深入了解PSoC?4A ：基于SCB的串行通信設計

　　摘要：本文首先簡要介紹了PSoC®4A的片內外設子系統架構及SCB模塊的功能。然后概括了當前最常用的三種串行通信協議，UART，I2C和SPI。并詳細論述了如何在PSoC®4A片內的SCB模塊平臺上，配置并實現這三種串行通信。

　　關鍵字：PSoC®4，SCB，UART，I2C，SPI

　　Abstract: This paper first briefly introduces the architecture of on-chip peripheral subsystem and the function of SCB module. Then generalizes the currently common used 3 serial communication protocol, UART, I2C and SPI. And detailed illustrates how to configure and realize the 3 serial communication on SCB module in PSoC®4A.

　　Keywords: PSoC®4，SCB，UART，I2C，SPI

　　1. 引言

　　PSoC®4A是Cypress可編程片上系統PSoC®(Programmable System on Chip)家族中的最新成員，采用ARM Cortex®-M0作為處理核心，因此也是PSoC®家族中性價比最高的成員。PSoC®4完全繼承了PSoC®芯片家族本身的高度可編程的靈活性，并融合了Cortex® M0高性價比的處理器核架構，使得PSoC®4 系列產品成為一個具有高度可擴展性的處理器平臺，在性價比、功耗等方面優勢顯著。在針對電機控制等需要實時調試的嵌入式應用中，串行通信顯得尤為重要，PSoC®4將常用的多種串行通信接口(UART，I2C和 SPI)集成到一個SCB(Serial Communication Block)外設模塊上，且每個片內都含有兩個SCB外設。因此用戶可以非常方便的在SCB外設上設計出自己的串行通信系統。

　　PSoC®4A產品系列目前推出的是CY8C4100和CY8C4200兩個入門級產品系列。本文即以CY8C4200為例，介紹如何利用PSoC®4A片內的SCB外設模塊進行UART，I2C和 SPI串行通信設計。

　　2. PSoC®4A架構及SCB外設模塊簡介

　　PSoC® 4A 是基于ARM Cortex®-M0 CPU(處理器)的可編程嵌入式系統控制器家族，為嵌入式應用提供了強大的可編程平臺。它集合了可編程模擬資源、可編程內部互聯、用戶可編程數字邏輯、通用的固定功能外設計以及高性能的ARM Cortex-M0 CPU子系統。

　　圖 1是PSoC®4的系統框圖。限于篇幅，本文將主要概括與串行通信相關的片內資源特性，詳細內容您可以參考Cypress網站上的PSoC®4的數據手冊。

　　■ 高達48MHz，43 DMIPS 的32位Cortex-M0 CPU，支持單周期乘法

　　■ 多達 32 KB Flash 及 4KB SRAM內存

　　■ 兩個可工作為SPI/UART/I2C 串行通信接口的串行通信模塊(SCB)

　　■ 四個可編程數字邏輯模塊(UDB)

　　■ CapSense® 及 LCD 驅動

　　■ SWD 編程及調試單元

　　■ 全面支持PSoC Creator IDE 工具

　　圖 1： PSoC®4芯片系統框圖

　　PSoC®4在開發環境方面與PSoC®家族的上一代產品保持一致，仍然為PSoC® Creator，延續了將片內資源抽象為模塊化Component的開發方法，控制系統架構清晰具體，簡單快捷。用戶可以更多關注產品的功能開發，而較少的注意芯片的硬件結構細節。PSoC® Creator的詳細信息可以在Cypress網站上獲得。

　　SCB串行通信模塊支持三種通信協議：UART，I2C 和SPI。由圖1可以看出PSoC®4提供了兩個SCB模塊，每個SCB模塊在同一時刻只能用于實現一種串行通信協議。如果在設計中需要同時實現三個及以上串行通信協議，用戶可以借助UDB來設計。

　　在PSoC® Creator 3.0中將SCB模塊放入schematic編輯器中，雙擊打開配置界面可以看出，SCB共有5個配置選項。

　　■ “Unconfigured SCB”: 保留SCB為未配置狀態，需在運行時實時配置。

　　■ “I2C”: 標準I2C模式。

　　■ “EZI2C”: EZI2C模式。

　　■ “SPI”: SPI模式

　　■ “UART”: UART模式

　　本文將主要論述最常用的UART，I2C和SPI三種通信協議在SCB模塊上的實現方法。

　　圖 2： SCB模塊及配置界面

　　3. 基于SCB模塊的UART串行通信實現

　　① UART串行通信簡介

　　通用異步收發協議(UART)定義了一種全雙工的串行異步接口。其拓撲通常是點到點的結構，主要有TX(發送)和RX(接收)兩個信號。由于是異步方式，沒有同步時鐘信號，需要雙方約定一個相同的波特率，且每發送一個字節后進行一次數據同步，因此UART的數據傳輸速率相對較低(常用為115200bps, 最高可達1Mbps)。UART沒有固定的通信協議，因此用戶可以自由定義。所以UART特別適合于諸如電機控制等需要實施監控系統參數的應用場合，用于在上位機和下位機之間雙向傳遞數據。圖3概括了一個UART通信的示例。關于UART通信協議的詳細定義，您可以參考相關的理論文獻。

　　圖 3：UART通信的示例

　　UART 協議中一個典型的數據幀由開始位，數據位，奇偶校驗位和停止位組成。開始位的邏輯值為0，它標志一個數據幀的開始;數據位是需要傳輸的信息;奇偶校驗位是可選的，它的值取決于所有數據位邏輯值求和結果的奇偶性;停止位的邏輯值為1，它的長度可配置。當UART 總線處于空閑態時，其邏輯值為1，如同停止位。

　　② 基于SCB的UART通信實現

　　在圖2所示的配置框中，將SCB配置為UART模式，點開出現的”UART Basic”菜單，配置基本的UART通信參數，如圖4所示;”UART Advanced”菜單下的TX Buffer 和RX Buffer參數保持默認的8個即可。

　　圖 4：UART通信參數配置

　　UART支持全雙工通信，因此數據發送和接收可以同時被處理。數據的發送和接收都可以用中斷與輪詢兩種方式來完成。中斷方式是在每次數據發送/接收完成后產生一個中斷，在中斷服務程序中進行下一次數據發送/接收的設置。輪詢方式是在主循環中不斷查詢當前數據接收/發送任務是否完成，然后決定何時開始下一次接收/發送任務。在類似于電機控制的實時任務處理中，中斷通常用來處理實時性要求嚴格的任務，對于用于數據監控和調試目的的UART通信，通常用輪詢的方式來實現。

　　PSoC Creator 3.0 開發工具本身帶有UART全雙工數據處理的Example Project;點擊菜單File->Example Project，選擇PSoC 4 Architecture，然后選擇”SCB_UartTxRxComm”即可打開UART通信例程，如圖5所示。

　　圖 5：打開UART通信示例程序

　　UART的數據發送/接收過程很簡單，以數據接收為例，程序代碼如下：

　　if(0u != UART_SpiUartGetRxBufferSize())

　　{

　　rxData = UART_SpiUartReadRxData();

　　}

　　return(rxData);

　　在主循環程序中輪詢數據接收寄存器RxBuffer的狀態，如果數據接收完成則讀取該寄存器中的值作為接收到的數據即可。