新型32位DSP處理器優(yōu)化嵌入式控制應用開(kāi)發(fā)

新型應用要求越來(lái)越高，這也使設計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)化系統成本。市場(chǎng)上目前有多種控制器解決方案競相展露各自?xún)?yōu)勢，希望獲得設計人員的重視。

傳統方法是采用ASIC實(shí)現最低芯片成本與足夠的性能。但ASIC方法設計周期長(cháng)，還要進(jìn)行深亞微米設計，成本相當高。32位可編程處理器解決方案在性能、設計費用與產(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)現高水平的 CPU性能、外圍元器件與模擬集成，有助于達到真正意義上的系統級芯片(SoC)目標，并能進(jìn)一步降低系統成本。

設計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。

選擇可編程數學(xué)處理器

在控制應用中，以電機速度或位置控制為例，設計人員必須確保系統能夠滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)性能規范。此外，系統還必須實(shí)現其它若干功能，其中包括消除傳感器算法、功率因數校正、噪聲濾波以及控制電磁干擾(EMI)的擴展頻譜技術(shù)。上述大多數目標都可通過(guò)實(shí)施數學(xué)算法處理來(lái)達到。這意味著(zhù)處理器必須能夠執行計算強度大的算法。為了確定所需的處理器字長(cháng)，我們需要深入了解這些算法。

最常見(jiàn)的控制實(shí)現方案是采用基于比例-積分-微分或狀態(tài)變量的控制器?？刂破髦械挠嬎惚仨氁愿呔_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。新型的設計需要32位寬的系數與中間變量以獲得最佳性能。

通用16與32位微控制器處理數學(xué)計算效率較低。拴合乘法器(Bolt-on multiplier)缺少數據路徑，不能支持可實(shí)現高性能數值運算的持續乘法與加法。DSP根據設計能以盡可能高的效率處理數值計算，并為適合于運行數學(xué)控制法則計算進(jìn)行了優(yōu)化。主要應考慮的因素是待處理的數字長(cháng)度和本地處理器字長(cháng)。16位信號處理器不能有效處理32位數值問(wèn)題。多倍精度運算的實(shí)施效率極低，通常因數為4到10。

第二，為了確保對高頻率運動(dòng)做出適當響應，伺服系統設計人員常選擇過(guò)采樣，這就對數值調節提出了挑戰。采用32位信號處理器可方便地解決上述問(wèn)題。新型32位DSP還實(shí)現了高效運行編譯C代碼的架構。此外，32位處理器還常能提供更大的存儲器空間，從而簡(jiǎn)化了存儲器設計。

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

處理器選擇中的權衡因素

在選擇可編程處理器時(shí)，需就現有集成度、代碼大小等做出重要的權衡取舍。新型32位DSP正在集成越來(lái)越多的外圍電路。諸如脈寬調制器(PWM)、通信端口與模數轉換器(ADC)等針對特定控制的外圍，使設計人員可不再采用外部元器件，從而節約了系統成本。

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雜性。

32位處理器的代碼密度是研究得較多的一項權衡因素。新型DSP設計明智地使用16位與32位指令相結合。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，也減少了對存儲器的需求。

由于32位DSP使用更寬的內部總線(xiàn)，因此其使用的晶體管門(mén)數必須比相應的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器與外圍電路的集成度。此外，再考慮到半導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)調諧的架構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(zhù)核心架構采用32x32位乘法器、32位計時(shí)器、實(shí)時(shí)JTAG、32位寄存器以及讀取-修改-寫(xiě)入ALU。外圍包括 PWM、編碼接口、12位ADC、看門(mén)狗定時(shí)器以及用于工業(yè)應用的CAN接口。

圖1 總線(xiàn)結構

在電機中的應用實(shí)例

電機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，合適的電機大小就顯得極為重要了。在滿(mǎn)足瞬態(tài)規范方面，電機常常過(guò)大，有時(shí)還要添加復雜的機械裝置才能對瞬態(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，不僅能簡(jiǎn)化系統，而且還可實(shí)現更好的總體效率與可靠性。

矢量控制算法可測量或預測轉子的磁極位置，并優(yōu)化放置多相繞組生成的定子磁通，以在給定磁通的設置下生成最大轉矩。就永磁電機而言，定子磁通角度為90度(電氣角度)。這就實(shí)現了可能做到的最佳轉矩，因為生成的轉矩與兩個(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在于其中涉及的數學(xué)復雜性。大多數微控制器不能實(shí)時(shí)處理這樣高的計算復雜性。但是，新型DSP控制器提供了智能控制所需的計算能力，還提供了SoC集成與軟件開(kāi)發(fā)支持，有助于簡(jiǎn)化電機控制系統的設計。

優(yōu)化的軟件開(kāi)發(fā)流程

借助可編程處理器，支持快速軟件開(kāi)發(fā)的架構對成功的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。新一代DSP控制器提供了更高級的外設集成及方便易用性，比MCU更好。如TI的150-MIPS TMS320F2812數字信號控制器就結合了DSP性能與靈活性。一個(gè)單周期32位乘法累加器(MAC)數據路徑或雙16位MAC 結合了高端精確度和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)實(shí)現了在多目的、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，包括滿(mǎn)足擴展需求的 IQMath。此外，先進(jìn)的代碼密度與得到顯著(zhù)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(kāi)發(fā)的關(guān)鍵方面，豐富的電機控制庫能夠加速開(kāi)發(fā)時(shí)間并簡(jiǎn)化有關(guān)工作。