2.3. Chip PSOC và ứng dụng trong bài toỏn
2.3.1. Sơ đồ cấu trỳc PSOC
2.3.1.1 Sơ đồ khối chức năng của PSOC
Vi điều khiển lập trỡnh được thiết kế dựa trờn kiến trỳc 8 bit CISC. Cấu trỳc chung của Psoc với cỏc khối cơ bản được thể hiện ở sơ đồ sau :
Nguyễn Quang Huy 38
Hỡnh 12: Sơđồ khối chức năng của Psoc
Khối CPU là phần chớnh của Psoc cú mục đớch là thực hiện cỏc lệnh của chương
trỡnh và điều khiển kiểu workflow cỏc khối khỏc .
Khối phỏt cỏc tần số( frequency generator ) dễ dàng tạo ra cỏc tớn hiệu cần thiết cho sự hoạt động của CPU cũng như là một dẫy cỏc tần số mà được sử dụng bởi cỏc khối khả trỡnh . Những tớn hiệu này cú thể được dựa trờn cỏc nguồn dao động bờn trong Psoc hay từ bờn ngoài .
Reset controller cú khả năng làm cho vi điều khiển bắt đầu cỏc hoạt động và mang vi điều khiển đến một trạng thỏi hợp lệ trong trường hợp cú một vào sự kiện bất thường xảy ra .
Watchdog timer cú tỏc dụng để phỏt hiện cỏc lỗi phần mềm ( ở một cõu lệnh nào đú bị lặp đi lặp lại nhiều lần khụng thoỏt ra được gọi là dead_loop )
Sleep timer cú tỏc dụng đỏnh thức timer một cỏch đều đặn từ chế độ tiết kiệm năng lượng . Và nú cú thể được sử dụng như như một timer bỡnh thường khỏc .
Nguyễn Quang Huy 39
Cỏc chõn vào và ra cú khả năng giao tiếp giữa cỏc khối CPU , cỏc khối khả trỡnh số và tương tự và cỏc thiết bị bờn ngoài .
Khối điện ỏp chuẩn rất cần thiết cho sự làm việc của cỏc thành phần tương tự cú ngay bờn trong cỏc khối tương tự khả trỡnh .
2.3.1.2 Sơ đồ chõn và chế độ hoạt động cỏc chõn của Psoc
Hỡnh dưới là cỏc dạng sơ đồ bố trớ chõn của một số chip Psoc điển hỡnh .
Hỡnh 13: Sơđồ bố trớ chõn của chip Psoc
Cỏc chõn của chip Psoc cú khả năng thay đổi chế độ hoạt động tuỳ theo yờu cầu của người sử dụng , cỏc chõn của chip Psoc cú cỏc chế độ hoạt động sau :
4. Đầu ra logic cú thể cung cấp dũng đến 25mA với cỏc điện trở Pull up hay Pull
down bờn trong .
5. Thay đổi được ngắt trờn từng chõn ( khụng quy định cứng chõn nào là ngắt như họ 89 của Atmel ). Tức là cú thể chọn chõn này là ngắt lỳc này và lỳc khỏc nú chỉ là cỏc chõn vào ra thụng thường.
6. Cỏc cổng ra tương tự cú thể cung cấp dũng lờn đến 40mA.
7. Cỏc chõn cú chế độ vào ra ba trạng thỏi (Trigger Schmitt).
8. Cú nhiều cổng vào ra đa chức năng trờn chip .
Cỏc chip Psoc cú cấu trỳc CPU 8 bit dựa trờn cấu trỳc Harvard (là cấu trỳc phổ biến hiện nay mà trong đú bus dữ liệu bus địa chỉ và tớn hiệu điều khiển độc lập với nhau)
Cỏc cổng vào ra đa chức năng trong Psoc :
Thế nào là cỏc cổng vào ra đa chức năng
Cỏc cổng vào ra đa chức năng cung cấp cho CPU một giao diện với bờn ngoài bao gồm cả tương tự lẫn số. Cỏc cổng vào ra đa chức năng cú độ rộng là 8 bit / một cổng và
Nguyễn Quang Huy 40
mỗi một cổng này lại bao gồm 8 khối GPIO giống hệt nhau. Mỗi một khối GPIO được sử dụng cho cỏc kiểu vào ra như sau:
• Vào ra số (cỏc kiểu vào ra số được điều khiển bằng phần mềm)
• Vào ra tồn cục
• Vào ra tương tự (cho cỏc khối tương tự) Mụ tả cấu trỳc của một khối GPIO :
Hỡnh 14: Cấu trỳc một khối GPIO
Sơ đồ khối chớnh của một khối GPIO được mụ tả như hỡnh 3.1.1.2 . Tuy nhiờn một vài chõn khụng cú dủ những chức năng như trong hỡnh vẽ điều này phụ thuộc vào kết nối ở bờn trong.
Vào ra số
Việc trao đổi giữa Psoc và thế giới bờn ngoài đạt được bằng cỏch thụng qua cỏc
chõn vào ra. Cỏc hoạt động đọc và ghi lờn cỏc Port khụng khỏc gỡ cỏc họ vi điều khiển khỏc. Những thanh ghi dựng để truy cập cỏc cổng được cất trong điạc chỉ cỏc thanh ghi như là PRT0DR, PRT1DR… hay viết tắt là PRTxDR.
Quỏ trỡnh ghi dữ liệu ra một Port: khi đú ghi một giỏ trị tới thanh ghi PRTxDR và chỳng ta cú thể tưởng tuợng như sau cỏc thanh ghi này dường như được nối tới mạch
Nguyễn Quang Huy 41
điện qui định cỏc trạng thỏi của cổng (như cao trở , cú điện trở kộo lờn hay kộo xuống …). Cỏc mạch điện này cú thể dẫ tớn hiệu cỏc thanh ghi PRTxDR.
