實時控制系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)

說起實時控制系統(tǒng)，大家也許無法給出嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x，但是一定不會陌生。比如一踩油門或剎車，汽車馬上就能無延遲地加速和減速；或者是在智能工廠中，機械臂及時精準(zhǔn)地走位和工作——這些操作的背后都是實時控制系統(tǒng)在發(fā)揮作用。

對于實時控制系統(tǒng)，一種比較簡單的理解就是：在規(guī)定的時間窗口內(nèi)，完成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)信號鏈的處理流程。如果超出或者錯過了這個時間窗口，就會對系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精度、效率和可靠性帶來不利的影響。

實時控制系統(tǒng)的設(shè)計挑戰(zhàn)

典型的實時控制系統(tǒng)包括感知、處理、驅(qū)動和通信四個部分。

感知

通過準(zhǔn)確而精密的測量，獲取電壓、電流、電機轉(zhuǎn)速或溫度等關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，以便在特定時間點為系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)。

處理

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

驅(qū)動

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

通信

通過高速通信接口（例如快速串行接口或以太網(wǎng)）實現(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時性方面也尤為關(guān)鍵。

圖1：實時控制環(huán)路的主要功能塊

（圖源：TI）

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

而實現(xiàn)上述實時控制應(yīng)用的目標(biāo)，進一步提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，就需要不斷縮短執(zhí)行動作的時間窗口。以現(xiàn)代電機驅(qū)動系統(tǒng)為例，今天高精度、高速度的數(shù)控機械可在轉(zhuǎn)速超過20，000RPM的情況下實現(xiàn)低于5μm的精度，這就要求將信號測量和系統(tǒng)調(diào)整之間的延時控制在1μs以內(nèi)，這樣的設(shè)計要求對于實時控制系統(tǒng)是不小的挑戰(zhàn)。

圖2：一個機械臂實時控制系統(tǒng)快速電流環(huán)路示意

（圖源：TI）

理想的實時控制器平臺

想要在感知、處理、驅(qū)動和通信構(gòu)成的整個實時系統(tǒng)中，實現(xiàn)更低的延遲，保證更高的性能、效率和可靠性，就需要有一個理想的技術(shù)平臺作為支撐。Texas Instruments（以下簡稱TI）的C2000 實時微控制器就是一個理想的選擇，其定位就是“可在工業(yè)和汽車應(yīng)用中實現(xiàn)數(shù)字電源和電機控制的實時MCU”。

如上文所述，實時控制的關(guān)鍵就是盡可能縮短感知、處理和驅(qū)動控制所需的時間——也就是實時信號鏈的延遲。這一整個過程中，每一個環(huán)節(jié)的表現(xiàn)對于整體系統(tǒng)性能都至關(guān)重要。也就是說，實時MCU平臺的設(shè)計不僅是簡單地“壓縮”主處理單元完成控制算法所需的時間，更是要對整個實時信號系統(tǒng)都進行優(yōu)化。

C2000實時MCU在產(chǎn)品設(shè)計時，就充分考慮到了實時信號鏈中的各種要素。

圖3：C2000實時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)換為實時控制器所使用數(shù)據(jù)（數(shù)字域）所需的一系列模擬模塊，包括：多個12或16位ADC、比較器、Σ-Δ解調(diào)器、正交編碼器脈沖測量器（eQEP）和時間捕獲（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，即使在無需CPU干預(yù)的情況下，也能夠迅速將這些信號交由主控MCU做處理。

圖4：C2000集成的模擬功能支持精準(zhǔn)高速感測

（圖源：TI）

在處理方面，C2000實時MCU采用C28xDSP（數(shù)字信號處理器）內(nèi)核作為主處理單元，支持32位浮點（部分器件支持64位浮點）或定點運算，具有專門為實時控制應(yīng)用定制的指令；而且C2000優(yōu)化的三角數(shù)學(xué)單元（TMU）擴展指令集可支持在變換和扭矩環(huán)路計算中常見的三角數(shù)學(xué)函數(shù)，以實現(xiàn)更高的處理效率。

同時，C2000中還集成了專精于實時代碼處理的控制律加速器（CLA），可以實現(xiàn)基于狀態(tài)機的32位浮點協(xié)處理器功能，能夠獨立于C28x內(nèi)核運行C28x擴展指令，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）也可以減少實時MCU復(fù)雜數(shù)學(xué)方程式運算的周期數(shù)，以加速整個實時處理的過程。

圖5：C2000的實時處理功能

（圖源：TI）

實時MCU中的驅(qū)動控制功能通常是通過脈寬調(diào)制（PWM）輸出完成的，也可以通過片上數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出，或GPIO引腳來完成。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，比如比較器檢測到過流保護就可以實現(xiàn)快速關(guān)斷。開發(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)部信號節(jié)點上運行的一組查找表和狀態(tài)機邏輯，以實現(xiàn)更優(yōu)的控制功能。

圖6：C2000的PWM功能框圖

（圖源：TI）

在實時控制系統(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)路的資源開銷。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，方便開發(fā)者根據(jù)應(yīng)用所需進行選擇。

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)，上文在介紹四個主要功能時，提及了一個可配置邏輯塊（CLB）的概念，這也是C2000在系統(tǒng)架構(gòu)上值得稱道的一大創(chuàng)新點。

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制，用戶可以利用其在MCU內(nèi)部的硬件中添加個性化的定制邏輯電路。開發(fā)者利用CLB既可以增強現(xiàn)有子系統(tǒng)（如創(chuàng)建T-format絕對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，簡化系統(tǒng)BOM（如自定義邏輯替換外部PWM保護電路）。這就使得C2000既保持了自身優(yōu)勢，又能夠兼具FPGA等競爭性方案的特性，滿足用戶更多個性化的設(shè)計需求，在實時控制應(yīng)用中凸顯出競爭優(yōu)勢。

