新型32位DSP處理器優(yōu)化嵌入式控制應(yīng)用開發(fā)

新型應(yīng)用要求越來越高，這也使設(shè)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(tǒng)成本。市場上目前有多種控制器解決方案競相展露各自優(yōu)勢，希望獲得設(shè)計人員的重視。

傳統(tǒng)方法是采用ASIC實現(xiàn)最低芯片成本與足夠的性能。但ASIC方法設(shè)計周期長，還要進(jìn)行深亞微米設(shè)計，成本相當(dāng)高。32位可編程處理器解決方案在性能、設(shè)計費用與產(chǎn)品上市時間等方面有望勝過ASIC方法。新型32位控制器可實現(xiàn)高水平的 CPU性能、外圍元器件與模擬集成，有助于達(dá)到真正意義上的系統(tǒng)級芯片(SoC)目標(biāo)，并能進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本。

設(shè)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(shù)學(xué)處理器

在控制應(yīng)用中，以電機(jī)速度或位置控制為例，設(shè)計人員必須確保系統(tǒng)能夠滿足動態(tài)性能規(guī)范。此外，系統(tǒng)還必須實現(xiàn)其它若干功能，其中包括消除傳感器算法、功率因數(shù)校正、噪聲濾波以及控制電磁干擾(EMI)的擴(kuò)展頻譜技術(shù)。上述大多數(shù)目標(biāo)都可通過實施數(shù)學(xué)算法處理來達(dá)到。這意味著處理器必須能夠執(zhí)行計算強(qiáng)度大的算法。為了確定所需的處理器字長，我們需要深入了解這些算法。

最常見的控制實現(xiàn)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)行實施，以避免極限環(huán)、溢出等問題，并確保正確的采樣間(inter-sample)行為。新型的設(shè)計需要32位寬的系數(shù)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(shù)學(xué)計算效率較低。拴合乘法器(Bolt-on multiplier)缺少數(shù)據(jù)路徑，不能支持可實現(xiàn)高性能數(shù)值運算的持續(xù)乘法與加法。DSP根據(jù)設(shè)計能以盡可能高的效率處理數(shù)值計算，并為適合于運行數(shù)學(xué)控制法則計算進(jìn)行了優(yōu)化。主要應(yīng)考慮的因素是待處理的數(shù)字長度和本地處理器字長。16位信號處理器不能有效處理32位數(shù)值問題。多倍精度運算的實施效率極低，通常因數(shù)為4到10。

第二，為了確保對高頻率運動做出適當(dāng)響應(yīng)，伺服系統(tǒng)設(shè)計人員常選擇過采樣，這就對數(shù)值調(diào)節(jié)提出了挑戰(zhàn)。采用32位信號處理器可方便地解決上述問題。新型32位DSP還實現(xiàn)了高效運行編譯C代碼的架構(gòu)。此外，32位處理器還常能提供更大的存儲器空間，從而簡化了存儲器設(shè)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(dāng)外圍電路配合使用，能夠以極具競爭力的低成本向市場提供優(yōu)化解決方案。

處理器選擇中的權(quán)衡因素

在選擇可編程處理器時，需就現(xiàn)有集成度、代碼大小等做出重要的權(quán)衡取舍。新型32位DSP正在集成越來越多的外圍電路。諸如脈寬調(diào)制器(PWM)、通信端口與模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)等針對特定控制的外圍，使設(shè)計人員可不再采用外部元器件，從而節(jié)約了系統(tǒng)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(fù)雜性。

32位處理器的代碼密度是研究得較多的一項權(quán)衡因素。新型DSP設(shè)計明智地使用16位與32位指令相結(jié)合。只有在必須被編碼的信息總量需要32位時才采用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(nèi)部總線，因此其使用的晶體管門數(shù)必須比相應(yīng)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(dǎo)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(diào)諧的架構(gòu)與外圍選擇就是我們要考慮的主要問題。就高精確度控制市場而言，這意味著核心架構(gòu)采用32x32位乘法器、32位計時器、實時JTAG、32位寄存器以及讀取-修改-寫入ALU。外圍包括 PWM、編碼接口、12位ADC、看門狗定時器以及用于工業(yè)應(yīng)用的CAN接口。

圖1 總線結(jié)構(gòu)

在電機(jī)中的應(yīng)用實例

電機(jī)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(jī)大小就顯得極為重要了。在滿足瞬態(tài)規(guī)范方面，電機(jī)常常過大，有時還要添加復(fù)雜的機(jī)械裝置才能對瞬態(tài)進(jìn)行處理。實施矢量控制的智能控制器可提供更快的瞬態(tài)響應(yīng)，不僅能簡化系統(tǒng)，而且還可實現(xiàn)更好的總體效率與可靠性。

矢量控制算法可測量或預(yù)測轉(zhuǎn)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(shè)置下生成最大轉(zhuǎn)矩。就永磁電機(jī)而言，定子磁通角度為90度(電氣角度)。這就實現(xiàn)了可能做到的最佳轉(zhuǎn)矩，因為生成的轉(zhuǎn)矩與兩個磁通間的角度正弦值直接成正比。

實施低成本智能控制的挑戰(zhàn)在于其中涉及的數(shù)學(xué)復(fù)雜性。大多數(shù)微控制器不能實時處理這樣高的計算復(fù)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集成與軟件開發(fā)支持，有助于簡化電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。

優(yōu)化的軟件開發(fā)流程

借助可編程處理器，支持快速軟件開發(fā)的架構(gòu)對成功的產(chǎn)品開發(fā)至關(guān)重要。新一代DSP控制器提供了更高級的外設(shè)集成及方便易用性，比MCU更好。如TI的150-MIPS TMS320F2812數(shù)字信號控制器就結(jié)合了DSP性能與靈活性。一個單周期32位乘法累加器(MAC)數(shù)據(jù)路徑或雙16位MAC 結(jié)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(zhuǎn))實現(xiàn)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(bǔ)，包括滿足擴(kuò)展需求的 IQMath。此外，先進(jìn)的代碼密度與得到顯著改善的編譯器技術(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開發(fā)的關(guān)鍵方面，豐富的電機(jī)控制庫能夠加速開發(fā)時間并簡化有關(guān)工作。