DSP應(yīng)用擴(kuò)展至重型設(shè)備

從前人們認(rèn)為，DSP 僅適用于高速數(shù)值運(yùn)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(tǒng)上由普通 MCU 所處理的任務(wù)。長(zhǎng)期用于手機(jī)的數(shù)字信號(hào)處理器已推廣用于較大型重型設(shè)備中，處理更加繁重的工作任務(wù)。

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

不過(guò)，集成控制系統(tǒng)的成本更高。一些越野系統(tǒng)制造商將已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的高端控制系統(tǒng)應(yīng)用于相對(duì)較低端的產(chǎn)品中，以降低成本。這顯然會(huì)造成性能浪費(fèi)，因?yàn)橛行┛刂铺匦栽诘投嗽O(shè)備中用不上，控制系統(tǒng)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?cè)O(shè)計(jì)出的模塊化系統(tǒng)可提供混合搭配(mixandmatch) 的構(gòu)建塊。通過(guò)選擇某種移動(dòng)設(shè)備必需的模塊，可為機(jī)器量身定做控制系統(tǒng)，關(guān)鍵在于確保提供足夠的處理能力，以滿足所有所選模塊的要求。

Sauer-Danfoss是一家移動(dòng)設(shè)備控制廠商，其移動(dòng)電子設(shè)備產(chǎn)品經(jīng)理Dan Ricklefs指出：“重型設(shè)備領(lǐng)域一般認(rèn)為，控制系統(tǒng)的性能并不重要，因?yàn)橄嚓P(guān)機(jī)制的工作速度較為緩慢。實(shí)際上，機(jī)器每次運(yùn)動(dòng)都涉及大量數(shù)值運(yùn)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(shè)備的加速或減速?！?

順利運(yùn)行要求對(duì)小的變動(dòng)(根據(jù)測(cè)量得出的值來(lái)確定)作出快速響應(yīng)。模塊化控制需要能夠快速處理模擬和數(shù)字信號(hào)的處理器。數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 能滿足控制整體移動(dòng)機(jī)器所需的靈活性和處理能力要求。基于 DSP 的控制機(jī)制能夠廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備，如在農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、林業(yè)以及道路建設(shè)等領(lǐng)域普遍使用的起重機(jī)、裝載機(jī)和鏟土機(jī)等。

與傳統(tǒng) MCU 的處理能力相比，基于 DSP控制機(jī)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(tǒng)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(tǒng)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(duì)于諸如引擎防失速系統(tǒng)、負(fù)載限制或速度控制等各種典型應(yīng)用，我們均在控制系統(tǒng)中預(yù)封裝了子例行程序 (Subroutine)。軟件控制對(duì)象庫(kù)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(tǒng)，就能實(shí)現(xiàn)定制控制。

處理器內(nèi)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(tǒng)采用 8 位和 16 位 MCU 來(lái)驅(qū)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(nèi)需要在控制系統(tǒng)、受控設(shè)備和傳感器之間完成一個(gè)通信周期，以實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋。隨著控制系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高，環(huán)路時(shí)間成為主要的瓶頸。

系統(tǒng)工程師起初認(rèn)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(rèn)為，DSP價(jià)格過(guò)于昂貴，只適合高要求的數(shù)值運(yùn)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)的主要廠商全都使用微控制器(MCU)。人們普遍認(rèn)為，MCU 的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了所需的性能要求。”不過(guò)，進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，DSP 系統(tǒng)能夠支持行業(yè)使用的所有外設(shè)，如閃存存儲(chǔ)器、CANbus、計(jì)時(shí)器通道 (timer channel) 以及馬達(dá)控制功能等。

Sauer-Danfoss 對(duì)內(nèi)核的選擇非常嚴(yán)格，但他們最終決定采用 DSP，這確實(shí)讓眾多團(tuán)隊(duì)成員大吃了一驚。“第一，我們發(fā)現(xiàn) TI 的 TMS320F2810 與 F2812 數(shù)字信號(hào)控制器從整體系統(tǒng)價(jià)格來(lái)說(shuō)很有競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)然，就單位部件來(lái)說(shuō)，DSP 的成本要高一些，但其信號(hào)處理功能精簡(jiǎn)了材料清單的數(shù)量，與采用微控制器的方法相比，單位模塊的成本要更具競(jìng)爭(zhēng)力?！迸e例來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)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(tǒng)中的 MCU 需要集成大量的閃存存儲(chǔ)器。系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)，采用TI的DSP所提供的功能足以滿足他們需要的所有集成控制系統(tǒng)的需求。

由于使用控制對(duì)象和模塊化的軟件庫(kù)，因此我們能夠根據(jù)特定要求進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。軟件定制的控制機(jī)制使 OEM 廠商能設(shè)計(jì)出靈活的機(jī)器設(shè)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(tǒng)和閥門(mén)等的集成內(nèi)核。對(duì)此功能加以擴(kuò)展，就能控制諸如刀片、抓舉器 (gripper)、鏟斗 (bucket) 以及液壓和電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(electronic steering)等其他設(shè)備。采用一體化控制架構(gòu) (just-one-control architecture) 可實(shí)現(xiàn)成本最小化。我們可根據(jù)特定機(jī)器的功能要求增加或去除相應(yīng)模塊。編程決定工作參數(shù)。舉例來(lái)說(shuō)，如果輪式裝載機(jī)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(tǒng)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(tǒng)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、攝像頭連接 (camera input)、USB 端口以及 RS-232 接口等。這樣，設(shè)計(jì)工程師不僅能夠控制微調(diào)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(jī)器角度等相關(guān)功能。

我們應(yīng)根據(jù)法規(guī)的變化不斷調(diào)整控制機(jī)制，而這只需對(duì)有關(guān)參數(shù)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(guī)定。相關(guān)規(guī)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(jí)標(biāo)準(zhǔn)的有效期從 1996 年至 2000 年。較嚴(yán)格的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)目前已經(jīng)生效，有效期至 2006 年。更嚴(yán)格的三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將于明年開(kāi)始實(shí)施直至 2008 年，不過(guò)這三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)僅適用于37~ 560 kW 的引擎。我們可以采用高級(jí)引擎設(shè)計(jì)以符合一級(jí)到三級(jí)的有關(guān)規(guī)定。2005年，EPA 簽署了最終規(guī)則，將于 2008 年開(kāi)始實(shí)施四級(jí)排放標(biāo)準(zhǔn)，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適用期將實(shí)施至 2015 年。四級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求顆粒物和一氧化二氮的排量在目前的基礎(chǔ)上再降低90%。只有采用先進(jìn)的控制技術(shù)并進(jìn)行嚴(yán)格的廢氣排放處理，工程師們才能滿足上述目標(biāo)的要求。