汽車級PSoC? 4：PSoC? 4000S系列深度剖析

在如今的電子設(shè)計領(lǐng)域，汽車級芯片的性能和可靠性至關(guān)重要。PSoC? 4000S系列作為基于Arm? Cortex? - M0+ CPU的可編程嵌入式系統(tǒng)控制器，以其可擴展性、可重構(gòu)性以及豐富的功能特性，在汽車電子等領(lǐng)域展現(xiàn)出了強大的競爭力。今天，我們就來深入探討一下這款芯片。

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一、總體概述

PSoC? 4是一個可擴展且可重構(gòu)的平臺架構(gòu)，適用于一系列基于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)。它將可編程和可重構(gòu)的模擬與數(shù)字模塊相結(jié)合，具備靈活的自動布線功能。PSoC? 4000S產(chǎn)品系列是PSoC? 4平臺架構(gòu)的一員，它融合了帶有標(biāo)準(zhǔn)通信和定時外設(shè)的微控制器、具有一流性能的電容式觸摸感應(yīng)系統(tǒng)（CAPSENSE?）、可編程通用連續(xù)時間和開關(guān)電容模擬模塊以及可編程連接功能。而且，PSoC? 4000S產(chǎn)品在新應(yīng)用和設(shè)計需求方面與PSoC? 4平臺的其他成員向上兼容。

二、功能特性亮點

2.1 符合汽車電子標(biāo)準(zhǔn)

通過了汽車電子委員會（AEC）的AEC - Q100認(rèn)證，這意味著它能夠在汽車等對可靠性要求極高的環(huán)境中穩(wěn)定工作。

2.2 強大的32位MCU子系統(tǒng)

采用48 - MHz的Arm? Cortex? - M0+ CPU，搭配高達32 KB的帶讀取加速器的閃存和高達4 KB的SRAM，為系統(tǒng)提供了高效的運算和數(shù)據(jù)存儲能力。

2.3 可編程模擬模塊

• 電容感應(yīng)模塊提供單斜率10位ADC功能。
• 任意引腳都可使用兩個電流DAC（IDACs），適用于通用或電容感應(yīng)應(yīng)用。
• 兩個低功耗比較器可在深度睡眠低功耗模式下工作，有效降低系統(tǒng)功耗。

2.4 可編程數(shù)字模塊

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

2.5 低功耗運行

支持1.71 - V至5.5 - V的寬電壓范圍運行，深度睡眠模式下模擬模塊仍可工作，數(shù)字系統(tǒng)電流僅為2.5 μA，非常適合對功耗敏感的應(yīng)用。

2.6 出色的電容感應(yīng)能力

電容式sigma - delta（CSD）提供一流的信噪比（SNR）（>5:1）和防水能力。英飛凌提供的軟件組件使電容感應(yīng)設(shè)計變得簡單，同時還具備自動硬件調(diào)諧（SmartSense）功能。

2.7 豐富的串行通信功能

擁有兩個獨立的運行時可重構(gòu)串行通信塊（SCBs），可配置為I2C、SPI或UART功能，滿足不同的通信需求。

2.8 LCD驅(qū)動能力

GPIO引腳具備LCD段驅(qū)動能力，方便實現(xiàn)顯示功能。

2.9 定時和脈寬調(diào)制功能

五個16位定時器/計數(shù)器/脈寬調(diào)制器（TCPWM）塊，支持中心對齊、邊緣和偽隨機模式，還可基于比較器觸發(fā)Kill信號，適用于電機驅(qū)動等高可靠性數(shù)字邏輯應(yīng)用。

2.10 多達24個可編程GPIO引腳

提供24 - 引腳QFN和28 - 引腳SSOP封裝，任何GPIO引腳都可作為CAPSENSE?、模擬或數(shù)字引腳使用，驅(qū)動模式、強度和壓擺率均可編程。

2.11 優(yōu)秀的開發(fā)環(huán)境

• PSoC? Creator設(shè)計環(huán)境：集成開發(fā)環(huán)境（IDE）提供原理圖設(shè)計輸入和構(gòu)建功能（帶有模擬和數(shù)字自動布線），并為所有固定功能和可編程外設(shè)提供應(yīng)用編程接口（API）組件。
• 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工具兼容性：原理圖輸入后，可使用基于Arm?的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)工具進行開發(fā)。

2.12 寬溫度范圍支持

提供A - Grade（–40°C至 + 85°C）、E - Grade（–40°C至 + 125°C）和S - Grade（–40°C至 + 105°C）三種溫度等級，適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

三、功能模塊詳細解析

3.1 CPU和內(nèi)存子系統(tǒng)

• CPU：Cortex? - M0+ CPU是32位MCU子系統(tǒng)的核心，針對低功耗操作進行了優(yōu)化，大多數(shù)指令為16位長度，執(zhí)行Thumb - 2指令集的子集。它包含一個帶有八個中斷輸入的嵌套向量中斷控制器（NVIC）塊和一個喚醒中斷控制器（WIC），WIC可在深度睡眠模式下喚醒處理器，降低功耗。
• Flash：帶有閃存加速器的閃存模塊與CPU緊密耦合，可提高閃存塊的平均訪問時間。低功耗閃存塊在48 MHz下提供兩個等待狀態(tài)（WS）的訪問時間，閃存加速器平均可提供85%的單周期SRAM訪問性能。
• SRAM：提供4 KB的SRAM，在48 MHz下零等待狀態(tài)訪問。
• SROM：包含引導(dǎo)和配置例程的監(jiān)控ROM。

