作者：Joe Broms,ProtoBricks創(chuàng)始人及CEO

ProtoBricks是一款具有類似樂高外形的電路構(gòu)建玩具，現(xiàn)已在市場上發(fā)布。對于我來說，這是6年基于愛好的努力的結(jié)果，作為發(fā)明家，我努力將想法變成愛好，并最終令其成為一個真正的產(chǎn)品。今天，我想關(guān)注產(chǎn)品的核心，也就是“hub”，以及Silicon Labs微控制器如何成為ProtoBricks電子產(chǎn)品的核心。

ProtoBricks Hub是有12x6個螺柱的LEGO?大小的塊，頂部有電觸點(diǎn)和LED格柵。我們把一個兩層PCB板放在塊里面。電路板的底部有四個彈簧負(fù)載引腳：電源，Gnd，UART TX，UART RX，以及用于編程的裸板觸點(diǎn)。頂部是充滿魔力的地方; 邊緣觸點(diǎn)（螺柱）是電路的IO引腳。還有兩行RGB LED（每個IO引腳一個）。最后，中心的那排需要做大部分的工作：測量電阻/電壓，發(fā)送/接收UART消息，并在這些任務(wù)之間切換。這已經(jīng)經(jīng)歷了許多修改，以滿足最佳的外形，功能和成本。現(xiàn)在我們只需要一個可以完成任務(wù)的微控制器。

要進(jìn)一步滿足要求，我需要選擇至少有兩個UART的微控制器。其中一個需要處理TX和RX在不同時間翻轉(zhuǎn)。我需要至少35個GPIO引腳來處理裸露的IO，并為板上的其他芯片提供服務(wù)。我還需要在不同強(qiáng)度中點(diǎn)亮24個RGB LED。最后，我需要一個精確快速的ADC，用于通過精密電阻和計(jì)算電位器位置來檢測塊。

我還需要一種現(xiàn)場編程板的方式，并且可以在無需完全分開的情況下輕松地調(diào)試。

此外，所有的工作都需要使許多微控制器外設(shè)以100us的粒度啟用，禁用，啟動和停止。在1KHz的速率下，我設(shè)置了一個很困難的最后期限來維修我的主電路仿真環(huán)路。最耗時的開發(fā)任務(wù)是組織和將任務(wù)分解成可以被正確優(yōu)先排列成小而有狀態(tài)的塊。幸運(yùn)的是，對于我來說，我已經(jīng)從事C ++開發(fā)將近20年了，并且一直喜歡編寫較低級別的代碼并優(yōu)化緊湊的循環(huán)。

最后，我選擇了Silicon Labs的EFM32G232，其具有128KB閃存，16KB RAM。 IO引腳，USART，良好的ADC和合理的價(jià)格的正確平衡。

Hub塊內(nèi)部

以下是我在開發(fā)過程中總結(jié)的亮點(diǎn)，特點(diǎn)和技巧：

我們希望以非常緊湊的2x2螺柱的尺寸提供電源，UART和微控制器編程引腳，因此我用3D打印機(jī)構(gòu)建了該板。現(xiàn)在我可以連接到我的板子，而無需每次都拆開我的塊。 pogo引腳連接到SWCLK，SWDIO，SWO和RESET。

調(diào)試塊：中間的四個pogo引腳連接到微控器

去年的原型設(shè)計(jì)，使用Gecko開發(fā)板調(diào)試hub微控器

其中一個UART需要從RX翻轉(zhuǎn)到TX，具體取決于塊從左到右的位置。為此，我直接連接到相同的UART外設(shè)，但使用兩個不同的引腳排列位置。我可以使用備用位置標(biāo)志翻轉(zhuǎn)UART，無需任何外部硬件或Busing。每一分錢對于消費(fèi)電子產(chǎn)品來說都是很重要的。塊到塊的通信使用115 KB的無外部晶振的UART。我的測試中試著將其提高到1Mbps，而且大部分情況下運(yùn)作良好，但我認(rèn)為這大多是因?yàn)槲译娐钒宓脑O(shè)計(jì)。

具有許多功能的中心排（電壓讀取器，電阻讀取器，UART通信器）最終通過兩個低歐姆模擬多路復(fù)用器（IDTQS3VH251）進(jìn)行服務(wù)，然后將其饋入微控制器的UART和ADC引腳。然后，所有這些都在微控制器上進(jìn)行時間復(fù)用 - 打開/關(guān)閉ADC，UART，內(nèi)部分壓器，尋址MUX。 EFM32能良好的完成任務(wù)：其在啟用/禁用外設(shè)方面非?？?，永遠(yuǎn)不會陷入一些奇怪的狀態(tài)或時序問題。這節(jié)省了大量的時間，電路板空間和成本，相比之下，更多的專注于硬件！我唯一的問題是做我自己需要的。我需要在固件中編寫一個相當(dāng)復(fù)雜的調(diào)度程序來最佳地為所有的塊提供服務(wù)。

