既要“快”又要“精”：精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)控制，如何實(shí)現(xiàn)？

說(shuō)起實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，大家也許無(wú)法給出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，但是一定不會(huì)陌生。比如一踩油門(mén)或剎車(chē)，汽車(chē)馬上就能無(wú)延遲地加速和減速；或者是在智能工廠(chǎng)中，機(jī)械臂及時(shí)精準(zhǔn)地走位和工作——這些操作的背后都是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)在發(fā)揮作用。

對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，一種比較簡(jiǎn)單的理解就是：在規(guī)定的時(shí)間窗口內(nèi)，完成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)信號(hào)鏈的處理流程。如果超出或者錯(cuò)過(guò)了這個(gè)時(shí)間窗口，就會(huì)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度、效率和可靠性帶來(lái)不利的影響。

實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

典型的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)包括感知、處理、驅(qū)動(dòng)和通信四個(gè)部分。

●   感知

通過(guò)準(zhǔn)確而精密的測(cè)量，獲取電壓、電流、電機(jī)轉(zhuǎn)速或溫度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以便在特定時(shí)間點(diǎn)為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)。

●   處理

將感知獲取的數(shù)據(jù)輸入主控單元進(jìn)行計(jì)算和處理，進(jìn)而及時(shí)得出決策的指令。優(yōu)化的算力（包括硬件和軟件資源）有助于確保系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足數(shù)毫秒甚至數(shù)微秒超短時(shí)間窗口的實(shí)時(shí)性要求。

●   驅(qū)動(dòng)

將經(jīng)由計(jì)算得出的指令傳輸反饋給系統(tǒng)，作為控制輸出驅(qū)動(dòng)下一級(jí)電路或執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出正確而快速的反應(yīng)。通過(guò)調(diào)整脈寬調(diào)制器（PWM）單元的占空比去驅(qū)動(dòng)電力電子器件，就是一個(gè)典型的驅(qū)動(dòng)應(yīng)用示例。

●   通信

通過(guò)高速通信接口（例如快速串行接口或以太網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部組件之間或與外部設(shè)備之間的互聯(lián)通信，盡管通信組件不直接參與系統(tǒng)控制，但在確保確定性和實(shí)時(shí)性方面也尤為關(guān)鍵。

圖1：實(shí)時(shí)控制環(huán)路的主要功能塊

（圖源：TI）

電力電子系統(tǒng)是實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的一個(gè)典型的應(yīng)用場(chǎng)景。在工業(yè)控制、新能源汽車(chē)、再生能源等應(yīng)用的電源管理和電機(jī)控制系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)控制是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。如果將實(shí)時(shí)控制與SiC和GaN等新型功率半導(dǎo)體技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于提高功率密度和效率，盡可能地降低系統(tǒng)功損，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減碳的目標(biāo)將大有幫助。

而實(shí)現(xiàn)上述實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的目標(biāo)，進(jìn)一步提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，就需要不斷縮短執(zhí)行動(dòng)作的時(shí)間窗口。以現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為例，今天高精度、高速度的數(shù)控機(jī)械可在轉(zhuǎn)速超過(guò)20,000RPM的情況下實(shí)現(xiàn)低于5μm的精度，這就要求將信號(hào)測(cè)量和系統(tǒng)調(diào)整之間的延時(shí)控制在1μs以?xún)?nèi)，這樣的設(shè)計(jì)要求對(duì)于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)是不小的挑戰(zhàn)。

圖2：一個(gè)機(jī)械臂實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)快速電流環(huán)路示意

（圖源：TI）

理想的實(shí)時(shí)控制器平臺(tái)

想要在感知、處理、驅(qū)動(dòng)和通信構(gòu)成的整個(gè)實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)更低的延遲，保證更高的性能、效率和可靠性，就需要有一個(gè)理想的技術(shù)平臺(tái)作為支撐。Texas Instruments（以下簡(jiǎn)稱(chēng)TI）的C2000? 實(shí)時(shí)微控制器就是一個(gè)理想的選擇，其定位就是“可在工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)數(shù)字電源和電機(jī)控制的實(shí)時(shí)MCU”。

