深入了解PSoC®4A ：基于SCB的串行通信设计

只看该作者 · 2014-11-29 21:07

1. 引言

　　PSoC®4A是Cypress可编程片上系统PSoC®(Programmable System on Chip)家族中的最新成员，采用ARM Cortex®-M0作为处理核心，因此也是PSoC®家族中性价比最高的成员。PSoC®4完全继承了PSoC®芯片家族本身的高度可编程的灵活性，并融合了Cortex® M0高性价比的处理器核架构，使得PSoC®4 系列产品成为一个具有高度可扩展性的处理器平台，在性价比、功耗等方面优势显著。在针对电机控制等需要实时调试的嵌入式应用中，串行通信显得尤为重要，PSoC®4将常用的多种串行通信接口(UART，I2C和 SPI)集成到一个SCB(Serial Communication Block)外设模块上，且每个片内都含有两个SCB外设。因此用户可以非常方便的在SCB外设上设计出自己的串行通信系统。

　　PSoC®4A产品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200两个入门级产品系列。本文即以CY8C4200为例，介绍如何利用PSoC®4A片内的SCB外设模块进行UART，I2C和 SPI串行通信设计。

　　2. PSoC®4A架构及SCB外设模块简介

　　PSoC® 4A 是基于ARM Cortex®-M0 CPU(处理器)的可编程嵌入式系统控制器家族，为嵌入式应用提供了强大的可编程平台。它集合了可编程模拟资源、可编程内部互联、用户可编程数字逻辑、通用的固定功能外设计以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系统。

　　图 1是PSoC®4的系统框图。限于篇幅，本文将主要概括与串行通信相关的片内资源特性，详细内容您可以参考Cypress网站上的PSoC®4的数据手册。

　　■ 高达48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持单周期乘法

　　■ 多达 32 KB Flash 及 4KB SRAM内存

　　■ 两个可工作为SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模块(SCB)

　　■ 四个可编程数字逻辑模块(UDB)

　　■ CapSense® 及 LCD 驱动

　　■ SWD 编程及调试单元

　　■ 全面支持PSoC Creator IDE 工具

　　图 1： PSoC®4芯片系统框图

　　PSoC®4在开发环境方面与PSoC®家族的上一代产品保持一致，仍然为PSoC® Creator，延续了将片内资源抽象为模块化Component的开发方法，控制系统架构清晰具体，简单快捷。用户可以更多关注产品的功能开发，而较少的注意芯片的硬件结构细节。PSoC® Creator的详细信息可以在Cypress网站上获得。

　　SCB串行通信模块支持三种通信协议：UART，I2C 和SPI。由图1可以看出PSoC®4提供了两个SCB模块，每个SCB模块在同一时刻只能用于实现一种串行通信协议。如果在设计中需要同时实现三个及以上串行通信协议，用户可以借助UDB来设计。

　　在PSoC® Creator 3.0中将SCB模块放入schematic编辑器中，双击打开配置界面可以看出，SCB共有5个配置选项。

　　■ “Unconfigured SCB”: 保留SCB为未配置状态，需在运行时实时配置。

　　■ “I2C”: 标准I2C模式。

　　■ “EZI2C”: EZI2C模式。

　　■ “SPI”: SPI模式

　　■ “UART”: UART模式

　　本文将主要论述最常用的UART，I2C和SPI三种通信协议在SCB模块上的实现方法。

　　图 2： SCB模块及配置界面

　　3. 基于SCB模块的UART串行通信实现

　　① UART串行通信简介

　　通用异步收发协议(UART)定义了一种全双工的串行异步接口。其拓扑通常是点到点的结构，主要有TX(发送)和RX(接收)两个信号。由于是异步方式，没有同步时钟信号，需要双方约定一个相同的波特率，且每发送一个字节后进行一次数据同步，因此UART的数据传输速率相对较低(常用为115200bps, 最高可达1Mbps)。UART没有固定的通信协议，因此用户可以自由定义。所以UART特别适合于诸如电机控制等需要实施监控系统参数的应用场合，用于在上位机和下位机之间双向传递数据。图3概括了一个UART通信的示例。关于UART通信协议的详细定义，您可以参考相关的理论文献。

　　图 3：UART通信的示例

　　UART 协议中一个典型的数据帧由开始位，数据位，奇偶校验位和停止位组成。开始位的逻辑值为0，它标志一个数据帧的开始;数据位是需要传输的信息;奇偶校验位是可选的，它的值取决于所有数据位逻辑值求和结果的奇偶性;停止位的逻辑值为1，它的长度可配置。当UART 总线处于空闲态时，其逻辑值为1，如同停止位。

