

Là tín hi u thu

c b ng vi c chia t n s c a m t trong các tín hi u 24V2, 24V1,

SYSCLK và SYSCLKx2 v i tham s N, N ch y trong gi i t 1 t i 256.
1.8.6 CPU_CLK
c s d ng nh t n s ho t

ng c a CPU, nó có nh h

ng tr c ti p t i t c

th c thi câu l nh. CPU_CLK có th nh n b t k m t trong tám giá tr t n s nào
trong d i t 93,75Khz t i 24MHz.
Vi c l a ch n t n s 24V1, 24V2, 24V3 ho c CPU_CLK r t d dàng b ng vi c l a
ch n các tham s phù h p trong trang Device Edittor ho c trong khi ang ho t

ng

b ng cách thông qua các bít th p trong thanh ghi OSCCR0.
1.8.7 CLK32K
Là m t tín hi u t c

th p v i t n s 32Khz. Nó có th

thành ph n l i vào kh trình. Ho c c ng có th
th c (wake up) c a b

c s d ng nh m t

c dùng cho các ho t

nh th i gian ng (Sleep timer) trong tr

i u khi n b i SYSCLK không

c b ng cách s d ng b dao

(IMO-Internal Main Oscilator) trong khi tín hi u CLK32K thu
ng

Sai s

a ph

ng ch n i t i
c thông qua b

ng n i t i (ILO-Internal Local Oscilator).

ng h 2,5% trong tr

i v i các ng d ng òi h i
tín hi u

ng h p tín hi u

c kích ho t.

Tín hi u SYSCLK có th thu

dao

ng ánh

ng h p s d ng b dao

ng n i chính là gi i h n

chính xác cao. Trong tr

ng h p ó nên s d ng

ng h SYSCLK tham chi u t bên ngoài. D i t n s bên ngoài có th s

d ng t 1MHz t i 24MHz,

c n i v i PSoC™ thông qua chân P1[4].

Tình hu ng t

i v i ngu n

ng t x y ra

c ng có th

c t o ra t b dao

ng

ng h CLK32K, ngu n
a ph

ng h này

ng n i t o ILO ho c m t ngu n

ng h ngoài 32Khz chính xác h n.. Trong c hai tr

ng h p vi

u khi n kh i

ng v i b t o t n s n i t i, sau ó nó s c n thi t ph i tuân theo các th t c
ng ng.
1.9 Công su t tiêu th c a chíp PSoC™.
T n s tín hi u CPUCLK c a b vi x lý có liên quan tr c ti p t i t c
câu l nh c a vi

u khi n. T n s t ng lên g p ôi, ch

ng trình

th c thi
c th c thi


25

nhanh x p x g p hai l n. M t khác, t n s cao không ph i luôn c n thi t

làm

cho hi u n ng toàn h th ng t t h n. B t l i chính trong vi c t ng t n s là s có các
nh h

ng không mong mu n trong vi c tiêu th công su t ngu n nuôi c a b vi

i u khi n, nh t là khi h th ng ho t

ng b ng ngu n pin. B t l i khác khi s d ng

t n s cao là s x y ra các xuyên nhi u t ,
thi t b xung quanh chíp PSoC™ . Do v y
d ng các ngu n

u này có th gây nh h

ng t i các

tránh các b t l i trên chúng ta nên s

ng h th p nh t có th trong các ng d ng. Giá tr m c

t n s tín hi u trong vi

nh c a

u khi n là 3MHz, ây là giá tr phù h p nh t th a mãn t c

và công su t tiêu th .
duy trì th i gian làm vi c n

nh lâu nh t có th

c

i v i vi

u khi n khi

s d ng ngu n nuôi pin, ó là gi m công su t tiêu th . H u h t các vi

u khi n ch

làm vi c trong m t chu k th i gian nào ó trong khi ph n l n th i gian còn l i là
n m trong tr ng thái ngh . M c tiêu ti t ki m n ng l

ng có th th c hi n

c khi

a vi i u khi n v tr ng thái ng trong khi nó không óng vai trò quan tr ng
trong m ch

n. Ti t ki m n ng l

ng

c th c hi n v i h u h t các t n s , ngo i

tr CPU32K và SLEEP, khi ó b vi x lý s ng ng vi c th c thi các câu l nh. Vi
i u khi n PSoC™ ch có th
l nh tái kh i

ng (reset).

Ng t có th

c t o ra b i b

s

ng h

nh th i gian ng ho c m t vài kh i s s d ng t n

CPU_32K. Các chân vào ra ch c n ng chung GPIO (General Purpose

Input Output) ho c các c t t
B

c ánh th c kh i tr ng thái ng b i các ng t ho c

ng t c ng có th

nh th i gian ng có m t b

m

c s d ng

c bi t. M c ích chính c a b

t o ra các ng t theo chu k , các ng t này cho phép ánh th c vi
kh i tr ng thái ti t ki m n ng l
1

ng. T n s ng t c a b

n 512Hz. Sau khi thoát kh i tr ng thái ng , vi

nh th i gian ng ti p theo. Có m t ki u ng t t

m này là

u khi n thoát

nh th i gian ng có d i t
u khi n th c hi n t t c các

công vi c c n thi t, sau ó nó l i quay tr v tr ng thái ng và ch

i u khi n kh i tr ng thái ng .

ánh th c CPU.

ng ng c n thi t

i m t ng t

ánh th c vi