汽車(chē)級(jí)PSoC? 4：PSoC? 4100S 家族片上可編程系統(tǒng)深度解析

在汽車(chē)電子應(yīng)用日益豐富的今天，對(duì)可編程嵌入式系統(tǒng)控制器的需求也越來(lái)越高。PSoC? 4100S 家族作為一款符合 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)的可編程片上系統(tǒng)，憑借其可擴(kuò)展、可重構(gòu)的特性，在汽車(chē)電子領(lǐng)域展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。本文將對(duì)其進(jìn)行全面解析，幫助電子工程師更深入地了解和應(yīng)用這款產(chǎn)品。

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一、PSoC? 4100S 概述

PSoC? 4 是一個(gè)可擴(kuò)展且可重構(gòu)的平臺(tái)架構(gòu)，適用于一系列采用 Arm? Cortex? - M0 + CPU 的可編程嵌入式系統(tǒng)控制器，并且符合 AEC - Q100 標(biāo)準(zhǔn)。PSoC? 4100S 產(chǎn)品家族是 PSoC? 4 平臺(tái)架構(gòu)的成員之一，它將標(biāo)準(zhǔn)通信和定時(shí)外設(shè)的微控制器、性能卓越的電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)（CAPSENSE?）、可編程通用連續(xù)時(shí)間和開(kāi)關(guān)電容模擬模塊以及可編程連接功能相結(jié)合，并且向上兼容 PSoC? 4 平臺(tái)的其他成員，以滿(mǎn)足新應(yīng)用和設(shè)計(jì)需求。

二、主要特性亮點(diǎn)

2.1 汽車(chē)級(jí)認(rèn)證與高性能 32 位 MCU 子系統(tǒng)

• 認(rèn)證：通過(guò)了汽車(chē)電子委員會(huì)（AEC）的 AEC - Q100 認(rèn)證，確保了在汽車(chē)環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性。
• CPU：采用 48 - MHz 的 Arm? Cortex? - M0 + CPU，大多數(shù)指令長(zhǎng)度為 16 位，執(zhí)行 Thumb - 2 指令集的子集，具備低功耗特性。
• 內(nèi)存：擁有高達(dá) 64 KB 的帶讀取加速器的閃存和高達(dá) 8 KB 的 SRAM，為程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)提供了充足的空間。

2.2 強(qiáng)大的可編程模擬模塊

• 運(yùn)算放大器：兩個(gè)運(yùn)算放大器具有可重構(gòu)的高驅(qū)動(dòng)外部和高帶寬內(nèi)部驅(qū)動(dòng)以及比較器模式，還具備 ADC 輸入緩沖能力，并且能在深度睡眠低功耗模式下工作。
• ADC：12 位 1 - Msps 的 SAR ADC，支持差分和單端模式，帶有通道序列器和信號(hào)平均功能；電容感應(yīng)模塊還提供單斜率 10 位 ADC 功能。
• 其他：兩個(gè)電流 DAC（IDACs）可用于通用或電容感應(yīng)應(yīng)用；兩個(gè)低功耗比較器能在深度睡眠模式下工作。

2.3 靈活的可編程數(shù)字模塊

可編程邏輯塊允許對(duì)端口輸入和輸出執(zhí)行布爾運(yùn)算，為數(shù)字邏輯設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

2.4 低功耗寬電壓工作范圍

支持 1.71 - V 至 5.5 - V 的低功耗工作，深度睡眠模式下模擬模塊可正常工作，數(shù)字系統(tǒng)電流僅為 2.5 μA。

2.5 卓越的電容感應(yīng)能力

• 性能：電容式 sigma - delta（CSD）提供了一流的信噪比（SNR > 5:1）和防水能力。
• 設(shè)計(jì)便捷：英飛凌提供的軟件組件使電容感應(yīng)設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，還具備自動(dòng)硬件調(diào)諧（SmartSense）功能。

2.6 其他特性

• LCD 驅(qū)動(dòng)：具備 LCD 段驅(qū)動(dòng)能力，可驅(qū)動(dòng)多達(dá) 4 個(gè)公共端和 32 個(gè)段。
• 串行通信：三個(gè)獨(dú)立的運(yùn)行時(shí)可重構(gòu)串行通信塊（SCBs），支持 I2C、SPI、UART 或 LIN 從機(jī)功能。
• 定時(shí)與 PWM：五個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/脈寬調(diào)制器（TCPWM）塊，支持中心對(duì)齊、邊緣和偽隨機(jī)模式，還具備基于比較器的觸發(fā)功能。
• GPIO：多達(dá) 38 個(gè)可編程 GPIO 引腳，支持多種驅(qū)動(dòng)模式、強(qiáng)度和壓擺率編程。

