帶模數(shù)前端的低成本微控制器近年來得到迅速推廣，人們通常稱之為“混合信號微控制器”。當然，賽普拉斯的 PSoC3 和新近推出的PSoC5 器件集成了強大的CPU 和業(yè)界領先的ADC，其性能可超過分離式外部轉(zhuǎn)換器。不過，PSoC3 和 PSoC5并不僅僅是一般的混合信號微控制器。傳統(tǒng)設備當然可以將外部模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集進程并不是全部目的之所在，它只是通過數(shù)據(jù)采集提取所采集數(shù)據(jù)背后含義并確定如何處理數(shù)據(jù)的一種方式。如果提取含義所需的信號處理工作量非常大的話，就會對固件工程師構(gòu)成挑戰(zhàn)，因為這種提取工作要與一般性工作任務使用相同的處理器，而處理器在支持終端設備所需的一般性任務之外還要完成新的工作任務。
在定義關系密切的 PSoC3 和 PSoC5系列產(chǎn)品時，賽普拉斯的架構(gòu)師決定不再在競爭激烈的市場中僅僅提供一款同質(zhì)化的產(chǎn)品。不管采取什么架構(gòu)，硬件的功能都應重點用于高效地實現(xiàn)有用的工作目的。我們希望PSoC 真正成為片上可編程解決方案，能夠解決實際客戶遇到的實際問題。為了給新一代 PSoC器件提供更強的解決問題的功能，我們采用了一系列獨特的外設和信號處理塊，既有模擬的，也有數(shù)字的。本文將重點討論這些大幅簡化采集信號數(shù)字濾波工作的信號處理塊，并討論該技術已經(jīng)在其中證明自身實力的一些應用。
嵌入式數(shù)字濾波的架構(gòu)增強
首先，我們?yōu)槭裁聪Ｍ褂们度胧綖V波器而不是將信號處理指令集成到普通的微控制器中呢？究其原因就是項目設計層面和系統(tǒng)集成層面的分區(qū)問題。在項目開發(fā)過程中，項目的規(guī)模、目標和整體架構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化。單核單片式編碼項目要想跟上這種變化的速度，著實是一個挑戰(zhàn)，尤其是目前的項目常常是由非集中化的多個不同設計團隊一起完成的，這更增加了相關的難度。在塊層所使用的功能元件中嵌入信號處理，能確保項目管理在元件設計層面實現(xiàn)分支，同時也能確保在算法改變時，信號處理負載發(fā)生的差異不會影響通信管理等時間關鍵性任務。
數(shù)字濾波器塊 (DFB) 是首款PSoC3 和 PSoC5系列產(chǎn)品中支持嵌入式數(shù)字濾波的硬件元素，這是一款連接于外設總線的小型數(shù)字濾波器引擎。實際上，它是存儲器、MAC、ALU和微代碼控制庫的緊密組合，其 VLIW 架構(gòu)能支持不同的操作，如 24 位 x 24 位到 48位乘法和加法等能以系統(tǒng)時鐘速率并行執(zhí)行，在 PSoC3 中的頻率可高達 67MHz，而在 PSoC5 中的頻率則可達80MHz。數(shù)據(jù)和系數(shù)存儲在一對專門的本地 128x24位存儲器中，并能在整個系統(tǒng)總線上進行存取。許多濾波拓撲都能在這一結(jié)構(gòu)上高效編碼。配合嵌入式數(shù)字濾波應用 DFB 的是通用數(shù)字塊 (UDB) 陣列。它在多功能架構(gòu)中結(jié)合了 PLD 和數(shù)據(jù)路徑／ALU塊，既能用于數(shù)字數(shù)據(jù)源集和匯集連接，也能用于高時鐘速率重復結(jié)構(gòu)，如級聯(lián)積分器／梳狀濾波器 (CIC)和噪聲成形數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
在 PSoC3 和 PSoC5 系統(tǒng)中如何使用嵌入式數(shù)字濾波
數(shù)字濾波器塊可通過幾種方式使用。PSoC Creator中集成的濾波器設計工具支持拖放工作方式，將數(shù)字濾波包括到信號流程中來。啟動時 PSoC Creator 配套提供了專用的FIR 濾波器“組件”，在系統(tǒng)中可以像其他塊一樣使用。該組件能對信號應用多種不同濾波器，既能單獨使用，也能組合使用。圖1顯示了該組件的屏幕截圖，從中我們看出它在 PSoC Creator項目中的使用情況以及設置屬性的配置窗口。今后，更多濾波器拓撲和互動濾波器設計向?qū)н€將添加到 PSoC Creator中。
圖 1：PSoC Creator 中的標準 FIR 濾波器組件
與第一代 PSoC 產(chǎn)品一樣，我們的客戶和我們自己的系統(tǒng)工程師一直期待著全新 PSoC3和 PSoC5 應用的到來。PSoC 的核心理念一直是推出靈活的產(chǎn)品，支持在產(chǎn)品設計時還暫未設想到的全新應用。這種靈活性同樣適用于數(shù)字濾波器塊等功能塊。我們已經(jīng)用該塊開發(fā)了幾款定制應用，并作為組件實施于
PSoC Creator 原理圖中。由于信號處理與主 CPU 相分離，我們能通過一系列 Creator 組件實現(xiàn) IP 的重復使用，而全部設計人員都能共享這些組件。