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處理器/DSP  

新型32位元DSP處理器最佳化嵌入式控制應用開發

上網時間: 2004年08月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:32位元  DSP  MCU  處理器  嵌入式應用 

新型應用要求越來越高,這也使設計人員必須以更少的資源完成更多的工作,將多種功能整合在同一處理器中,並最佳化系統成本。市場上目前有多種控制器解決方案競相展露各自優勢,希望獲得設計人員的重視。

傳統方法是採用ASIC實現最低晶片成本與足夠的性能。但ASIC方法設計周期長,還要進行深次微米設計,成本相當高。32位元可程式處理器解決方案在性能、設計費用與產品上市時間等方面可望勝過ASIC方法。新型32位元控制器可實現高水準的CPU性能、周邊零組件與類比整合,有助於達到真正意義上的系統單晶片(SoC)目標,並能進一步降低系統成本。

設計人員必須從一系列可程式處理器中做出選擇,範圍包括從8位元微控制器到32位元DSP

選擇可程式數學處理器

在控制應用中,以電機速度或位置控制為例,設計人員必須確保系統能夠滿足動態性能規格。此外,系統還必須實現其它若干功能,其中包括消除感測器演算法、功率因子校正、噪音濾波以及控制電磁干擾(EMI)的擴展頻譜技術。上述大多數目標都可透過實施數學演算法處理來達到。這意味著處理器必須能夠執行運算強度大的演算法。為了確定所需的處理器字長,我們需要深入了解這些演算法。

最常見的控制實現方案是採用基於比例-積分-微分或狀態變量的控制器。控制器中的運算必須以高精確度進行實施,以避免極限環、溢出等問題,並確保正確的採樣間(inter-sample)行為。新型的設計需要32位元寬的係數與中間變量以獲得最佳性能。

通用16與32位元微控制器處理數學運算效率較低。拴合乘法器(Bolt-on multiplier)缺少數據路徑,不能支援可實現高性能數值運算的持續乘法與加法。DSP根據設計能以盡可能高的效率處理數值運算,並為適合於執行數學控制法則運算進行了最佳化。主要應考慮的因素是待處理的數位長度和本地處理器字符長度。16位元訊號處理器不能有效處理32位元數值問題。多倍精密度運算的實施效率極低,通常因子為4到10。

第二,為了確保對高頻率運動做出適當響應,伺服系統設計人員常選擇過採樣,這就對數值調節提出了挑戰。採用32位元訊號處理器可方便地解決上述問題。新型32位元DSP還實現了高效執行編譯C程式碼的架構。此外,32位元處理器還常能提供更大的記憶體空間,因而簡化了記憶體設計。

作為新興的解決方案,32位元DSP具備必需的處理功能,可與適當周邊電路配合使用,能夠以極具競爭力的低成本向市場提供最佳化解決方案。

處理器選擇中的權衡因素

在選擇可程式處理器時,需就現有整合度、程式碼大小等做出重要的權衡取捨。新型32位元DSP正整合越來越多的周邊電路。諸如脈寬調變器(PWM)、通訊埠與類比數位轉換器(ADC)等針對特定控制的周邊,使設計人員可不再採用外部零組件,因而節約了系統成本。

大量快閃記憶體與RAM的整合也不再需要外部快閃記憶體/RAM,這也降低了成本與複雜性。

32位元處理器的程式碼密度是研究得較多的一項權衡因素。新型DSP設計明智地使用16位元與32位元指令相結合。只有在必須被編碼的資訊總量需要32位元時才採用32位元指令,而其他則採用16位元指令,這樣程式碼密度得到提高,也減少了對記憶體的需求。

由於32位元DSP使用更寬的內部匯流排,因此其使用的電晶體門數必須比相應的16位元DSP多。而且,新型嵌入式處理器的晶片大小主要取決於記憶體與周邊電路的整合度。此外,再考慮到半導體幾何尺寸不斷減少,這就使32位元DSP成為極具吸引力的一種方案。

如果控制器作為微控制器和DSP的效率都必須一樣高,那麼經調諧的架構與周邊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,這意味著核心架構採用32x32位元乘法器、32位元計時器、即時JTAG、32位元暫存器以及讀取-修改-寫入ALU。周邊包括PWM、編碼介面、12位元ADC、看門狗定時器以及用於產業應用的CAN介面。

在電機中的應用實例

電機消耗三分之二的產業用電量以及四分之一的家庭用電量。就此而言,合適的電機大小就顯得極為重要了。在滿足瞬態規格方面,電機常常過大,有時還要添加複雜的機械裝置才能對瞬態進行處理。實施向量控制的智慧控制器可提供更快的瞬態響應,不僅能簡化系統,而且還可實現更好的總體效率與可靠性。

向量控制演算法可測量或預測轉子的磁極位置,並最佳化放置多相繞組產生的定子磁通,以在特定磁通的設置下產生最大轉矩。就永磁電機而言,定子磁通角度為90度(電氣角度)。這就實現了可能做到的最佳轉矩,因為產生的轉矩與兩個磁通間的角度正弦值直接成正比。

實施低成本智慧控制的挑戰在於其中涉及的數學複雜性。大多數微控制器不能即時處理這樣高的運算複雜性。但是,新型DSP控制器提供了智慧控制所需的運算能力,還提供了SoC整合與軟體開發支援,有助於簡化電機控制系統的設計。

最佳化的軟體開發流程

借助可程式處理器,支援快速軟體開發的架構對成功的產品開發至關重要。新一代DSP控制器提供了更高級的週邊設備整合及方便易用性,比MCU更好。如TI的150-MIPS TMS320F2812數位訊號控制器就結合了DSP性能與靈活性。一個單周期32位元乘法累加器(MAC)數據路徑或雙16位元MAC結合了高階精確度和DSP速度。高速中斷處理以及一般控製作業指令(如位元作業和跳轉)實現了在多目的、多任務環境中的元件使用。TI還提供軟體支援與矽晶片解決方案進行互補,包括滿足擴展需求的IQMath。此外,先進的程式碼密度與得到顯著改善的編譯器技術也使如今的DSP在產生高效程式碼方面做得更好。軟體是任何DSP開發的關鍵方面,豐富的電機控制庫能夠加速開發時間並簡化有關工作。

WW C2000 group供稿





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