常用電機微控制器之比較

電機控制是微控制器的一個(gè)重要應用領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，隨著(zhù)微電子工藝水平的提高，電機微控制水平有了飛速的發(fā)展。世界上著(zhù)名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產(chǎn)品，使得電機微控制器種類(lèi)不斷增多，功能日益增強。常見(jiàn)的有Intel公司的 8CX196MC/MD/MH、TI公司的TMS320C24x系列、 Motorola公司的M68HC08/16、ADI公司的ADMCxxx系列微控制器等等。

對于現代高性能的電機控制系統而言，除了要有一個(gè)功能強大的計算內核外，還需要一些附加的外部電路，如高分辨率的A/D變換器、多路輸入輸出I/O口等，尤其需要一個(gè)用于產(chǎn)生驅動(dòng)逆變器功率開(kāi)關(guān)元件的PWM信號的波形發(fā)生單元和定時(shí)器單元，這也是電機微控制器共同的重要特片。

1 基本結構

1.1 8XC196MC的基本結構

8XC196MC 是Intel公司專(zhuān)門(mén)為電機高速控制所設計的一種16位微控制器，基本結構如圖1所示。它有1個(gè)C196內核（寄存器-寄存器結構），當時(shí)鐘頻率為 16MHz時(shí)，進(jìn)行1次16bit×16bit運算需1.75μs；進(jìn)行1次32bit/16bit運算需3μs；另外包括488字節的寄存器RAM、 64KB程序空間、中斷、7個(gè)I/O口共40條I/O口線(xiàn)，PTS工作方式支持串行輸入、輸出（SIO）功能；片內外設有1個(gè)13通道的A/D轉換器，可工作在8位或10位模式，采樣保持時(shí)間、轉換時(shí)間、閥植檢測方式和零偏補償校正均可編程；2個(gè)16位定時(shí)器；1個(gè)事件處理器陣列（EPA）有4路捕捉/比較模塊和獨立的4路比較模塊，它和定時(shí)器共同完成對事件監測與控制，具有125ns的事件處理分辨能力；1個(gè)三相波形發(fā)生器（Waveform Generator簡(jiǎn)稱(chēng)WG）和1個(gè)脈寬調制單元（PWM）。在運行中可動(dòng)態(tài)選擇8位或者16位的總線(xiàn)寬芳，并能通過(guò)HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現多處理器通信。

8XC196MD是8XC196MC的改進(jìn)型，引腳兼容且基本結構相同，只是在其基礎上增加了如下功能；

①1路頻率發(fā)生器產(chǎn)生的頻率可編程的方波，適用于紅外遙控通信；

②在EPA中，添加了2路捕捉/比較模塊和獨立的2路比較模塊；

③增加8個(gè)I/O引腳，2個(gè)數字輸入引腳及1個(gè)A/D輸入引腳。

1.2 TMS320C240 DSP的基本結構

TI（德州儀器）公司于1997年推出的電機微控制TMS320C240，是第1片專(zhuān)門(mén)為滿(mǎn)足復雜電機控制需求而設計的單片DSP控制器，其結構如圖2所示。由于具有硬件乘法器及多總線(xiàn)結構，TMS320C240支持高速指令周期及單周期乘法，16位定點(diǎn)DSP內核的計算速度達20 MIPS（1個(gè)指令周期50ns），片內有544字的數據/程序RAM和16K字的程序ROM，外設包括1個(gè)專(zhuān)用于電機控制的事件管理器（可用于產(chǎn)生三相 PWM信號和捕捉光電編碼器的脈沖信號）、2個(gè)8路10位A/D變換器、1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器、1個(gè)串行通信接口（SPI）、1個(gè)串行外設接口（SCI口）和 4個(gè)8位共32路I/O口。

1.3 ADMC331的結構

ADMC3xx 系列是美國ADI（模擬器件）公司生產(chǎn)的單片DSP電機控制器。它們均以1個(gè)ADSP-2171DSP為基礎內核，配以電機控制所需要的外設單元組成，主要包括ADMC300、ADMC328、ADMC330、ADMC331和ADMC401。其中，ADMC 328屬于簡(jiǎn)單型控制器，僅有28個(gè)引腳，主要應用在家用電器或一般較簡(jiǎn)單的業(yè)控制系統中；ADMC300/330/331控制器引腳均為80個(gè)，性能居中，可較好地滿(mǎn)足一般調速系統的控制要求；ADMC401為高檔型DSP控制器，引腳多達144個(gè)，功能豐富，可應用于高精度且復雜的調速控制系統中。這里以ADMC331為例簡(jiǎn)要介紹一下其結構特點(diǎn)。

ADMC331集成了1個(gè)26MIPS的16位定點(diǎn)DSP內核ADSP2171和一系列電機控制所需設備。DSP內核并聯(lián)了3個(gè)運算單元，ALU（算術(shù)邏輯）、MAC（乘加）和SHIFTER（移位）。ADMC331還提供了2K×24位的程序存儲器（ROM）、2K×24位程序存儲器（RAM）和1K× 16位數據存儲器（RAM），程序及數據存儲器RAM內的存儲內部可由其串口從外部ROM中以同步或異步方式裝入，ROM中還固化了一些常用的電機控制用子程序和常數，為控制系統的程序設計提供了方便。從圖3的結構框圖中可見(jiàn)，ADMC331的外設包括1個(gè)16位三相PWM發(fā)生器，能夠靈活編程產(chǎn)生精確 PWM信號以驅動(dòng)逆變器的功率開(kāi)關(guān)；7個(gè)模塊輸入通道，最高分辨率為12位，最高采樣頻率為32.5kHz；2個(gè)輔助8位PWM輸出通道，可用來(lái)為被控的功率因數校正或其它開(kāi)關(guān)變換器提供開(kāi)關(guān)信號，亦可通過(guò)合適的濾波網(wǎng)絡(luò )作為數模轉換的輸出；16位的監視定時(shí)器和可編程的16位定時(shí)器；每位均可設置為輸入 /輸出或中斷的24位數字可編程輸入/輸出（PIO）端口及2個(gè)雙緩沖的串行口。再加上豐富的DSP操作指令的支持，單周期指令執行時(shí)間可達 38.5ns，使之不失為電機調速控制的理想器件。

2 PWM信號的形成

對于任何種類(lèi)的三相電機控制系統，均要求產(chǎn)生3對完善的PWM信號以驅動(dòng)逆變器上下橋臂功率開(kāi)關(guān)元件，并要求每對PWM信號有適當的導通延時(shí)，以防止下橋臂功率開(kāi)關(guān)同時(shí)導通而毀壞系統。這也正是電機微控制器區別于其它種類(lèi)微控制器的重要特征。