如上文所述，實(shí)時(shí)控制的關(guān)鍵就是盡可能縮短感知、處理和驅(qū)動(dòng)控制所需的時(shí)間——也就是實(shí)時(shí)信號(hào)鏈的延遲。這一整個(gè)過(guò)程中，每一個(gè)環(huán)節(jié)的表現(xiàn)對(duì)于整體系統(tǒng)性能都至關(guān)重要。也就是說(shuō)，實(shí)時(shí)MCU平臺(tái)的設(shè)計(jì)不僅是簡(jiǎn)單地“壓縮”主處理單元完成控制算法所需的時(shí)間，更是要對(duì)整個(gè)實(shí)時(shí)信號(hào)系統(tǒng)都進(jìn)行優(yōu)化。

C2000實(shí)時(shí)MCU在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，就充分考慮到了實(shí)時(shí)信號(hào)鏈中的各種要素。

圖3：C2000實(shí)時(shí)MCU的主要特性

（圖源：TI）

在感知方面，C2000的采樣子系統(tǒng)集成了可將受控外部系統(tǒng)（模擬域）的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)控制器所使用數(shù)據(jù)（數(shù)字域）所需的一系列模擬模塊，包括：多個(gè)12或16位ADC、比較器、Σ-Δ解調(diào)器、正交編碼器脈沖測(cè)量器（eQEP）和時(shí)間捕獲（eCAP）等，它們能夠確保C2000精準(zhǔn)地采集到電壓、電流等關(guān)鍵信號(hào)，即使在無(wú)需CPU干預(yù)的情況下，也能夠迅速將這些信號(hào)交由主控MCU做處理。

圖4：C2000集成的模擬功能支持精準(zhǔn)高速感測(cè)

（圖源：TI）

在處理方面，C2000實(shí)時(shí)MCU采用C28xDSP（數(shù)字信號(hào)處理器）內(nèi)核作為主處理單元，支持32位浮點(diǎn)（部分器件支持64位浮點(diǎn)）或定點(diǎn)運(yùn)算，具有專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)控制應(yīng)用定制的指令；而且C2000優(yōu)化的三角數(shù)學(xué)單元（TMU）擴(kuò)展指令集可支持在變換和扭矩環(huán)路計(jì)算中常見(jiàn)的三角數(shù)學(xué)函數(shù)，以實(shí)現(xiàn)更高的處理效率。

同時(shí)，C2000中還集成了專(zhuān)精于實(shí)時(shí)代碼處理的控制律加速器（CLA），可以實(shí)現(xiàn)基于狀態(tài)機(jī)的32位浮點(diǎn)協(xié)處理器功能，能夠獨(dú)立于C28x內(nèi)核運(yùn)行C28x擴(kuò)展指令，有利于為主CPU“減負(fù)”，使其有余力去完成其他系統(tǒng)任務(wù)；而Viterbi和CRC單元（VCU）也可以減少實(shí)時(shí)MCU復(fù)雜數(shù)學(xué)方程式運(yùn)算的周期數(shù)，以加速整個(gè)實(shí)時(shí)處理的過(guò)程。

圖5：C2000的實(shí)時(shí)處理功能

（圖源：TI）

實(shí)時(shí)MCU中的驅(qū)動(dòng)控制功能通常是通過(guò)脈寬調(diào)制（PWM）輸出完成的，也可以通過(guò)片上數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出，或GPIO引腳來(lái)完成。C2000可支持多達(dá)32通道的高靈活性、高精度的PWM，最高控制精度（分辨率）可達(dá)150ps。而且C2000中的PWM與模擬外設(shè)是緊耦合的，比如比較器檢測(cè)到過(guò)流保護(hù)就可以實(shí)現(xiàn)快速關(guān)斷。開(kāi)發(fā)者還可以利用C2000提供的可配置邏輯塊（CLB）在硬件域的內(nèi)部信號(hào)節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的一組查找表和狀態(tài)機(jī)邏輯，以實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的控制功能。

