PSoC微處理器在電動車無刷電機控制器上的應(yīng)用
摘要： PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的一種現(xiàn)場可編程片上系統(tǒng)。片內(nèi)備有通用模擬和數(shù)字模塊，用戶可根據(jù)開發(fā)需要，隨意調(diào)用模塊，實現(xiàn)混合信號陣列的動態(tài)配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動車無刷電機控制器上的應(yīng)用，它將對電壓電流信號的放大、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，以及PWM信號輸出功能全部集成到微處理器的內(nèi)部完成，減少了芯片的外圍器件，提高了系統(tǒng)整體的集成性能和可靠性。
Abstract：
Key words :
電動車作為一種新型的代步工具，已經(jīng)實實在在地被人民群眾所接受。尤其是在當(dāng)前油價飛漲、摩托車牌照發(fā)放受限，汽車的夢想可望而不可即的情況下，電動車越來越受到老百姓的青睞。在中國這樣一個“自行車王國”，電動車的市場空間是值得期待的。業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，未來幾年內(nèi)，電動車的容量幾乎相當(dāng)于自行車的市場容量，全國4.5億輛自行車用戶中至少有3億的用戶將成為電動車的用戶。隨著電動車市場趨向成熟，無刷電機電動車逐漸占據(jù)了80%以上的市場份額，無刷電機控制器也在不斷的技術(shù)進步中被廣大用戶所喜愛，并且將會不斷地推陳出新，以豐富的功能來適應(yīng)市場的變化。
PSoC微處理器是美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司推出的一種現(xiàn)場可編程片上系統(tǒng)。片內(nèi)備有通用模擬和數(shù)字模塊，用戶可根據(jù)開發(fā)需要，隨意調(diào)用模塊，實現(xiàn)混合信號陣列的動態(tài)配置。文中以CY8C24423為例，介紹PSoC在電動車無刷電機控制器上的應(yīng)用，它將對電壓電流信號的放大、處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，以及PWM信號輸出功能全部集成到微處理器的內(nèi)部完成，減少了芯片的外圍器件，提高了系統(tǒng)整體的集成性能和可靠性。
可編程片上系統(tǒng)
由美國賽普拉斯半導(dǎo)體公司倡導(dǎo)并推出的完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來構(gòu)成產(chǎn)品SoC的設(shè)想，并把單片機的發(fā)展從MCU推動到SoC的新階段。這種可編程的SoC取名為可編程片上系統(tǒng)(PSoC)，由基本的CPU內(nèi)核和預(yù)設(shè)外圍器件組成，就是在一個專有MCU內(nèi)和周圍集成了PSoC模塊(可配置的模擬和數(shù)字外圍器件陣列)，利用芯片內(nèi)部可編程互聯(lián)陣列，可以有效地配置芯片的模擬和數(shù)字電路資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。
與傳統(tǒng)的MCU相較，從根本意義上講PSoC系列是一種微控制器，而且是一種可編程片上系統(tǒng)微控制器，它的出現(xiàn)使設(shè)計者逐步擺脫了板級電子系統(tǒng)設(shè)計方法層次而進入芯片級電子系統(tǒng)設(shè)計，減少了單片機的品種和規(guī)格，同時更有利于新品開發(fā)和升級換代。與同種價位的普通單片機比較，其豐富的內(nèi)部資源、新穎的設(shè)計界面、靈活的設(shè)計方式、簡單的編程技巧都使其極具特點。PSoC完全不同于以往的傳統(tǒng)的微處理器。PSoC開發(fā)者不需要自己構(gòu)建ADC、DAC和其它外圍設(shè)備，可以通過PSoC的配置性進行資源調(diào)配，而且PSoC為控制器成功的引入動態(tài)可重新配置功能，真正實現(xiàn)在線可編程，由此可見，一個PSoC微控制器就能代替多種類型的單片機。
PSoC的內(nèi)部框圖結(jié)構(gòu)及資源
賽普拉斯CY8C21×××~29×××系列的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。其資源包括：
圖1：CY8C24423內(nèi)部系統(tǒng)資源框圖。
1. 處理器內(nèi)核
PSoC微處理器CY8C21×××~29×××系列器件使用強大的8位哈佛結(jié)構(gòu)處理器內(nèi)核(M8C CPU)，它具有獨立的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器總線，處理器速度可達(dá)24MHz。擁有豐富的M8C架構(gòu)指令，并可進行I/O和內(nèi)存上的操作。此外系統(tǒng)提供便捷的尋址方式。