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深知一個完善的開發(fā)生態(tài)系統(tǒng)的重要性，因此在不斷擴充芯片硬件產(chǎn)品線的同時，在開發(fā)工具、嵌入式軟件、相關(guān)培訓(xùn)及專家支持等方面，一直與第三方合作伙伴聯(lián)手深耕不輟，為開發(fā)者和用戶輸出豐富的資源。

圖9：C2000豐富的設(shè)計生態(tài)資源

（圖源：TI）

特別值得一提的是，很多實時系統(tǒng)都有功能安全設(shè)計與認(rèn)證方面的要求。TI基于自身的經(jīng)驗和積累，在功能安全合規(guī)型產(chǎn)品、文檔、軟件以及咨詢等方面可以為客戶提供全面的支持，簡化和加快ISO 26262、IEC 61508和IEC 60730認(rèn)證流程，加速產(chǎn)品開發(fā)。這無疑也是一個很有吸引力的“增值”服務(wù)。

C2000中的明星產(chǎn)品

經(jīng)過20多年的精心打磨，今天TI的C2000實時MCU已經(jīng)發(fā)展成了一個龐大的產(chǎn)品家族，涵蓋高中低不同性能等級和價位的產(chǎn)品，為客戶的應(yīng)用設(shè)計帶來了極大的靈活性，也為開發(fā)者探索更多新興的應(yīng)用帶來了極大的可擴展性。今天，我們就與大家分享幾款C2000實時MCU中的明星產(chǎn)品。

圖10：C2000實時MCU主要產(chǎn)品

（圖源：TI）

TMS320F28002x 32位實時MCU

從圖10中可以看到，TMS320F28002x是C2000實時MCU中的入門級產(chǎn)品，其基于32位C28x DSP內(nèi)核，為通過片上閃存或SRAM運行的浮點或定點代碼提供100MHz信號處理性能。三角函數(shù)數(shù)學(xué)單元（TMU）和VCRC（循環(huán)冗余校驗）擴展指令集進一步增強了C28x CPU的性能，從而加快了實時控制系統(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，從而提供更佳的實時信號鏈性能。在驅(qū)動控制方面，14個PWM通道均支持與頻率無關(guān)的分辨率模式，可控制從三相逆變器到高級多級電源拓?fù)涞母鞣N功率級。

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，還提供了多個引腳復(fù)用選項，可實現(xiàn)出色的信號布局。同時，快速串行接口（FSI）可跨隔離邊界實現(xiàn)高達(dá)200Mbps的穩(wěn)健通信。

該實時MCU還提供符合AEC-Q100認(rèn)證的TMS320F28002x-Q1車規(guī)級產(chǎn)品，可以很好地滿足汽車實時控制的設(shè)計要求。

圖11：TMS320F28002x功能框圖

（圖源：TI）

TMS320F2838x 32位實時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）擴展指令集。

TMS320F2838x中還集成了兩個CLA實時控制協(xié)處理器，會對外設(shè)觸發(fā)器作出響應(yīng)，并與主C28x CPU同時執(zhí)行代碼。這種并行處理功能可大幅提升實時控制系統(tǒng)的計算性能，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)之間進行智能分區(qū)，如一個C28x + CLA內(nèi)核可以跟蹤速度和位置，而另一個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。該器件還包含一個基于ARM Cortex-M4的獨立連接管理器（CM），以125MHz主頻運行，借助其專用的閃存和SRAM，完全獨立地控制TMS320F2838x的接口，從而讓C28x DSP可以將更多的資源投入到實時控制處理中。

在高性能模擬和驅(qū)動控制外設(shè)方面，TMS320F2838x的主要功能包括：32個與頻率無關(guān)的PWM通道，提供多功率級控制；四個獨立16位ADC，可準(zhǔn)確、高效地管理多個模擬信號，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，可實現(xiàn)隔離式電流分流測量；借助帶窗口比較器的比較器子系統(tǒng)（CMPSS），可在超過或不符合電流限制條件時保護功率級；此外還包括DAC、eCAP、eQE等其他外設(shè)。

TMS320F2838x-Q1是該產(chǎn)品系列中的車規(guī)級器件，符合汽車應(yīng)用類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時MCU產(chǎn)品，其能夠提供高達(dá)300MHz的浮點運算性能，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，是需要高性能實時控制應(yīng)用的理想解決方案。

與其他的C2000實時處理器不同，TMS320C2834x沒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)、低時延、復(fù)雜控制算法執(zhí)行，以及實時數(shù)據(jù)分析；

32位浮點單元可簡化幅度計算的編程，消除擴展與飽和負(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)可針對系統(tǒng)通信管理提供便捷的連接；

外部ADC接口使開發(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平臺產(chǎn)品代碼兼容，有助于開發(fā)人員便捷地進行產(chǎn)品線擴展。

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，人們對于實時控制的訴求越來越高，這也在推動技術(shù)供應(yīng)商提供更優(yōu)秀的平臺化解決方案，對包括感知、處理、驅(qū)動控制，以及通信接口在內(nèi)的完整的實時信號鏈及其相關(guān)要素進行優(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驅(qū)動應(yīng)用的技術(shù)基石。

TI的C2000實時MCU為此類精準(zhǔn)的實時控制應(yīng)用提供了一個理想的解決方案。高算力的CPU內(nèi)核、為實時控制專門打造的協(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)展而不斷迭代升級的功能，讓你有十足的信心去應(yīng)對各種嚴(yán)苛的實時信號鏈設(shè)計的挑戰(zhàn)。