3.2 系統(tǒng)資源

• 電源系統(tǒng)：確保各模式下電壓水平符合要求，在電壓不滿足正常功能要求時，會延遲模式進入或生成復(fù)位信號。PSoC? 4000S可使用1.8 V ±5%（外部調(diào)節(jié)）或1.8至5.5 V（內(nèi)部調(diào)節(jié)）的單外部電源供電，具備活動、睡眠和深度睡眠三種低功耗模式。
• 時鐘系統(tǒng)：負(fù)責(zé)為所有需要時鐘的子系統(tǒng)提供時鐘，并在不同時鐘源之間無干擾切換。它由內(nèi)部主振蕩器（IMO）、內(nèi)部低頻振蕩器（ILO）、32 kHz手表晶體振蕩器（WCO）和外部時鐘組成，還提供時鐘分頻器以生成精細粒度的外設(shè)時鐘。
• IMO時鐘源：是PSoC? 4000S內(nèi)部時鐘的主要來源，測試時進行校準(zhǔn)以達到指定精度。默認(rèn)頻率為24 MHz，可在24至48 MHz之間以4 MHz為步長進行調(diào)整，采用英飛凌提供的校準(zhǔn)設(shè)置時，公差為±2%。
• ILO時鐘源：是一個非常低功耗、標(biāo)稱頻率為40 - kHz的振蕩器，主要用于為看門狗定時器（WDT）和深度睡眠模式下的外設(shè)操作生成時鐘。ILO驅(qū)動的計數(shù)器可根據(jù)IMO進行校準(zhǔn)以提高精度，英飛凌提供相應(yīng)的軟件組件進行校準(zhǔn)。
• WCO：實現(xiàn)了一個低頻（32 - kHz手表晶體）振蕩器，可用于精密定時應(yīng)用。
• 看門狗定時器：在時鐘塊中運行，基于ILO工作，允許在深度睡眠模式下工作。如果在設(shè)置的超時時間內(nèi)未得到服務(wù)，將生成看門狗復(fù)位信號，并記錄在復(fù)位原因寄存器中，可由固件讀取。
• 復(fù)位：可通過多種源進行復(fù)位，包括軟件復(fù)位。復(fù)位事件是異步的，確保系統(tǒng)恢復(fù)到已知狀態(tài)。復(fù)位原因記錄在一個寄存器中，該寄存器在復(fù)位過程中保持有效，允許軟件確定復(fù)位原因。XRES引腳用于外部復(fù)位，低電平有效，內(nèi)部上拉電阻始終啟用。
• 電壓參考：參考系統(tǒng)生成所有內(nèi)部所需的參考電壓，為比較器提供1.2 - V的電壓參考，IDACs基于±5%的參考電壓。

3.3 模擬模塊

• 低功耗比較器（LPC）：有一對低功耗比較器，可在深度睡眠模式下工作，允許在低功耗模式下禁用模擬系統(tǒng)模塊的同時，仍能監(jiān)控外部電壓水平。比較器輸出通常進行同步以避免亞穩(wěn)態(tài)，除非在異步電源模式下，系統(tǒng)喚醒電路由比較器開關(guān)事件激活。LPC輸出可路由到引腳。
• 電流DACs：有兩個IDACs，可驅(qū)動芯片上的任何引腳，電流范圍可編程。
• 模擬多路復(fù)用總線：有兩個同心獨立總線環(huán)繞芯片外圍，通過固件可編程模擬開關(guān)連接到芯片的內(nèi)部資源（IDACs、比較器）和I/O端口上的任何引腳。

3.4 可編程數(shù)字塊

可編程I/O（Smart I/O）塊由開關(guān)和查找表（LUT）組成，允許對路由到GPIO端口引腳的信號執(zhí)行布爾函數(shù)，可對芯片的輸入引腳和輸出信號進行邏輯操作。

