基于DSP的數字信號控制器提供實(shí)時(shí)控制功能

越來(lái)越多的實(shí)時(shí)控制應用令設計人員左右為難。這些應用既需要微控制器(MCU)的易用性和對中斷的快速響應特性，又需要數字信號處理器(DSP)的強大計算能力。

伺服機構、功率因數校正和可變負載運動(dòng)控制等應用都要求把DSP的計算能力與MCU的快速中斷響應和數字輸出特長(cháng)結合在一起，所以，最初的解決方案是在應用中同時(shí)采用這兩種器件。

但集成能力的提升使數字信號控制器(DSC)的開(kāi)發(fā)得以實(shí)現。DSC是一種帶DSP架構從而具有更強計算能力的混合型MCU器件，其性能和提供的外設范圍都得到了拓展。

“起初，DSC針對的是特定市場(chǎng)，但現在需要實(shí)時(shí)控制的應用已不在少數，且DSC和MCU市場(chǎng)已開(kāi)始融合。”TI C2000系列產(chǎn)品的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Keith Ogboenyiya表示。在電源等應用領(lǐng)域，DSC已開(kāi)始取代MCU和模擬控制系統，Ogboenyiya補充道。

微芯科技(Microchip)公司戰略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Steve Marsh也持相同觀(guān)點(diǎn)。“數字電源等領(lǐng)域正開(kāi)始從傳統MCU轉向DSC，而不久之后，電池管理等其他應用也將步其后塵。”Marsh說(shuō)，“MCU用戶(hù)已開(kāi)始利用DSC內的DSP特性。”

同時(shí)，Marsh指出，傳統應用對DSC的要求也越來(lái)越多。“類(lèi)似電機控制等應用正在轉用更先進(jìn)的算法以降低傳感器和電機成本，還要應對諸如可變負載等獨特的負載要求。”他說(shuō)。

DSC新品層出不窮

為順應市場(chǎng)發(fā)展趨勢，2008年Microchip和TI分別推出了20多款新型DSC器件，并計劃在2009年推出更多產(chǎn)品。此外，飛思卡爾也有自己的DSC，而ADI有面向控制的DSP；Microchip和TI的新品使業(yè)已豐富的DSC器件錦上添花。這些新品的特點(diǎn)是功能更強、性能更高、售價(jià)更低，有利于拓展DSC的應用領(lǐng)域。

例如，Microchip的16位dsPIC33系列增加了用于電機和頻率控制的脈寬調制器(PWM)、最大可達128MB的閃存，以及用于現有并行和串行數字接口和模數轉換器(ADC)的正交編碼器接口。dsPIC33系列還增加了音頻級數模轉換器(DAC)以拓展設計選擇，開(kāi)發(fā)人員可利用該DAC輸出模擬控制信號、生成報警音(不占用PWM資源)，或作為用戶(hù)接口設計的一部分提供數字化語(yǔ)音響應。

滿(mǎn)足市場(chǎng)對小體積設計日益增長(cháng)的需求是Microchip新型DSC產(chǎn)品的另一個(gè)重點(diǎn)。為使封裝盡量小(6x6mm／28引腳)，Microchip實(shí)現了片上外設可編程引腳選擇功能。該功能允許開(kāi)發(fā)人員根據需要來(lái)映射I/O信號，以便在選擇一種外設功能時(shí)不會(huì )制約其它功能的使用。

成本和性能是TI開(kāi)發(fā)其30多款新型Piccolo系列產(chǎn)品的推動(dòng)因素?；谄?2位C2000處理器核心，Piccolo提供了高性能的DSC功能，批量購買(mǎi)時(shí)單價(jià)不足2美元，其封裝只有48引腳。Piccolo系列于2008年12月提供樣片，其存儲器最大可達128 MB，且有豐富的模擬和數字I/O外設。該系列還包含一個(gè)頻率和占空比精度可達150皮秒(10-9秒)的增強型PWM設計。

部分Piccolo產(chǎn)品采用獨特的控制律加速器(CLA)技術(shù)，該技術(shù)可獨立于CPU執行控制環(huán)算法。CLA是32位浮點(diǎn)數學(xué)加速器，具有單獨的中斷控制器，并能訪(fǎng)問(wèn)PWM和ADC等外設。TI稱(chēng)，與單獨使用CPU相比，采用CLA可以把性能提升5倍。

圖：TI的一些DSC內的控制環(huán)加速器具有自己的中斷和外設接口，從而可使其獨立于CPU工作

簡(jiǎn)化應用的工具

除了增加功能、提升性能以外，供應商還在努力工作，使傳統MCU用戶(hù)采用DSC設計方法時(shí)更容易。Microchip已使其開(kāi)發(fā)工具集適用于其DSC和相關(guān)的MCU系列的全部產(chǎn)品，以便開(kāi)發(fā)人員可根據特性而非可用工具選擇器件。

TI采用了類(lèi)似方法，使其Piccolo系列與其它基于C2000的器件代碼兼容，這樣，其CCStudio工具集就可以適用于所有器件。

這些工具集的一個(gè)關(guān)鍵特性是允許開(kāi)發(fā)人員使用類(lèi)似C等高級語(yǔ)言編寫(xiě)應用主體程序，而在需要最高性能的地方采用匯編語(yǔ)言編程。供應商還提供了豐富的庫來(lái)幫助沒(méi)有DSP開(kāi)發(fā)經(jīng)驗或經(jīng)驗不多的開(kāi)發(fā)人員簡(jiǎn)化其軟件設計。這些庫包括功率因數校正、電機控制和噪聲抑制等應用功能代碼，并提供通信協(xié)議、調制解調器和編解碼器、加密及更多其它功能的系統代碼。

隨著(zhù)越來(lái)越多的MCU用戶(hù)轉向采用DSC，該產(chǎn)品將繼續改進(jìn)。“消費者對我們提出各種要求，包括：新增外設和更大容量、更快的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)和處理器速度，而在滿(mǎn)足這些要求的同時(shí)，器件體積還要小。” Microchip的Marsh說(shuō)。

不斷增長(cháng)的軟件所需的存儲器擴展能力，以及工業(yè)用戶(hù)對控制器局域網(wǎng)協(xié)議等通信協(xié)議的需求，也在推動(dòng)著(zhù)DSC不斷改進(jìn)，TI的Ogboenyiya表示。

這樣，對嵌入式實(shí)時(shí)數字控制系統設計來(lái)說(shuō)，其可選功能范圍將與日俱增。