CPU內(nèi)核具有完善的快速乘加能力，PSoC系列所有處理器中都有一個乘法器/加法器(MAC)。MAC系統(tǒng)中作為一個獨立的組件，并映射到特定的寄存器地址空間，由輸入寄存器和輸出寄存器，能執(zhí)行帶符號的8×8乘法運算和32位的加法運算。只要把數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器在下一個指令周期，在輸出寄存器就能得到運算結(jié)果。寄存器加速內(nèi)存數(shù)據(jù)交換，大大提高了處理數(shù)據(jù)的速度。
2. 內(nèi)存儲器
PSoC系列器件擁有靈活的片內(nèi)存儲器，包括4~16KB的快速程序存儲器(Flash Program Memory)以及256字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲器，速內(nèi)存可擦寫100,000次，并可分塊實時修改，不同的型號芯片閃存的容量不同。此外，系統(tǒng)具有串行編程功能(ISSP)，即在程序頭(Programme Pod)或者用戶板上的閃存可通過串行的方式，把程序固化到內(nèi)部程序閃存存儲器中。PSoC對片內(nèi)存儲器提供多種保護加密方式。以保證用戶敏感信息的安全。這個功能允許用戶有選擇性的對內(nèi)存模塊的讀寫操作加鎖和寫操作保護。這允許對部分代碼進行升級，而不會泄漏重要數(shù)據(jù)。
3. PSoC模塊
在每一個PSoC芯片??有若干個PSoC數(shù)字模塊。PSoC片內(nèi)的數(shù)字模塊減少了多種微控制器類型和外設(shè)元件的需求。數(shù)字PSoC模塊可以配置成各種各樣的用戶模塊，比如時間定時器、實時時鐘、脈寬調(diào)制(PWM)和死區(qū)脈寬調(diào)制(DB PWM)、循環(huán)冗余核對模塊、全雙工(UARTS)、串行主從通信(SPI)功能。PSoC軟件開發(fā)包提供了PSoC模塊自動配置，用戶只需簡單地選擇需要功能塊，PSoC軟件開發(fā)包就能產(chǎn)生正確的配制信息和器件數(shù)據(jù)手冊。
在每一個PSoC芯片中還有若干個模擬PSoC模塊，芯片內(nèi)的模擬PSoC模塊可以減少CPU復(fù)雜的系列編號以及對外設(shè)的需求。模擬PSoC模塊可以配置許多外設(shè)功能，譬如12個PSoC模塊可以提供11位△-∑模數(shù)轉(zhuǎn)換、8位逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換、8位直接模數(shù)轉(zhuǎn)換、12增量式模數(shù)轉(zhuǎn)換、可編程增益放大器、采樣和保持功能、可編程濾波器、差分比較器和片內(nèi)溫度傳感器等。PSoC系統(tǒng)包含三種類型的模擬模塊：連續(xù)時鐘模塊(CT)，A類和B類開關(guān)電容(SC)模塊。
4. 通用I/O
PSoC微控制器的通用I/O數(shù)量從*4位不等，具體根據(jù)不同型號來確定。每個I/O功能可編程選擇。在輸出模式中可選擇輸出驅(qū)動方式，模擬輸出驅(qū)動可達(dá)40mA。通過內(nèi)部上拉或者下拉電阻輸出，強輸出，可設(shè)置輸出最大的驅(qū)動電流達(dá)25mA。所有引腳都能作為中斷電源，通過引腳信號變化產(chǎn)生中斷。并可選擇位上升沿觸發(fā)終端、下降沿觸發(fā)。引腳能與模擬模塊相連。此外，還有用作斯密特觸發(fā)器的TTL、I/O。
5. 振蕩器
PSoC系列器件有多種振蕩器可供選擇，總能為CPU時鐘、模擬PSoC模塊和數(shù)字PSoC模塊的時鐘，找到合適的振蕩器。主要有內(nèi)部達(dá)到24/48MHz的主振蕩器、一個32.768MHz外部晶體振蕩器和內(nèi)部低速振蕩器。主振蕩器誤差為±2.5%，且沒有外部補償，外部晶體振蕩器可對PLL選定精度，內(nèi)部低速振蕩器一般作為PSoC模塊和看門狗/睡眠定時器的時鐘。可使用時鐘分頻器，從而優(yōu)化代碼執(zhí)行速度和減少功耗。
6. 專用外設(shè)
PSoC系列器件還提供一些專用外設(shè)，包括看門狗/睡眠模式時鐘(Watchdog/Sleep Timer)、可設(shè)定電壓閥值的電源低電壓檢測(LVD/POR)、中斷控制器、采樣抽取器(Decimator)、片內(nèi)溫度傳感器和片內(nèi)電壓參考等。
7. 靜態(tài)COMS器件
PSoC微處理器系列運用了先進Flash工藝的全靜態(tài)CMOS器件，實現(xiàn)高度低電壓功能。通常電壓保持在3.0到5.5V DC，使用片內(nèi)開關(guān)式電壓汞可使工作電壓降低到1.0V DC，工作于-40℃~＋85℃。
電動車無刷控制器系統(tǒng)
由CY8C24423構(gòu)成的電動車無刷控制器系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。
圖2：電動車無刷控制器系統(tǒng)原理框圖。