3.5 固定功能數(shù)字塊

• Timer/Counter/PWM（TCPWM）塊：由一個16位計數(shù)器組成，周期長度可由用戶編程。包含捕獲寄存器、周期寄存器和比較寄存器，可生成PWM占空比輸出，還提供真輸出和互補輸出，可編程偏移量用于死區(qū)可編程互補PWM輸出。此外，還有一個Kill輸入，可強制輸出到預(yù)定狀態(tài)，例如在電機驅(qū)動系統(tǒng)中檢測到過流狀態(tài)時，可立即關(guān)閉驅(qū)動FET的PWM信號，無需軟件干預(yù)。PSoC? 4000S中有五個TCPWM塊。
• 串行通信塊（SCB）：有兩個串行通信塊，可編程為SPI、I2C或UART功能。
  • I2C模式：硬件I2C塊實現(xiàn)了完整的多主和從接口，支持多主仲裁，最高速度可達1 Mbps（快速模式加），具有靈活的緩沖選項以減少CPU的中斷開銷和延遲。還支持EZI2C，在PSoC 4000S的內(nèi)存中創(chuàng)建郵箱地址范圍，有效將I2C通信簡化為對內(nèi)存數(shù)組的讀寫操作。此外，該塊支持8級深度的FIFO用于接收和發(fā)送，大大減少了由于CPU未能及時讀取數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的時鐘拉伸需求。
  • UART模式：是一個全功能UART，最高運行速度可達1 Mbps，支持汽車單線接口（LIN）、紅外接口（IrDA）和智能卡（ISO7816）協(xié)議，以及9位多處理器模式，允許對通過公共RX和TX線連接的外設(shè)進行尋址。支持常見的UART功能，如奇偶校驗錯誤、中斷檢測和幀錯誤檢測，8級深度的FIFO允許更大的CPU服務(wù)延遲。
  • SPI模式：支持全摩托羅拉SPI、TI SSP和國家微線（半雙工形式的SPI），SPI塊可使用FIFO。

3.6 GPIO

PSoC? 4000S最多有24個GPIO，具有以下特點：

• 八種驅(qū)動模式：包括模擬輸入模式、僅輸入模式、各種上拉和下拉組合模式。
• 輸入閾值選擇：可選擇CMOS或LVTTL輸入閾值。
• 獨立控制：除了驅(qū)動強度模式外，還可獨立控制輸入和輸出緩沖器的啟用/禁用。
• 可選壓擺率：用于控制dV/dt相關(guān)噪聲，改善電磁干擾（EMI）。 引腳組織成稱為端口的邏輯實體，寬度為8位（端口2和3除外）。上電和復(fù)位時，塊強制進入禁用狀態(tài)，以避免對任何輸入進行短路和/或?qū)е逻^大的開啟電流。高速I/O矩陣用于在可能連接到I/O引腳的各種信號之間進行多路復(fù)用。數(shù)據(jù)輸出和引腳狀態(tài)寄存器分別存儲要驅(qū)動到引腳的值和引腳本身的狀態(tài)。每個I/O引腳可根據(jù)需要啟用中斷，每個I/O端口都有一個中斷請求（IRQ）和中斷服務(wù)例程（ISR）向量（PSoC? 4000S有5個）。

3.7 特殊功能外設(shè)

• CAPSENSE?：通過電容式sigma - delta（CSD）塊支持，可通過模擬多路復(fù)用總線和模擬開關(guān)連接到任何引腳，在軟件控制下可為系統(tǒng)中的任何可用引腳或引腳組提供CAPSENSE?功能。PSoC? Creator提供了相應(yīng)的組件，方便用戶使用。通過在另一個模擬多路復(fù)用總線上驅(qū)動屏蔽電壓，可提供防水能力，還可實現(xiàn)接近感應(yīng)功能。CAPSENSE?塊有兩個IDACs，在不使用CAPSENSE?或使用CAPSENSE?但不具備防水功能時，可用于通用目的。此外，該塊還提供10位斜率ADC功能，可與CAPSENSE?功能結(jié)合使用。它是一個先進、低噪聲、可編程的塊，具有可編程的電壓參考和電流源范圍，以提高靈敏度和靈活性，還可使用外部參考電壓。采用全波CSD模式，交替感應(yīng)到VDDA和地，以消除與電源相關(guān)的噪聲。
• LCD段驅(qū)動：有一個LCD控制器，可驅(qū)動多達4個公共端和20個段，采用全數(shù)字方法驅(qū)動LCD段，無需生成內(nèi)部LCD電壓。使用數(shù)字相關(guān)和PWM兩種方法，數(shù)字相關(guān)方法適用于STN顯示器，但可能會降低TN（較便宜）顯示器的對比度；PWM方法功耗較高，但在驅(qū)動TN顯示器時效果更好。LCD操作在深度睡眠模式下支持刷新一個小的顯示緩沖區(qū)（4位；每個端口1個32位寄存器）。

四、引腳布局與功能

4.1 引腳列表

提供了24 - 引腳QFN和28 - 引腳SSOP封裝的引腳列表，所有端口引腳都支持GPIO功能。不同封裝的引腳對應(yīng)關(guān)系如下表所示：

4.2 引腳功能描述

• 電源引腳：VDDD為數(shù)字部分供電，VDDA為模擬部分供電，VSSD和VSSA分別為數(shù)字和模擬部分的接地引腳，VCCD為調(diào)節(jié)后的數(shù)字電源（1.8 V ±5%），在某些封裝中，VDDA和VDDD內(nèi)部短路并作為單個電源VDD引出，VSSA和VSSD內(nèi)部短路并作為單個接地VSS引出。
• 備用引腳功能：每個端口引腳可分配多種功能，如模擬I/O、數(shù)字外設(shè)功能、LCD引腳或CAPSENSE?引腳，具體引腳分配如下表所示：