盡管如此，我仍然需要快速服務(wù)LED。該任務(wù)通過使用配置為SPI的最后一個USART塊完成。我將DMA上的數(shù)據(jù)盡可能快地（一次以1 Mbps的速率突發(fā)96位）連接到一連串的恒流LED驅(qū)動器。同時，我需要打開和關(guān)閉PMOS晶體管，為3組LED供電，全部時分復(fù)用。一切都需要很快的刷新，因?yàn)槲蚁胪ㄟ^PWM控制每個LED的強(qiáng)度。

最后，我試圖為3個組（3 * 32 * 200）= 19200 Hz刷新強(qiáng)度為200 Hz的32級，一些自定義GPIO位在中斷處理程序中全部翻轉(zhuǎn)！這推動了這種設(shè)計(jì)可能的局限性。我想如果我添加了一個額外的移位寄存器或卸載服務(wù)，整個LED計(jì)算/移位到一個微型微控制器（EFM8 Busy Bee？），我可以得到我真正想要的8位強(qiáng)度水平和快于200赫茲的復(fù)用。

對于LED閃爍的燈光愛好者，200Hz對于LED復(fù)用來說太慢了。你一開始就沒有注意到，但是在這個速度上有一些頻閃效應(yīng)問題：特別是在相機(jī)上。上個月我們進(jìn)行了一次視頻拍攝，經(jīng)過一些測試，決定犧牲大部分的強(qiáng)度水平，以便更快的整體刷新（500-600 Hz）。我們拍攝了一個視頻，進(jìn)行慢動作捕捉時，600Hz的LED刷新是太慢了，但對于實(shí)時視頻來說是很好的。

在編寫了數(shù)千行代碼之后，我可以報(bào)告編譯器從未生成錯誤的輸出。 YMMV，但我發(fā)現(xiàn)編譯器和調(diào)試器非常強(qiáng)大。我能夠斷開和探測變量，并將堆?？蚣芊胖迷谥袛嘀?，而不會出現(xiàn)問題，并且很快。這大大加快了我的開發(fā)時間。 我仍然在使用Simplicity Studio 3，因?yàn)槲也幌胱儎游业墓ぞ哝溨钡轿业脑徒Y(jié)束。我很期待4.0能夠提供什么。

在C中的固件啟動之后，我期望只需要適量的C ++語言。函數(shù)指針是非常好的，但是在我的許多函數(shù)的開頭基本上傳遞了一個“this”指針后，事情開始變得很冗長。

幸運(yùn)的是，Simplicity工作室添加了C ++支持。只需編寫接口指針，我便可以傳遞一些高級塊，大大減少了編碼任務(wù)。我甚至可以在一些中斷代碼中調(diào)用一些C ++對象，而不會有問題。

有幾個地方對浮點(diǎn)分割或乘法非常有幫助（例如我自己的ADC校準(zhǔn)過程）。由于我使用的是ARM M3內(nèi)核，它沒有浮點(diǎn)單元，而是由軟件生成。我一直在關(guān)注代碼大小 - 它沒有添加太多（我現(xiàn)在在90K的編譯代碼）。

最后，我很高興地報(bào)告Silicon Labs MCU及軟件套件非常適合我的任務(wù)，其很少在開發(fā)過程中引起問題（我不得不重新啟動軟件幾次，但是與我的真實(shí)問題相比，這是很小的）。我能夠集中力量建立我的產(chǎn)品，推動硬件的極限，并處理其他的挑戰(zhàn)！

如果您有興趣以實(shí)踐和有趣的方式教孩子們了解數(shù)字邏輯，那么請從8月15日起查看ProtoBricks的ProtoBricks’ Indiegogo campaign，我們將發(fā)布所有Silicon Labs固件和板設(shè)計(jì)，以便任何人進(jìn)行修改。

作者簡介：Joe Broms是ProtoBricks的創(chuàng)始人及CEO，該公司使得用戶可以將數(shù)字邏輯構(gòu)建為類似樂高的設(shè)計(jì)。此處我們分享了他是如何將該愿景實(shí)現(xiàn)的。