DSP應用擴展至重型設備

從前人們認為，DSP 僅適用于高速數值運算和電信任務(wù)，但德州儀器 (TI) 推出的 DSP 目前已經(jīng)用于傳統上由普通 MCU 所處理的任務(wù)。長(cháng)期用于手機的數字信號處理器已推廣用于較大型重型設備中，處理更加繁重的工作任務(wù)。

重型設備控制需要集成系統自動(dòng)調節整部機器的工作，操作人員只需操作一組控制桿，就能同時(shí)調節引擎動(dòng)力、傳動(dòng)裝置、液壓動(dòng)力傳輸、車(chē)輛運動(dòng)和方向以及抓舉角度和力度等。重型移動(dòng)設備制造商以前一直將控制系統視為不得不處理的難題，而不是競爭優(yōu)勢。早期設備包含多套控制系統分別處理各種特定的子系統，如引擎、傳動(dòng)、液壓等。通常由子系統制造商提供這些控制機制，或是由機器制造商根據需要開(kāi)發(fā)。隨著(zhù)人們對性能、操作安全性以及環(huán)保條款的要求更加嚴格，設備制造商必須升級其控制機制。新型方案的一個(gè)特點(diǎn)是在不同子系統之間進(jìn)行更全面的協(xié)調。兩大因素有利于實(shí)現這種協(xié)調：一是微控制器 (MCU) 不斷改善，二是子系統制造商采用 CANbus 等標準連接協(xié)議。

不過(guò)，集成控制系統的成本更高。一些越野系統制造商將已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的高端控制系統應用于相對較低端的產(chǎn)品中，以降低成本。這顯然會(huì )造成性能浪費，因為有些控制特性在低端設備中用不上，控制系統開(kāi)發(fā)人員能夠找到更好的辦法來(lái)降低開(kāi)發(fā)成本。他們設計出的模塊化系統可提供混合搭配(mixandmatch) 的構建塊。通過(guò)選擇某種移動(dòng)設備必需的模塊，可為機器量身定做控制系統，關(guān)鍵在于確保提供足夠的處理能力，以滿(mǎn)足所有所選模塊的要求。

Sauer-Danfoss是一家移動(dòng)設備控制廠(chǎng)商，其移動(dòng)電子設備產(chǎn)品經(jīng)理Dan Ricklefs指出：“重型設備領(lǐng)域一般認為，控制系統的性能并不重要，因為相關(guān)機制的工作速度較為緩慢。實(shí)際上，機器每次運動(dòng)都涉及大量數值運算工作。說(shuō)到底，控制器的功能將決定能否順利開(kāi)關(guān)閥門(mén)，從而控制設備的加速或減速?！?

順利運行要求對小的變動(dòng)(根據測量得出的值來(lái)確定)作出快速響應。模塊化控制需要能夠快速處理模擬和數字信號的處理器。數字信號處理器 (DSP) 能滿(mǎn)足控制整體移動(dòng)機器所需的靈活性和處理能力要求?；?DSP 的控制機制能夠廣泛應用于各種設備，如在農業(yè)、建筑業(yè)、林業(yè)以及道路建設等領(lǐng)域普遍使用的起重機、裝載機和鏟土機等。

與傳統 MCU 的處理能力相比，基于 DSP控制機制的能力要高出 10 倍甚至更多。這種高性能大幅減少了控制環(huán)路時(shí)間，并大大加快了各種一般任務(wù)的速度。舉例來(lái)說(shuō)，割草系統能將回路時(shí)間從 20ms縮短到不足 10ms，也就是說(shuō)，割草任務(wù)的處理時(shí)間能縮短 40% 以上，即從 3.66 分鐘減少至 2 分鐘左右。換言之，工作效率將凈增 75%。

Sauer-Danfoss Plus 1 就是最新的模塊化集成移動(dòng)控制系統的實(shí)例之一，該產(chǎn)品在同一個(gè)集成式環(huán)境中集成了眾多組件，如編程與開(kāi)發(fā)工具、MCU、I/O 模塊、圖形終端以及操縱桿等。對于諸如引擎防失速系統、負載限制或速度控制等各種典型應用，我們均在控制系統中預封裝了子例行程序 (Subroutine)。軟件控制對象庫使開(kāi)發(fā)人員能夠定制控制任務(wù)。OEM 工程師只需將軟件模塊“拖放”到車(chē)輛管理系統，就能實(shí)現定制控制。

處理器內核的選擇

Sauer-Danfoss 選用 DSP 的決策充分說(shuō)明了 DSP 技術(shù)的優(yōu)越性。以前的控制系統采用 8 位和 16 位 MCU 來(lái)驅動(dòng)。前一代技術(shù)的環(huán)路時(shí)間約為 20~40ms，在此時(shí)間內需要在控制系統、受控設備和傳感器之間完成一個(gè)通信周期，以實(shí)現閉環(huán)反饋。隨著(zhù)控制系統的復雜性不斷提高，環(huán)路時(shí)間成為主要的瓶頸。