三、功能詳細(xì)剖析

3.1 CPU 和內(nèi)存子系統(tǒng)

3.1.1 CPU

Cortex - M0 + CPU 是 32 位 MCU 子系統(tǒng)的一部分，針對(duì)低功耗操作進(jìn)行了優(yōu)化，具備廣泛的時(shí)鐘門(mén)控功能。它包含一個(gè)嵌套向量中斷控制器（NVIC）塊和一個(gè)喚醒中斷控制器（WIC），WIC 可使處理器從深度睡眠模式中喚醒。此外，CPU 還配備了 SWD 調(diào)試接口。

3.1.2 內(nèi)存

• 閃存：帶有閃存加速器，可提高閃存塊的平均訪問(wèn)時(shí)間，在 48 MHz 下實(shí)現(xiàn)兩等待狀態(tài)（WS）訪問(wèn)時(shí)間，閃存加速器平均可提供 85% 的單周期 SRAM 訪問(wèn)性能。
• SRAM：8 KB 的 SRAM 提供零等待狀態(tài)訪問(wèn)。
• SROM：8 KB 的監(jiān)控 ROM 包含啟動(dòng)和配置例程。

3.2 系統(tǒng)資源

3.2.1 電源系統(tǒng)

支持兩種電源模式：模式 1 為 1.8 V 至 5.5 V 外部供電（內(nèi)部調(diào)節(jié)器工作）；模式 2 為 1.8 V ± 5% 外部供電（內(nèi)部調(diào)節(jié)器旁路）。提供主動(dòng)、睡眠和深度睡眠三種低功耗模式，并且能確保電壓水平符合各模式要求。

3.2.2 時(shí)鐘系統(tǒng)

由內(nèi)部主振蕩器（IMO）、內(nèi)部低速振蕩器（ILO）、32 kHz 手表晶體振蕩器（WCO）和外部時(shí)鐘組成。具備八個(gè)時(shí)鐘分頻器，其中兩個(gè)為分?jǐn)?shù)分頻器，可靈活生成細(xì)粒度的頻率值。

3.2.3 IMO 時(shí)鐘源

是 PSoC? 4100S 內(nèi)部時(shí)鐘的主要來(lái)源，默認(rèn)頻率為 24 MHz，可在 24 至 48 MHz 之間以 4 MHz 為步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整，公差為 ±2%。

3.2.4 ILO 時(shí)鐘源

是一個(gè)非常低功耗的約 40 - kHz 振蕩器，主要用于為看門(mén)狗定時(shí)器（WDT）和深度睡眠模式下的外設(shè)操作生成時(shí)鐘。

3.2.5 手表晶體振蕩器（WCO）

可用于精密定時(shí)應(yīng)用。

3.2.6 看門(mén)狗定時(shí)器

由 ILO 驅(qū)動(dòng)，可在深度睡眠模式下工作，若在設(shè)定的超時(shí)時(shí)間內(nèi)未得到服務(wù)，將產(chǎn)生看門(mén)狗復(fù)位。

3.2.7 復(fù)位

可通過(guò)多種源進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位事件異步發(fā)生，確保設(shè)備恢復(fù)到已知狀態(tài)，復(fù)位原因記錄在寄存器中。

3.3 模擬模塊

3.3.1 12 位 SAR ADC

可在最高 18 MHz 的時(shí)鐘速率下工作，采樣保持（S/H）孔徑可編程，通過(guò) 8 輸入序列器連接到固定引腳集，支持自主通道掃描和緩沖功能，還具備信號(hào)范圍檢測(cè)和越界中斷功能。

3.3.2 運(yùn)算放大器

具備足夠的帶寬，可驅(qū)動(dòng) ADC 的采樣保持電路，無(wú)需外部緩沖。

3.3.3 低功耗比較器

可在深度睡眠模式下工作，用于監(jiān)測(cè)外部電壓水平，輸出可路由到引腳。

3.3.4 電流 DACs

兩個(gè) IDACs 可驅(qū)動(dòng)芯片上的任何引腳，電流范圍可編程。

3.3.5 模擬多路復(fù)用總線

兩個(gè)獨(dú)立的總線連接到固件可編程的模擬開(kāi)關(guān)，允許芯片的內(nèi)部資源連接到 I/O 端口的任何引腳。

3.3.6 可編程數(shù)字塊

可編程 I/O（Smart I/O）塊可對(duì) GPIO 端口引腳的信號(hào)執(zhí)行布爾函數(shù)。

3.4 固定功能數(shù)字模塊

3.4.1 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器/PWM（TCPWM）塊

由 16 位計(jì)數(shù)器組成，具備捕獲寄存器、周期寄存器和比較寄存器，可提供真實(shí)和互補(bǔ)輸出，還具備 Kill 輸入功能。PSoC? 4100S 中有五個(gè) TCPWM 塊。

3.4.2 串行通信塊（SCB）

三個(gè) SCB 可編程實(shí)現(xiàn) SPI、I2C、UART 或 LIN 從機(jī)功能。I2C 模式支持多主機(jī)和從機(jī)接口，具備靈活的緩沖選項(xiàng)；UART 模式支持多種協(xié)議；SPI 模式支持多種標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 LIN 從機(jī)模式

