新型32位DSP處理器優(yōu)化嵌入式控制應(yīng)用開發(fā)

新型應(yīng)用要求越來(lái)越高，這也使設(shè)計(jì)人員必須以更少的資源完成更多的工作，將多種功能集成到同一處理器中，并優(yōu)化系統(tǒng)成本。市場(chǎng)上目前有多種控制器解決方案競(jìng)相展露各自優(yōu)勢(shì)，希望獲得設(shè)計(jì)人員的重視。

傳統(tǒng)方法是采用ASIC實(shí)現(xiàn)最低芯片成本與足夠的性能。但ASIC方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，還要進(jìn)行深亞微米設(shè)計(jì)，成本相當(dāng)高。32位可編程處理器解決方案在性能、設(shè)計(jì)費(fèi)用與產(chǎn)品上市時(shí)間等方面有望勝過(guò)ASIC方法。新型32位控制器可實(shí)現(xiàn)高水平的 CPU性能、外圍元器件與模擬集成，有助于達(dá)到真正意義上的系統(tǒng)級(jí)芯片(SoC)目標(biāo)，并能進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

設(shè)計(jì)人員必須從一系列可編程處理器中做出選擇，范圍包括從8位微控制器到32位DSP。

選擇可編程數(shù)學(xué)處理器

在控制應(yīng)用中，以電機(jī)速度或位置控制為例，設(shè)計(jì)人員必須確保系統(tǒng)能夠滿足動(dòng)態(tài)性能規(guī)范。此外，系統(tǒng)還必須實(shí)現(xiàn)其它若干功能，其中包括消除傳感器算法、功率因數(shù)校正、噪聲濾波以及控制電磁干擾(EMI)的擴(kuò)展頻譜技術(shù)。上述大多數(shù)目標(biāo)都可通過(guò)實(shí)施數(shù)學(xué)算法處理來(lái)達(dá)到。這意味著處理器必須能夠執(zhí)行計(jì)算強(qiáng)度大的算法。為了確定所需的處理器字長(zhǎng)，我們需要深入了解這些算法。

最常見(jiàn)的控制實(shí)現(xiàn)方案是采用基于比例-積分-微分或狀態(tài)變量的控制器?？刂破髦械挠?jì)算必須以高精確度進(jìn)行實(shí)施，以避免極限環(huán)、溢出等問(wèn)題，并確保正確的采樣間(inter-sample)行為。新型的設(shè)計(jì)需要32位寬的系數(shù)與中間變量以獲得最佳性能。

通用16與32位微控制器處理數(shù)學(xué)計(jì)算效率較低。拴合乘法器(Bolt-on multiplier)缺少數(shù)據(jù)路徑，不能支持可實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)值運(yùn)算的持續(xù)乘法與加法。DSP根據(jù)設(shè)計(jì)能以盡可能高的效率處理數(shù)值計(jì)算，并為適合于運(yùn)行數(shù)學(xué)控制法則計(jì)算進(jìn)行了優(yōu)化。主要應(yīng)考慮的因素是待處理的數(shù)字長(zhǎng)度和本地處理器字長(zhǎng)。16位信號(hào)處理器不能有效處理32位數(shù)值問(wèn)題。多倍精度運(yùn)算的實(shí)施效率極低，通常因數(shù)為4到10。

第二，為了確保對(duì)高頻率運(yùn)動(dòng)做出適當(dāng)響應(yīng)，伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員常選擇過(guò)采樣，這就對(duì)數(shù)值調(diào)節(jié)提出了挑戰(zhàn)。采用32位信號(hào)處理器可方便地解決上述問(wèn)題。新型32位DSP還實(shí)現(xiàn)了高效運(yùn)行編譯C代碼的架構(gòu)。此外，32位處理器還常能提供更大的存儲(chǔ)器空間，從而簡(jiǎn)化了存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)。

作為新興的解決方案，32位DSP具備必需的處理功能，可與適當(dāng)外圍電路配合使用，能夠以極具競(jìng)爭(zhēng)力的低成本向市場(chǎng)提供優(yōu)化解決方案。

處理器選擇中的權(quán)衡因素

在選擇可編程處理器時(shí)，需就現(xiàn)有集成度、代碼大小等做出重要的權(quán)衡取舍。新型32位DSP正在集成越來(lái)越多的外圍電路。諸如脈寬調(diào)制器(PWM)、通信端口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等針對(duì)特定控制的外圍，使設(shè)計(jì)人員可不再采用外部元器件，從而節(jié)約了系統(tǒng)成本。