要讓圖中所示的電機轉(zhuǎn)動起來，首先控制部就必須根據(jù)電機霍爾感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子目前所在位置，然后決定開啟(或關(guān)閉)MOSFET的順序，如上圖中之A上、B上、C上(這些稱為上橋功率晶體管)及A下、B下、C下(這些稱為下橋功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機繞組線圈產(chǎn)生順向(或逆向)旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子的磁鐵相互作用，如此就能使電機順時/逆時轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制器又再開啟下一組MOSFET，如此循環(huán)電機就可以按同一方向繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到控制器決定要電機轉(zhuǎn)子停止，此時則關(guān)閉MOSFET，要電機轉(zhuǎn)子反向則MOSFET開啟順序相反。
一個最基本的電動車用無刷電機控制器所需要實現(xiàn)的功能包括除了轉(zhuǎn)把調(diào)速外，還應(yīng)該包括欠壓保護，過流保護，剎車斷電等。另外近年來還有一些實用且流行的功能如定速巡航、ABS剎車再生制動、1:1助力等等。從上面的原理框圖可以很清楚地看出，整個系統(tǒng)只用了一個PSoC芯片便實現(xiàn)了上述的所有控制功能。圖3為本文設(shè)計的無刷控制器半成品實物圖。
圖3：電動車無刷電機控制器半成品實物外形圖。
除了上述功能外，本系統(tǒng)借助PSoC芯片強大而靈活的配置資源，還具有普通控制器所不具備的以下優(yōu)點：
1. 超靜音：啟動及全程行駛過程中噪聲極低，大大超越了傳統(tǒng)的無刷控制器，減小電機振動，大大延長電機的壽命；
2. 低發(fā)熱：采用國際先進的同步整流技術(shù)，大幅度降低控制器的熱損耗，提高了整車的能量使用效率，延長了續(xù)駛里程；
3. 多重限流保護：既做到平均值限流，又做到峰值限流。峰值限流在每個PWM周期中都對電流波形進行檢測，防止超過MOSFET的最大允許電流，在任何情況下不會燒毀；
4. 平均值：限流使控制器能夠在各種不同的電機上保持相同的限流值，而且輕、重負(fù)載，甚至堵轉(zhuǎn)情況下限流值都不變。這樣大大便于生產(chǎn)調(diào)試和整車廠檢驗；
5. 防飛車功能：解決了無刷控制器由于轉(zhuǎn)把或線路故障引起的飛車現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的安全性；
6. 堵轉(zhuǎn)保護功能：電機堵轉(zhuǎn)3秒以上控制器自動保護，防止燒毀電機；
7. 短路保護功能：電機三根相線輸出端任意兩端短路或三端全短路，控制器不會燒毀。
以上功能均不增加硬件成本，采用PSoC可編程片上系將外圍器件減到最少，大部分功能由芯片內(nèi)部來完成，大大降低了硬件成本，并且減少了故障點。本系統(tǒng)中所用SoC芯片引腳及功能如圖4所示。
圖4.：CY8C24423在本系統(tǒng)中的引腳定義說明圖。
而芯片內(nèi)部模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。
圖5：本系統(tǒng)所用PSoC內(nèi)部模塊說明圖。
由圖5可以看出，本系統(tǒng)共采用了7種類型的PSoC內(nèi)部模塊，其中模擬模塊包括AD轉(zhuǎn)換器ADCINC_1、可編程放大器PGA_1、比較器CMPPRG_1、四路模擬開關(guān)AMUX4_1、數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC6_1。數(shù)字模塊包括AD轉(zhuǎn)換器ADCINC_1、8位帶死區(qū)的PWM模塊PWMDB8_1、8位定時器模塊Timer8_1。這樣很好地利用了CY8C24423的內(nèi)部資源，也節(jié)省了很多原本要在芯片外部使用的外設(shè)芯片。
本系統(tǒng)的控制軟件流程如圖6所示。
圖6：控制軟件基本流程。
由于PSoC的開發(fā)系統(tǒng)PSoC Designer支持C語言編程，配有功能強大的C語言編譯器，所以主程序采用C語言編寫，這樣簡單、直觀、可移植性好。
本文小結(jié)
通過本文介紹的電動車無刷電機控制器系統(tǒng)，可以略略窺見PSoC芯片的強大的可配置功能，在芯片內(nèi)部配置連接就好像在設(shè)計一款新的芯片一樣。整個系統(tǒng)用的元器件極少，比其他的無刷控制器方案具有巨大的成本優(yōu)勢。
PSoC方便、快捷的設(shè)計界面，面向?qū)ο蟮脑O(shè)計開發(fā)系統(tǒng)，混合信號陣列的模塊化及動態(tài)可配置功能使其在嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中擁有更為靈活的設(shè)計方式，使設(shè)計人員能夠隨意創(chuàng)建新的系統(tǒng)功能。利用PSoC可以快速、便捷地完成相應(yīng)程序的開發(fā)工作，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低開發(fā)成本和生產(chǎn)成本。通過片上系統(tǒng)的可編程混合信號陣列的集成應(yīng)用及動態(tài)配置，極大提高了工作效率，使開發(fā)成本降低了1/2、PCB的板級空間縮減了l/3、生產(chǎn)成本降低了1/5。(作者：繆鵬程 高級工程師 南京市溧水縣電子研究所有限公司 馬躍 工程師 威健實業(yè)國際有限公司)
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