基于DSP的數字信號控制器提供實時控制

越來越多的實時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結合在一起，所以，最初的解決方案是在應用中同時采用這兩種器件。

但集成能力的提升使數字信號控制器(DSC)的開發(fā)得以實現。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，但現在需要實時控制的應用已不在少數，且DSC和MCU市場已開始融合。”TI C2000系列產品的營銷經理Keith Ogboenyiya表示。在電源等應用領域，DSC已開始取代MCU和模擬控制系統(tǒng)，Ogboenyiya補充道。

微芯科技(Microchip)公司戰(zhàn)略營銷經理Steve Marsh也持相同觀點。“數字電源等領域正開始從傳統(tǒng)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，“MCU用戶已開始利用DSC內的DSP特性。”

同時，Marsh指出，傳統(tǒng)應用對DSC的要求也越來越多。“類似電機控制等應用正在轉用更先進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。

DSC新品層出不窮

為順應市場發(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。這些新品的特點是功能更強、性能更高、售價更低，有利于拓展DSC的應用領域。

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)，或作為用戶接口設計的一部分提供數字化語音響應。

滿足市場對小體積設計日益增長的需求是Microchip新型DSC產品的另一個重點。為使封裝盡量小(6x6mm／28引腳)，Microchip實現了片上外設可編程引腳選擇功能。該功能允許開發(fā)人員根據需要來映射I/O信號，以便在選擇一種外設功能時不會制約其它功能的使用。

成本和性能是TI開發(fā)其30多款新型Piccolo系列產品的推動因素?；谄?2位C2000處理器核心，Piccolo提供了高性能的DSC功能，批量購買時單價不足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產品采用獨特的控制律加速器(CLA)技術，該技術可獨立于CPU執(zhí)行控制環(huán)算法。CLA是32位浮點數學加速器，具有單獨的中斷控制器，并能訪問PWM和ADC等外設。TI稱，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(tǒng)MCU用戶采用DSC設計方法時更容易。Microchip已使其開發(fā)工具集適用于其DSC和相關的MCU系列的全部產品，以便開發(fā)人員可根據特性而非可用工具選擇器件。

TI采用了類似方法，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。

這些工具集的一個關鍵特性是允許開發(fā)人員使用類似C等高級語言編寫應用主體程序，而在需要最高性能的地方采用匯編語言編程。供應商還提供了豐富的庫來幫助沒有DSP開發(fā)經驗或經驗不多的開發(fā)人員簡化其軟件設計。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(tǒng)代碼。

隨著越來越多的MCU用戶轉向采用DSC，該產品將繼續(xù)改進。“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問和處理器速度，而在滿足這些要求的同時，器件體積還要小。” Microchip的Marsh說。

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

這樣，對嵌入式實時數字控制系統(tǒng)設計來說，其可選功能范圍將與日俱增。