圖6：C2000的PWM功能框圖

（圖源：TI）

在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，通信接口模塊的集成和合理應(yīng)用，可以提升數(shù)據(jù)的傳輸和利用的效率，盡可能地減少可能影響控制環(huán)路的資源開(kāi)銷(xiāo)。C2000支持各種業(yè)界主流的接口，包括以太網(wǎng)、CAN、CAN-FD、LIN、USB、FSI等，并在豐富的產(chǎn)品組合中提供不同的接口配置，方便開(kāi)發(fā)者根據(jù)應(yīng)用所需進(jìn)行選擇。

圖7：C2000支持的通信接口

（圖源：TI）

細(xì)心的小伙伴可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，上文在介紹四個(gè)主要功能時(shí)，提及了一個(gè)可配置邏輯塊（CLB）的概念，這也是C2000在系統(tǒng)架構(gòu)上值得稱(chēng)道的一大創(chuàng)新點(diǎn)。

CLB顧名思義，就是在C2000芯片的內(nèi)部創(chuàng)建了一種靈活的自定義邏輯機(jī)制，用戶(hù)可以利用其在MCU內(nèi)部的硬件中添加個(gè)性化的定制邏輯電路。開(kāi)發(fā)者利用CLB既可以增強(qiáng)現(xiàn)有子系統(tǒng)（如創(chuàng)建T-format絕對(duì)編碼器接口或脈沖序列輸出）；也可以創(chuàng)建新的子系統(tǒng)，為C2000增添全新的外設(shè)功能（如用CLB實(shí)現(xiàn)有源EMI濾波器，減少數(shù)字電源應(yīng)用中的EMI）；還可以作為一些外圍邏輯器件的替代，簡(jiǎn)化系統(tǒng)BOM（如自定義邏輯替換外部PWM保護(hù)電路）。這就使得C2000既保持了自身優(yōu)勢(shì)，又能夠兼具FPGA等競(jìng)爭(zhēng)性方案的特性，滿(mǎn)足用戶(hù)更多個(gè)性化的設(shè)計(jì)需求，在實(shí)時(shí)控制應(yīng)用中凸顯出競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

圖8：C2000架構(gòu)中的CLB集成

（圖源：TI）

此外，作為MCU領(lǐng)域的資深“玩家”，TI深知一個(gè)完善的開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的重要性，因此在不斷擴(kuò)充芯片硬件產(chǎn)品線(xiàn)的同時(shí)，在開(kāi)發(fā)工具、嵌入式軟件、相關(guān)培訓(xùn)及專(zhuān)家支持等方面，一直與第三方合作伙伴聯(lián)手深耕不輟，為開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)輸出豐富的資源。

圖9：C2000豐富的設(shè)計(jì)生態(tài)資源

（圖源：TI）

特別值得一提的是，很多實(shí)時(shí)系統(tǒng)都有功能安全設(shè)計(jì)與認(rèn)證方面的要求。TI基于自身的經(jīng)驗(yàn)和積累，在功能安全合規(guī)型產(chǎn)品、文檔、軟件以及咨詢(xún)等方面可以為客戶(hù)提供全面的支持，簡(jiǎn)化和加快ISO 26262、IEC 61508和IEC 60730認(rèn)證流程，加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。這無(wú)疑也是一個(gè)很有吸引力的“增值”服務(wù)。

C2000中的明星產(chǎn)品

經(jīng)過(guò)20多年的精心打磨，今天TI的C2000實(shí)時(shí)MCU已經(jīng)發(fā)展成了一個(gè)龐大的產(chǎn)品家族，涵蓋高中低不同性能等級(jí)和價(jià)位的產(chǎn)品，為客戶(hù)的應(yīng)用設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的靈活性，也為開(kāi)發(fā)者探索更多新興的應(yīng)用帶來(lái)了極大的可擴(kuò)展性。今天，我們就與大家分享幾款C2000實(shí)時(shí)MCU中的明星產(chǎn)品。