　　② 基于SCB的UART通信实现

　　在图2所示的配置框中，将SCB配置为UART模式，点开出现的”UART Basic”菜单，配置基本的UART通信参数，如图4所示;”UART Advanced”菜单下的TX Buffer 和RX Buffer参数保持默认的8个即可。

　　图 4：UART通信参数配置

　　UART支持全双工通信，因此数据发送和接收可以同时被处理。数据的发送和接收都可以用中断与轮询两种方式来完成。中断方式是在每次数据发送/接收完成后产生一个中断，在中断服务程序中进行下一次数据发送/接收的设置。轮询方式是在主循环中不断查询当前数据接收/发送任务是否完成，然后决定何时开始下一次接收/发送任务。在类似于电机控制的实时任务处理中，中断通常用来处理实时性要求严格的任务，对于用于数据监控和调试目的的UART通信，通常用轮询的方式来实现。

　　PSoC Creator 3.0 开发工具本身带有UART全双工数据处理的Example Project;点击菜单File->Example Project，选择PSoC 4 Architecture，然后选择”SCB_UartTxRxComm”即可打开UART通信例程，如图5所示。

　　图 5：打开UART通信示例程序

　　UART的数据发送/接收过程很简单，以数据接收为例，程序代码如下：

　　if(0u != UART_SpiUartGetRxBufferSize())

　　{

　　rxData = UART_SpiUartReadRxData();

　　}

　　return(rxData);

　　在主循环程序中轮询数据接收寄存器RxBuffer的状态，如果数据接收完成则读取该寄存器中的值作为接收到的数据即可。

只看该作者 · 2014-11-29 21:08

4. 基于SCB模块的I2C串行通信实现

本文引用地址：http://www.**/article/264012.htm

　　① I2C串行通信简介

　　I2C(Inter Integrated Circuit)是一种两线制的串行通信协议，被广泛应用于嵌入式设备中芯片之间的低速互连通路，如单片机，ADC，DAC，EEPROM，温度传感器，电源检测器等，与UART只能实现点到点通信模式不同，I2C总线可以方便的构成多机系统和外围器件扩展系统，器件地址采用硬件设置方法，并通过软件进行寻址。图6给出了I2C总线拓扑示意图。

　　图6：I2C总线拓扑示意图

　　由图2可以看出，I2C总线共有两根信号线，SDA串行数据线与SCL串行时钟线。SCL保证了总线上所有器件的时钟同步，可实现较快的传输速率(标准模式为100Kbps，高速模式可达3.4Mbps)。I2C总线可以同时连接多个节点设备，并支持多主从设备模式，但同一时刻只能由一个主设备，负责产生SCL同步时钟和发起与结束一次数据传输。且主设备和从设备均可作为发送器(写数据)和接收器(读数据)。

　　由于只有一根SDA数据线，因此I2C总线只能实现半双工传输模式。数据的读/写均由主设备发起与结束。以读数据为例，首先主设备发起数据传输，输出START事件并输出7bit的从设备地址和读标志’1’;接下来主设备释放SDA，被寻址的从设备拉低SDA作为对主设备的应答(ACK)。然后从设备将通过SDA向主设备发送8位数据，主设备接收完成后发送应答(ACK)信号。当主设备读完所有的数据，输出STOP事件，结束本次传输。过程示意如图7所示。

　　图7：I2C总线主设备读数据示意

　　当总线上多个主设备在同一时刻发起数据传输时，冲突检测和仲裁机制能够保证数据不被丢失。当主设备侦测到SDA 上的逻辑值与自身驱动的值不符时，则检测到总线冲突，并放弃对总线的控制。更多I2C 协议的知识请参考官方的I2C 协议标准。

　　② 基于SCB的I2C通信实现

　　在图2所示的配置框中，将SCB配置为I2C模式，点开出现的” I2C”菜单，配置基本的I2C通信参数，如图8所示;需要注意的是，当配置为Master模式的时候，不需要设置地址，只有在配置为Slave模式时，才需要7位地址。

　　I2C只能支持半双工通信，因此在同一时刻，数据发送和接收模式只能选择一种。与UART相似，数据的发送和接收都可以用中断与轮询两种方式来完成。

　　PSoC Creator 3.0 本身带有I2C半双工数据处理的Example Project;点击菜单File->Example Project，选择PSoC 4 Architecture，然后选择”SCB_I2cCommMaster”(主设备模式)或”SCB_I2cCommSlave”(从设备模式)即可打开I2C通信例程。本文以”SCB_I2cCommMaster”为例，打开后的原理图界面如图9所示。