系統工程師起初認為 DSP 并不適用在這些領(lǐng)域，Sauer-Danfoss 的硬件開(kāi)發(fā)工程師 Joe Schottler 指出：“人們過(guò)去一般認為，DSP價(jià)格過(guò)于昂貴，只適合高要求的數值運算，且其輸入／輸出功能也不適用于工業(yè)控制。從事我們這一行業(yè)的主要廠(chǎng)商全都使用微控制器(MCU)。人們普遍認為，MCU 的功能遠遠超過(guò)了所需的性能要求?！辈贿^(guò)，進(jìn)一步研究發(fā)現，DSP 系統能夠支持行業(yè)使用的所有外設，如閃存存儲器、CANbus、計時(shí)器通道 (timer channel) 以及馬達控制功能等。

Sauer-Danfoss 對內核的選擇非常嚴格，但他們最終決定采用 DSP，這確實(shí)讓眾多團隊成員大吃了一驚?！暗谝?，我們發(fā)現 TI 的 TMS320F2810 與 F2812 數字信號控制器從整體系統價(jià)格來(lái)說(shuō)很有競爭力。當然，就單位部件來(lái)說(shuō)，DSP 的成本要高一些，但其信號處理功能精簡(jiǎn)了材料清單的數量，與采用微控制器的方法相比，單位模塊的成本要更具競爭力?！迸e例來(lái)說(shuō)，系統工程師在 DSP 中只需采用軟件過(guò)濾器，而不必在每個(gè)印刷電路板上添加 4 ~10 個(gè)硬件過(guò)濾器。

另一問(wèn)題是嵌入式控制系統中的 MCU 需要集成大量的閃存存儲器。系統工程師發(fā)現，采用TI的DSP所提供的功能足以滿(mǎn)足他們需要的所有集成控制系統的需求。

由于使用控制對象和模塊化的軟件庫，因此我們能夠根據特定要求進(jìn)行系統擴展。軟件定制的控制機制使 OEM 廠(chǎng)商能設計出靈活的機器設備。Plus 1 模塊中采用的基于 DSP 的 C2000 控制器形成了能夠控制傳輸、動(dòng)力傳動(dòng)系統和閥門(mén)等的集成內核。對此功能加以擴展，就能控制諸如刀片、抓舉器 (gripper)、鏟斗 (bucket) 以及液壓和電子轉向系統(electronic steering)等其他設備。采用一體化控制架構 (just-one-control architecture) 可實(shí)現成本最小化。我們可根據特定機器的功能要求增加或去除相應模塊。編程決定工作參數。舉例來(lái)說(shuō)，如果輪式裝載機的操作員通過(guò)控制操作桿來(lái)提高輪的速度，那么控制系統將決定是否打開(kāi)引擎的油門(mén)，降低靜液壓傳動(dòng)的齒輪速比，或同時(shí)進(jìn)行兩種操作。

控制模塊能夠處理多種尺寸和配置的要求。例如，Plus 1 系統可采用三種不同的封裝尺寸，并提供九種配置方案以及多種可選接口，其中包括 CAN 總線(xiàn)、攝像頭連接 (camera input)、USB 端口以及 RS-232 接口等。這樣，設計工程師不僅能夠控制微調和診斷的程度，而且維修技術(shù)人員還能用膝上型電腦或 PDA 進(jìn)行操作。圖形終端可顯示油壓和機器角度等相關(guān)功能。

我們應根據法規的變化不斷調整控制機制，而這只需對有關(guān)參數進(jìn)行再編程即可。這里不妨舉一個(gè)實(shí)例來(lái)說(shuō)明如何符合 EPA 制定的越野引擎的有關(guān)規定。相關(guān)規定分為三個(gè)階段實(shí)施，每個(gè)階段需要幾年的過(guò)渡時(shí)間，然后才進(jìn)入下一階段。一級標準的有效期從 1996 年至 2000 年。較嚴格的二級標準目前已經(jīng)生效，有效期至 2006 年。更嚴格的三級標準將于明年開(kāi)始實(shí)施直至 2008 年，不過(guò)這三級標準僅適用于37~ 560 kW 的引擎。我們可以采用高級引擎設計以符合一級到三級的有關(guān)規定。2005年，EPA 簽署了最終規則，將于 2008 年開(kāi)始實(shí)施四級排放標準，有關(guān)標準的適用期將實(shí)施至 2015 年。四級標準要求顆粒物和一氧化二氮的排量在目前的基礎上再降低90%。只有采用先進(jìn)的控制技術(shù)并進(jìn)行嚴格的廢氣排放處理，工程師們才能滿(mǎn)足上述目標的要求。