Muốn CPU cú thể trao đổi dữ liệu dạng số với bờn ngoài điều này được thực hiện thụng qua cỏc thanh ghi PRTxDR (cũn gọi là thanh ghi dữ liệu cổng Port Data Register). Khi người sử dụng viết dữ liệu vào thanh ghi PRTxDR , thỡ thanh ghi này sẽ lưư lại trạng thỏi của dữ liệu , mỗi bit trong thanh ghi tương đương một chõn GPIO . Nghĩa là khi ta viết một giỏ trị vào trong thanh ghi PRTxDR thỡ ở đầu ra của cổng tương ứng sẽ cú giỏ trị giống như bờn trong thanh ghi dữ liệu và điện ỏp ở chõn ra phụ thuộc vào chế độ hoạt động của chõn và tải bờn ngoài được nối vào chõn. Quỏ trỡnh được mụ tả như hỡnh vẽ dưới:
Khi ta ghi giỏ trị nào đú vào thanh ghi PRTxDR thỡ ngay lập tức cỏc giỏ trị này được đưa qua một khối điều chỉnh logic và chế độ rồi sau đú mới được đưa đến cỏc Port.
Quỏ trỡnh đọc: Cỏc gớa trị logic của cỏc Port được cập nhật vào trong thanh ghi PRTxDR, khi đú để đọc trạng thỏi cổng ta chỉ cần đọc giỏ trị trong thanh ghi đú
Lưu ý một số chế độ (trạng thỏi) chõn mà Psoc cú (điều này là rất cần thiết khi
thiết kế để chọn chế độ cho đỳng) được định nghĩa trong cỏc bit DM2, DM1.DM0.
• Strong: được sử dụng khi người sử dụng phải nối trực tiếp cỏc trạng thỏi trong thanh ghi PRTxDR tới cỏc chõn. Sự kết nối này được cung cấp khi cỏc
chõn được sử dụng như đầu vào.
Hỡnh 15: Kết nối trực tiếp Strong
• Analog Hi_z: Chế độ này được sử dụng ta cần kết nối với cỏc tớn hiệu analog
(như bộ biến đổi AD). Trong chế độ này tất cả cỏc kết nối bờn trong giữa thanh ghi PRTxDR và cỏc chõn sẽ khụng cũn được duy trỡ (khụng cũn được kết nối nữa) vỡ vậy nú sẽ khụng can thiệp vào cỏc giỏ trị điện ỏp mang nữa(tức là khụng cú sự kết nối với đầu vào ra số nữa).
Nguyễn Quang Huy 42
Hỡnh 16: Kết nối Analog Hi_z
• Chế độ Pull_up và Pull_down (cỏc điện trở treo): được sử dụng khi ta kết
nối cỏc nỳt bấm hoặc cỏc thiết bị khỏc mà cú yờu cầu giống như vậy những . Cỏc điện trở này dựng để hạn chế cỏc trạng thỏicủa đầu vào khi cỏc phớm bấm khụng được sử dụng .
• Open drain: Chế độ này được sử dụng khi ta cần kết nối một vài thiết bị trờn cựng một đường, khi đú nú cần phải thờm vào một điện trở treo lờn hay treo xuống. Chế độ này rất thuận tiện khi đầu ra cụng suấtở mức thấp cũn ở mức cao thỡ là cực mỏng bỏ ngỏ
Hỡnh 17: Kết nối Open drain
Vào ra toàn cục
Cỏc cổng vào ra đa chức năng được nối liền với cỏc khối số thụng qua cỏc vào ra
toàn cục, tuy nhiờn tớnh năng vào ra toàn cục của mỗi cổng được mặc định ở trạng thỏi tắt. Muốn sửdụng ta cần phải thực hiện một số thao tỏc sau:
• Để cấu hỡnh cho một chõn GPIO như một cổng vào ra toàn cục thỡ bit lựa chọn toàn cục phải được set để yờu cầu GPIO sử dụng thanh ghi PRTxGS.
• Đặt chế độ hoạt động của GPIO về trạng thỏi cao trở.
Khi muốn cấu hỡnh cho GPIO hoạt động như một đầu ra toàn cục thỡ bit lựa chọn toàn cục cần phải set lờn lần nữa và khi đú chế độ hoạt động là bất kỳ ngoại trừ chế độ cao trở.
Vào ta tương tự
Tớn hiệu tương tự cú thể được truyền dẫn giữa CPU và chõn của chip thụng qua chõn Aout của khối. Chõn này được nối với khối thụng qua một điện trở ( khoảng 300Ohm). Chõn vào ra đa chức năng cần phải đưa vào chế độ cao trở trong trường hợp
Nguyễn Quang Huy 43
Lấy một vớ dụ cụ thể về chip Psoc CY8C27443 (họ Psoc này được sử dụng trong luận văn) để ta dễ hỡnh dựng về cỏch bố trớ cỏc chõn vào ra tương tự: Cỏc chõn của Port 0 đều là cỏc chõn vào hoặc ra tương tự (hoặc là cả hai chế độ vào và ra trờn cựng một chõn) cũng như 4 chõn thấp của Port 2 là cỏc đầu vào tương tự. Tuy nhiờn lại cú sự khỏc biệt giữa hai Port này như sau: cỏc đầu vào của Port 0 được nối đến cỏc khối tương tự trong Psoc thụng qua cỏc bộ dồn kờnh tương tự, trong khi đú cỏc chõn của Port 2 lại được nối trực tiếp khả trỡnh SC. Trong Psoc cỏc đầu ra (output) cú thể được nối 4 bộ đệm ra.