圖10：C2000實(shí)時(shí)MCU主要產(chǎn)品

（圖源：TI）

TMS320F28002x 32位實(shí)時(shí)MCU

從圖10中可以看到，TMS320F28002x是C2000實(shí)時(shí)MCU中的入門(mén)級(jí)產(chǎn)品，其基于32位C28x DSP內(nèi)核，為通過(guò)片上閃存或SRAM運(yùn)行的浮點(diǎn)或定點(diǎn)代碼提供100MHz信號(hào)處理性能。三角函數(shù)數(shù)學(xué)單元（TMU）和VCRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）擴(kuò)展指令集進(jìn)一步增強(qiáng)了C28x CPU的性能，從而加快了實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)關(guān)鍵常用算法的速度。

在模擬功能方面，該器件集成了與處理和PWM單元緊密耦合的高性能模擬模塊，從而提供更佳的實(shí)時(shí)信號(hào)鏈性能。在驅(qū)動(dòng)控制方面，14個(gè)PWM通道均支持與頻率無(wú)關(guān)的分辨率模式，可控制從三相逆變器到高級(jí)多級(jí)電源拓?fù)涞母鞣N功率級(jí)。

TMS320F28002x集成了各種業(yè)界通用通信端口（如SPI、SCI、I2C、PMBus、LIN和CAN），不僅支持廣泛的連接，還提供了多個(gè)引腳復(fù)用選項(xiàng)，可實(shí)現(xiàn)出色的信號(hào)布局。同時(shí)，快速串行接口（FSI）可跨隔離邊界實(shí)現(xiàn)高達(dá)200Mbps的穩(wěn)健通信。

該實(shí)時(shí)MCU還提供符合AEC-Q100認(rèn)證的TMS320F28002x-Q1車(chē)規(guī)級(jí)產(chǎn)品，可以很好地滿(mǎn)足汽車(chē)實(shí)時(shí)控制的設(shè)計(jì)要求。

圖11：TMS320F28002x功能框圖

（圖源：TI）

TMS320F2838x 32位實(shí)時(shí)MCU

TMS320F2838x是C2000家族中的中高階產(chǎn)品，其采用了雙核C28x架構(gòu)，提供200MHz的主頻，具有三角函數(shù)加速器（TMU）和VCRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）擴(kuò)展指令集。

TMS320F2838x中還集成了兩個(gè)CLA實(shí)時(shí)控制協(xié)處理器，會(huì)對(duì)外設(shè)觸發(fā)器作出響應(yīng)，并與主C28x CPU同時(shí)執(zhí)行代碼。這種并行處理功能可大幅提升實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的計(jì)算性能，并減輕主C28x CPU的負(fù)荷，使其可以執(zhí)行通信和診斷等其他任務(wù)。這種雙“C28x + CLA”架構(gòu)支持在各種系統(tǒng)任務(wù)之間進(jìn)行智能分區(qū)，如一個(gè)C28x + CLA內(nèi)核可以跟蹤速度和位置，而另一個(gè)C28x + CLA內(nèi)核可用于控制扭矩和電流環(huán)路，十分靈活和高效。

在通信接口方面，TMS320F2838x加入了EtherCAT從站控制器，以及其他業(yè)界通用協(xié)議（如CAN-FD和USB 2.0），同樣支持200Mbps的FSI通信。該器件還包含一個(gè)基于A(yíng)RM? Cortex?-M4的獨(dú)立連接管理器（CM），以125MHz主頻運(yùn)行，借助其專(zhuān)用的閃存和SRAM，完全獨(dú)立地控制TMS320F2838x的接口，從而讓C28x DSP可以將更多的資源投入到實(shí)時(shí)控制處理中。