　　图 8：I2C通信参数配置

　　本例程中的主设备通过I2C总线发送0，1，2，3四个数字给下位机来控制RGB三色LED灯的循环点亮。

　　图 9： SCB_I2cCommMaster

　　发送数据的函数代码如下：

　　uint32 WriteCommandPacket(uint8 cmd)

　　{

　　uint8 buffer[BUFFER_SIZE];

　　uint32 status = TRANSFER_ERROR;

　　/* Initialize buffer with packet */

　　buffer[PACKET_SOP_POS] = PACKET_SOP;

　　buffer[PACKET_CMD_POS] = cmd;

　　buffer[PACKET_EOP_POS] = PACKET_EOP;

　　(void) I2CM_I2CMasterWriteBuf(I2C_SLAVE_ADDR, buffer, PACKET_SIZE, I2CM_I2C_MODE_COMPLETE_XFER);

　　while (0u == (I2CM_I2CMasterStatus() & I2CM_I2C_MSTAT_WR_CMPLT))

　　{

　　/* Waits until master completes write transfer */

　　}

　　/* Displays transfer status */

　　if (0u == (I2CM_I2C_MSTAT_ERR_XFER & I2CM_I2CMasterStatus()))

　　{

　　RGB_LED_ON_GREEN;

　　/* Check if all bytes was written */

　　if(I2CM_I2CMasterGetWriteBufSize() == BUFFER_SIZE)

　　{

　　status = TRANSFER_CMPLT;

　　}

　　else

　　{

　　RGB_LED_ON_RED;

　　}

　　(void) I2CM_I2CMasterClearStatus();

　　return (status);

　　}

　　函数发送三个字节长度的buffer数组给从设备，第一个字节为起始符字节”PACKET_SOP”，第二个字节为数据字节”cmd”，第三个字节为结束符字节”PACKET_EOP”。数据的发送通过函数” I2CM_I2CMasterWriteBuf”来执行，它寻址从设备并自动将数据加载到总线上。接下来是不断轮询数据发送的状态，直到成功发送完成。接收数据的过程与此类似，您可参考本例程中的数据读取函数。

　　5. 基于SCB模块的SPI串行通信实现

　　① SPI串行通信简介

　　SPI(Serial Peripheral Interface:串行外设接口)总线是Motorola公司推出的一种同步串行接口技术。SPI总线允许MCU以全双工的同步串行方式，与各种外围设备进行高速数据通信。主要应用在EEPROM，Flash，RTC(实时时钟)，ADC，DSP以及数字信号解码器之间。

　　SPI数据传输共有四根信号线：SCLK为串行时钟信号，由主设备产生，并传输到从设备作为同步时钟;MOSI/SIMO为主出从入数据信号，由主设备输出，输入到从设备。MISO/SOMI为主入从出信号，由从设备输出，输入到主设备。SELECTx为从设备选择信号，由主设备输出，输入到从设备，一般为低电平有效。

　　SPI总线拥有最高的传输速率，最低标准速率为500Kbps，最高可达8Mbps，且为全双工模式，因此特别适合于MCU用来读写诸如EEPROM等片外设备中的数据。

　　图10给出了一主三从的SPI总线串行通信系统框图。SPI总线一般为”一主多从”拓扑结构，进行数据传输时，主设备首先控制相应的一根SELECTx来选择从设备，然后主设备向从设备同时传输时钟(通过SCLK)和数据(通过MOSI/SIMO)，从设备对该数据进行采样;如果主设备需要读数据时，从设备将数据发送到MISO/SOMI线上，主设备对该数据进行采样。

　　图10：SPI总线串行通信系统框图

　　在连续传输多帧数据时，SELECT 信号一直被拉低。从设备就无法利用SELECT 的状态来区分每一帧，从而需要一直监测数据，根据主从设备之间约定的协议找出帧头和帧尾。当总线结束数据传输时，SELECT 被重新拉高，SCLK 无时钟输出。摩托罗拉定义了SPI 协议中的四种信号传输模式，规定数据在哪个时钟沿被发送和采样。通过配置时钟极性(CPOL: Clock POLarity)和时钟相位(CPHA: Clock PHAse)来选择四种模式中的一种。图11给出了传输模式0(SCLK 空闲态为低，时钟上升沿采样数据，时钟下降沿发送数据) 下，双帧(16bit)数据传输的波形图。

　　图11：传输模式0 下的双帧数据传输波形图

　　除了Motorola公司提出的初始版本SPI协议外，TI(德州仪器)与NSC(国家半导体)也在其基础上提出了各自的修改版SPI协议。关于SPI协议的详细信息，您可以参考相关的理论文献。