大量閃存與RAM的集成也不再需要外部閃存/RAM，這也降低了成本與復(fù)雜性。

32位處理器的代碼密度是研究得較多的一項(xiàng)權(quán)衡因素。新型DSP設(shè)計(jì)明智地使用16位與32位指令相結(jié)合。只有在必須被編碼的信息總量需要32位時(shí)才采用32位指令，而其他則采用16位指令，這樣代碼密度得到提高，也減少了對(duì)存儲(chǔ)器的需求。

由于32位DSP使用更寬的內(nèi)部總線，因此其使用的晶體管門數(shù)必須比相應(yīng)的16位 DSP多。而且，新型嵌入式處理器的裸片大小主要取決于存儲(chǔ)器與外圍電路的集成度。此外，再考慮到半導(dǎo)體幾何尺寸不斷減小，這就使32位DSP成為極具吸引力的一種方案。

如果控制器用作微控制器和DSP的效率都必須一樣高，那么經(jīng)調(diào)諧的架構(gòu)與外圍選擇就是我們要考慮的主要問(wèn)題。就高精確度控制市場(chǎng)而言，這意味著核心架構(gòu)采用32x32位乘法器、32位計(jì)時(shí)器、實(shí)時(shí)JTAG、32位寄存器以及讀取-修改-寫入ALU。外圍包括 PWM、編碼接口、12位ADC、看門狗定時(shí)器以及用于工業(yè)應(yīng)用的CAN接口。

圖1 總線結(jié)構(gòu)

在電機(jī)中的應(yīng)用實(shí)例

電機(jī)消耗三分之二的工業(yè)用電量以及四分之一的家庭用電量。就此而言，合適的電機(jī)大小就顯得極為重要了。在滿足瞬態(tài)規(guī)范方面，電機(jī)常常過(guò)大，有時(shí)還要添加復(fù)雜的機(jī)械裝置才能對(duì)瞬態(tài)進(jìn)行處理。實(shí)施矢量控制的智能控制器可提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)，不僅能簡(jiǎn)化系統(tǒng)，而且還可實(shí)現(xiàn)更好的總體效率與可靠性。

矢量控制算法可測(cè)量或預(yù)測(cè)轉(zhuǎn)子的磁極位置，并優(yōu)化放置多相繞組生成的定子磁通，以在給定磁通的設(shè)置下生成最大轉(zhuǎn)矩。就永磁電機(jī)而言，定子磁通角度為90度(電氣角度)。這就實(shí)現(xiàn)了可能做到的最佳轉(zhuǎn)矩，因?yàn)樯傻霓D(zhuǎn)矩與兩個(gè)磁通間的角度正弦值直接成正比。

實(shí)施低成本智能控制的挑戰(zhàn)在于其中涉及的數(shù)學(xué)復(fù)雜性。大多數(shù)微控制器不能實(shí)時(shí)處理這樣高的計(jì)算復(fù)雜性。但是，新型DSP控制器提供了智能控制所需的計(jì)算能力，還提供了SoC集成與軟件開發(fā)支持，有助于簡(jiǎn)化電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

優(yōu)化的軟件開發(fā)流程

借助可編程處理器，支持快速軟件開發(fā)的架構(gòu)對(duì)成功的產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要。新一代DSP控制器提供了更高級(jí)的外設(shè)集成及方便易用性，比MCU更好。如TI的150-MIPS TMS320F2812數(shù)字信號(hào)控制器就結(jié)合了DSP性能與靈活性。一個(gè)單周期32位乘法累加器(MAC)數(shù)據(jù)路徑或雙16位MAC 結(jié)合了高端精確度和DSP速度。高速中斷處理以及一般控制操作指令(如位操作和跳轉(zhuǎn))實(shí)現(xiàn)了在多目的、多任務(wù)環(huán)境中的器件使用。TI還提供軟件支持與硅芯片解決方案進(jìn)行互補(bǔ)，包括滿足擴(kuò)展需求的 IQMath。此外，先進(jìn)的代碼密度與得到顯著改善的編譯器技術(shù)也使如今的DSP在生成高效代碼方面做得更好。軟件是任何DSP開發(fā)的關(guān)鍵方面，豐富的電機(jī)控制庫(kù)能夠加速開發(fā)時(shí)間并簡(jiǎn)化有關(guān)工作。