在高性能模擬和驅(qū)動(dòng)控制外設(shè)方面，TMS320F2838x的主要功能包括：32個(gè)與頻率無(wú)關(guān)的PWM通道，提供多功率級(jí)控制；四個(gè)獨(dú)立16位ADC，可準(zhǔn)確、高效地管理多個(gè)模擬信號(hào)，提高系統(tǒng)吞吐量；Σ-Δ濾波器模塊（SDFM）與Σ-Δ調(diào)制器搭配使用，可實(shí)現(xiàn)隔離式電流分流測(cè)量；借助帶窗口比較器的比較器子系統(tǒng)（CMPSS），可在超過(guò)或不符合電流限制條件時(shí)保護(hù)功率級(jí)；此外還包括DAC、eCAP、eQE等其他外設(shè)。

TMS320F2838x-Q1是該產(chǎn)品系列中的車(chē)規(guī)級(jí)器件，符合汽車(chē)應(yīng)用類(lèi)AEC-Q100認(rèn)證。

圖12：TMS320F28002x功能框圖

（圖源：TI）

TMS320C2834x Delfino? 微控制器

TMS320C2834x Delfino? 微控制器是較早推出的實(shí)時(shí)MCU產(chǎn)品，其能夠提供高達(dá)300MHz的浮點(diǎn)運(yùn)算性能，具有高達(dá)516KB的片上RAM，同樣具有豐富的片上外設(shè)和低延遲的C28x內(nèi)核，是需要高性能實(shí)時(shí)控制應(yīng)用的理想解決方案。

與其他的C2000實(shí)時(shí)處理器不同，TMS320C2834x沒(méi)有片上閃存和集成的ADC（提供外部ADC接口），可以為一些特定的應(yīng)用設(shè)計(jì)提供更大的靈活性。

TMS320C2834x主要特性如下：

●   300MHz的C28x內(nèi)核可提供快速中斷響應(yīng)、低時(shí)延、復(fù)雜控制算法執(zhí)行，以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析；

●   32位浮點(diǎn)單元可簡(jiǎn)化幅度計(jì)算的編程，消除擴(kuò)展與飽和負(fù)載并提高諸如派克轉(zhuǎn)換（Park transforms）與比例積分微分（PDI）等算法的性能；

●   516KB片上單周期存取RAM可實(shí)現(xiàn)高速程序執(zhí)行以及數(shù)據(jù)存取等功能；

●   高度靈活的65ps高分辨率PWM模塊可實(shí)現(xiàn)出色的精確度；

●   CAN、I2C、SPI以及標(biāo)準(zhǔn)串行接口（SCI）外設(shè)可針對(duì)系統(tǒng)通信管理提供便捷的連接；

●   外部ADC接口使開(kāi)發(fā)人員能夠靈活選擇TI各種系列的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器；

●   與C2000平臺(tái)產(chǎn)品代碼兼容，有助于開(kāi)發(fā)人員便捷地進(jìn)行產(chǎn)品線(xiàn)擴(kuò)展。

圖13：TMS320C2834x Delfino? 微控制器

（圖源：TI）

本文小結(jié)

在當(dāng)今的電力電子領(lǐng)域，人們對(duì)于實(shí)時(shí)控制的訴求越來(lái)越高，這也在推動(dòng)技術(shù)供應(yīng)商提供更優(yōu)秀的平臺(tái)化解決方案，對(duì)包括感知、處理、驅(qū)動(dòng)控制，以及通信接口在內(nèi)的完整的實(shí)時(shí)信號(hào)鏈及其相關(guān)要素進(jìn)行優(yōu)化，以減少延遲并提供足夠的控制精度。這也是高效率、高性能、高可靠電源管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的技術(shù)基石。

TI的C2000實(shí)時(shí)MCU為此類(lèi)精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用提供了一個(gè)理想的解決方案。高算力的CPU內(nèi)核、為實(shí)時(shí)控制專(zhuān)門(mén)打造的協(xié)處理器和指令集、靈活可編程的CLB功能、高性能和高度集成的模擬和控制外設(shè)、豐富的通信接口……這些隨著應(yīng)用發(fā)展而不斷迭代升級(jí)的功能，讓你有十足的信心去應(yīng)對(duì)各種嚴(yán)苛的實(shí)時(shí)信號(hào)鏈設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)。