使用 SCB 硬件塊實(shí)現(xiàn)完整的 LIN 從機(jī)接口，符合 LIN v1.3、v2.1/2.2、ISO 17987 - 6 和 SAE J2602 - 2 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，波特率可達(dá)約 20 Kbps，電纜長(zhǎng)度最大為 40 米。

3.6 GPIO

多達(dá) 38 個(gè) GPIOs，支持八種驅(qū)動(dòng)模式、輸入閾值選擇、輸入輸出緩沖控制和壓擺率選擇，每個(gè) I/O 引腳可產(chǎn)生中斷。

3.7 特殊功能外設(shè)

3.7.1 CAPSENSE?

通過(guò) CSD 塊實(shí)現(xiàn)，可連接到任何引腳，具備防水和接近感應(yīng)功能，還提供 10 位 Slope ADC 功能。

3.7.2 LCD 段驅(qū)動(dòng)

LCD 控制器可驅(qū)動(dòng)多達(dá) 4 個(gè)公共端和 32 個(gè)段，支持?jǐn)?shù)字相關(guān)和 PWM 兩種驅(qū)動(dòng)方法，在深度睡眠模式下可刷新小顯示緩沖區(qū)。

四、引腳與電源

4.1 引腳分配

提供了 8 - pin QFN、40 - pin QFN、28 - pin SSOP 和 24 - pin QFN 等多種封裝的引腳列表，所有端口引腳均支持 GPIO 功能，每個(gè)端口引腳還可分配多種替代功能。

4.2 電源模式

• 模式 1：1.8 V 至 5.5 V 外部供電，內(nèi)部調(diào)節(jié)器工作，VCCD 引腳需通過(guò)外部電容旁路到地。
• 模式 2：1.8 V ± 5% 外部供電，VDD 和 VCCD 引腳短路并旁路，需使用旁路電容。

五、開(kāi)發(fā)支持

5.1 文檔資源

包括軟件用戶(hù)指南、組件數(shù)據(jù)手冊(cè)、應(yīng)用筆記和技術(shù)參考手冊(cè)等，幫助工程師快速找到問(wèn)題的答案。

5.2 在線社區(qū)

PSoC? 論壇可讓工程師與全球的 PSoC? 用戶(hù)和專(zhuān)家交流。

5.3 開(kāi)發(fā)工具

PSoC? 4100S 家族是開(kāi)發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)的一部分，支持行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編程和調(diào)試接口，可訪問(wèn) www.cypress.com/psoccreator 獲取最新信息。

六、電氣規(guī)格

6.1 絕對(duì)最大額定值

規(guī)定了設(shè)備的絕對(duì)最大工作條件，超出這些條件可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備永久損壞。

6.2 設(shè)備級(jí)規(guī)格

包括 DC 規(guī)格、AC 規(guī)格、GPIO 規(guī)格和 XRES 規(guī)格等，不同溫度等級(jí)的設(shè)備有不同的規(guī)格要求。

6.3 模擬外設(shè)規(guī)格

涵蓋了運(yùn)算放大器、比較器、溫度傳感器、SAR ADC、CSD 和 IDAC 以及 10 位 CAPSENSE? ADC 等模擬外設(shè)的詳細(xì)規(guī)格。

6.4 數(shù)字外設(shè)規(guī)格

包括 TCPWM、I2C、SPI、UART 和 LCD 等數(shù)字外設(shè)的電流消耗和工作頻率等規(guī)格。

6.5 內(nèi)存規(guī)格

給出了閃存的擦除、編程時(shí)間和耐用性等規(guī)格。

6.6 系統(tǒng)資源規(guī)格

包括電源復(fù)位、SWD 接口、內(nèi)部振蕩器、外部時(shí)鐘等系統(tǒng)資源的規(guī)格。

七、訂購(gòu)與封裝信息

7.1 訂購(gòu)信息

提供了 PSoC? 4100S 家族的營(yíng)銷(xiāo)部件編號(hào)，采用特定的部件編號(hào)命名規(guī)則。

7.2 封裝信息

提供 24 - pin QFN、28 - pin SSOP、40 - pin QFN 和 48 - pin QFN 等封裝，給出了封裝尺寸、熱特性、焊接回流峰值溫度和濕氣敏感度等級(jí)等信息。

八、總結(jié)與思考

PSoC? 4100S 作為一款功能強(qiáng)大、性能卓越的可編程片上系統(tǒng)，在汽車(chē)電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。其豐富的外設(shè)資源、低功耗特性和靈活的可編程性，為工程師提供了更多的設(shè)計(jì)選擇和創(chuàng)新空間。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，仔細(xì)評(píng)估設(shè)備的性能和規(guī)格，合理選擇封裝和工作模式，以確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。同時(shí)，對(duì)于設(shè)備的電氣規(guī)格和使用注意事項(xiàng)，也需要嚴(yán)格遵守，避免因操作不當(dāng)而導(dǎo)致設(shè)備損壞。大家在使用 PSoC? 4100S 過(guò)程中，遇到過(guò)哪些挑戰(zhàn)和問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。