工業(yè)級特性在嵌入式處理中至關(guān)重要

許多通用信號處理器具有良好的計算性能和基本連接特性，因而能為工業(yè)應用所接受。另一方面，有些重要的外設增強功能可以顯著(zhù)改進(jìn)處理器的能力，使其適合要求更高的工業(yè)系統。本文將就網(wǎng)絡(luò )和電機控制應用討論兩個(gè)增強功能的例子。

以太網(wǎng)接口

對于傳統工業(yè)應用，以太網(wǎng)控制器可提供基本網(wǎng)絡(luò )連接?？刂破?MAC)與處理器通常位于同一芯片上。它一般與一個(gè)外部PHY芯片配合使用，構成完整的接口。

也可以使用外部MAC/PHY芯片，常常將這種芯片直接連到處理器的異步存儲器接口。雖然以太網(wǎng)MAC/PHY組合芯片的價(jià)格持續下降，已達到幾乎與獨立PHY芯片相當的程度，但其傳輸速率無(wú)法與集成MAC加外部PHY解決方案相比。這是因為，內部MAC通常與系統DMA通道相連，可以設置為發(fā)送或接收數據，與內核處理器的交互極少。內部MAC控制器一般可以實(shí)現接近于線(xiàn)路速度的性能，具體取決于協(xié)議。

性能的另一個(gè)重要方面是實(shí)現給定吞吐速率所需的處理器負荷。這是整體性能的一部分，也是內部MAC解決方案與外部MAC解決方案的最大不同之處。

在工業(yè)型網(wǎng)絡(luò )中，以太網(wǎng)可利用網(wǎng)絡(luò )時(shí)間協(xié)議(NTP)提供基本系統時(shí)間。對于基于NTP的系統，整個(gè)受控網(wǎng)絡(luò )的同步通過(guò)“人機接口”時(shí)間尺度衡量。雖然該協(xié)議適合一般系統定時(shí)信息，但它不夠精確，不適合許多要求更精密同步的工業(yè)控制系統。

為改善精度，業(yè)界制定了IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議(PTP)標準，與以太網(wǎng)控制器和網(wǎng)絡(luò )堆棧配合使用，以利用主時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò )上的“本地”時(shí)鐘。也就是，各處理或控制節點(diǎn)與驅動(dòng)系統的主參考時(shí)間同步。

通過(guò)使整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò )保持精密定時(shí)關(guān)系，時(shí)間事件便可以同步到亞毫秒水平。時(shí)間事件包括：模擬/數字轉換器何時(shí)采樣，何時(shí)驅動(dòng)數字/模擬轉換器，以及何時(shí)激活I(lǐng)/O線(xiàn)路以執行系統控制等。

IEEE 1588 PTP要求交換特定數據包，以便從兩個(gè)節點(diǎn)提供時(shí)間信息。這些數據包用于計算各節點(diǎn)時(shí)鐘之間的時(shí)間和頻率差。此外，該協(xié)議提供一種連續調整時(shí)鐘的途徑，使各時(shí)鐘保持同步。

IEEE 1588 PTP協(xié)議既可以完全通過(guò)軟件實(shí)現，也可以通過(guò)硬件與軟件的組合實(shí)現?；谟布慕鉀Q方案可提供最佳精度，因而節點(diǎn)之間可實(shí)現最佳同步。采用硬件解決方案時(shí)，數據包的時(shí)間戳可以盡可能靠近它與PHY的交互點(diǎn)。這樣，節點(diǎn)之間的抖動(dòng)更低。

PWM單元

微處理器和DSP的一個(gè)標準外設是通用定時(shí)器，它基于芯片內部或外部的一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘參考提供標準定時(shí)器功能。在引腳接口上，它也可提供寬度捕捉或脈沖計數功能，以及單端脈沖寬度調制(PWM)輸出波形。這些PWM輸出通常具有可編程脈沖寬度和周期，可以用在許多任務(wù)業(yè)控制應用中，包括直流電平產(chǎn)生和抗噪模擬信號傳輸(利用適當的低通濾波)。

然而，為使其真正能夠用于交流電機控制，需要從幾個(gè)方面對基本PWM功能進(jìn)行升級。圖1顯示了電機控制示意框圖，其中來(lái)自處理器的PWM輸出以差分方式驅動(dòng)高端和低端電源器件，從而調節電機的扭矩和速度。ADC用于向處理器提供電流測量反饋，這樣就可以在具有時(shí)序緊密的閉環(huán)系統中管理PWM占空比，以便控制電機。

圖1：電機控制信號鏈示意圖。

與通用處理器的PWM模塊相比，用于電機控制的PWM單元具有多項增強功能。如上文所述，電機控制PWM成對使用，以便在給定電機相位交替驅動(dòng)高端和低端電源開(kāi)關(guān)。對于三相交流電機，需要采用3對PWM單元。

如圖1所示，在處理器的PWM控制單元與功率晶體管的柵極驅動(dòng)器件之間一般必須提供隔離。這種隔離通常利用光耦合器或脈沖變壓器實(shí)現。因此，一些PWM單元提供柵極驅動(dòng)單元，便于輸出與高頻斬波信號混合，從而連接到脈沖變壓器;同時(shí)還配有引腳驅動(dòng)器，以足夠的源電流和吸電流驅動(dòng)大多數光耦合器。

重要的是，電機控制PWM必須在一個(gè)電源器件聲明結束與另一個(gè)互補的電源器件聲明開(kāi)始之間提供一定的保證“死區”。否則，電源開(kāi)關(guān)可能發(fā)生直流短路。

此外，必須始終存在能夠立即異步禁用PWM輸出的途徑，避免發(fā)生多個(gè)輸出相位同時(shí)啟動(dòng)的錯誤狀況。這種“PWM跳變”特性允許利用外部異步信號禁用所有PWM輸出，無(wú)論處理器時(shí)鐘處于何種狀態(tài)。

最后，雖然讓通用定時(shí)器同步啟動(dòng)是常見(jiàn)做法，但PWM定時(shí)器同步對于電機控制具有更重要的意義?？梢岳脙炔炕蛲獠渴┘拥?ldquo;PWM同步”信號產(chǎn)生一個(gè)中斷(有時(shí)每個(gè)周期不止一次)，以便處理器能夠根據控制算法調整占空比，并且ADC能夠獲取和傳輸下一個(gè)電流測量結果。

至此，顯而易見(jiàn)，雖然許多任務(wù)業(yè)應用可能會(huì )選用具有通用外設集的處理器，但首先考慮哪些“工業(yè)升級”對當前應用有利是明智之舉。本文中，我們只選擇討論了網(wǎng)絡(luò )連接和PWM功能兩個(gè)例子，但同樣的道理也適用于其它許多子系統，包括存儲器結構和數據轉換接口。利用擴增外設和系統模塊帶來(lái)的增值，可以提高工業(yè)產(chǎn)品的穩定性和系統控制能力。