融合MCU與DSP功能以實(shí)現(xiàn)塊和流處理

在控制我們的用戶界面方面，微控制器（MCU）表現(xiàn)出色。它們可以初始化其他電路，監(jiān)控輸入，響應(yīng)中斷，并驅(qū)動(dòng)顯示和控制的輸出。然而，盡管集成了模擬功能（如A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、PWM、電壓基準(zhǔn)、運(yùn)算放大器和比較器）使MCU能夠在模擬領(lǐng)域發(fā)揮作用——這對(duì)于許多相對(duì)簡(jiǎn)單的模擬處理任務(wù)是常見(jiàn)的——但總體而言，微控制器在處理模擬信號(hào)方面通常表現(xiàn)不佳。

以恒溫器為例，幾乎任何混合信號(hào)微控制器都可以處理。它監(jiān)測(cè)溫度，與設(shè)定點(diǎn)進(jìn)行比較，然后切換開(kāi)關(guān)。你可以添加編程滯后、定時(shí)操作、云連接和全球連接，但最終MCU通過(guò)拋出或釋放開(kāi)關(guān)來(lái)執(zhí)行其任務(wù)。

然而，在現(xiàn)實(shí)世界中，大多數(shù)控制回路的運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)室溫的變化速度，并且監(jiān)控的不僅僅是一個(gè)輸入。在這里，速度、性能和靈活的架構(gòu)等基本屬性非常重要，特別是在面對(duì)塊或流式處理需求時(shí)，同樣重要的還有DSP功能的類型，無(wú)論是融入到微控制器的核心，還是與微控制器并行處理模擬功能。

處理方法

通過(guò)巧妙地劃分功能而不是將所有繁重的任務(wù)放在單一控制塊上，某些混合信號(hào)設(shè)計(jì)方面更好。兩種方法是捕獲原始數(shù)據(jù)并在數(shù)字世界中進(jìn)行所有處理，以及在信號(hào)到達(dá)A/D之前進(jìn)行一些基本處理。如果處理資源充足，那么最簡(jiǎn)單的方法是以原始形式提取所有內(nèi)容，然后從那里開(kāi)始。

大多數(shù)線性信號(hào)需要通過(guò)一些外部組件來(lái)匹配信號(hào)范圍和A/D轉(zhuǎn)換器的范圍。這樣可以最大化數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)范圍，提供最高分辨率。微弱的信號(hào)需要放大，而強(qiáng)力的信號(hào)需要衰減。如果我們能在模擬世界中對(duì)信號(hào)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單處理，然后再進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，我們可以根據(jù)處理器運(yùn)行的算法減少所需的處理能力。

硬件基礎(chǔ)信號(hào)處理

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是，僅通過(guò)添加一個(gè)電容器，就能將衰減器變成低通濾波器。這一點(diǎn)說(shuō)明，基于硬件的信號(hào)處理的平衡方法成本非常低，占用空間很小，并且可以簡(jiǎn)化后續(xù)的設(shè)計(jì)。

雖然數(shù)字領(lǐng)域中仍可能需要進(jìn)行過(guò)濾，但通過(guò)巧妙地劃分功能，您可能能夠減少所需的處理量，從而降低成本，節(jié)約能源，并減少代碼開(kāi)發(fā)。

DSP級(jí)別

在數(shù)字形式中，高通、低通、帶通和陷波濾波器可以作為濾波過(guò)程的輸入波形，以精確的數(shù)字形式持續(xù)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于增益、反轉(zhuǎn)、衰減、平均、峰值檢測(cè)、低值檢測(cè)、積分、微分等也是如此。

一旦數(shù)據(jù)進(jìn)入處理器，處理器類型、架構(gòu)、速度和特殊功能的具體情況就決定了它是否適合手頭的任務(wù)。雖然舊的馮·諾依曼CISC架構(gòu)適合簡(jiǎn)單的控制任務(wù)，但當(dāng)引入實(shí)時(shí)方面時(shí)，它們并不理想。一個(gè)局限性是，在CISC機(jī)器中，不同類型的指令可以使用不同數(shù)量的周期，每條指令多個(gè)時(shí)鐘周期。現(xiàn)在代碼的有效性取決于您使用的指令以及使用位置。中斷響應(yīng)也會(huì)影響實(shí)時(shí)性能。

使用RISC的哈佛架構(gòu)更適合穩(wěn)定管道處理數(shù)據(jù)流。這些通常在單個(gè)時(shí)鐘周期或單指令周期內(nèi)執(zhí)行。RISC機(jī)器通常以更高的速度運(yùn)行，增加了另一個(gè)性能提升功能。對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)，一個(gè)好處是數(shù)據(jù)區(qū)與代碼空間是分開(kāi)的。這在劃分和使用內(nèi)存塊進(jìn)行捕獲的數(shù)據(jù)處理和臨時(shí)RAM時(shí)提供了更多靈活性。

決定哪種處理器用于混合信號(hào)任務(wù)的關(guān)鍵是指令集，特別是快速乘法、乘積累加和快速除法。固定或浮點(diǎn)需求在這里也很重要。這些在實(shí)現(xiàn)算法的濾波器和模擬處理塊中特別重要，特別是如果它們需要實(shí)時(shí)解決代數(shù)和二次方程。

許多處理器核心增加了一兩個(gè)乘法指令，就宣稱自己具有DSP功能，其實(shí)它還要有其它專門(mén)用于信號(hào)處理的處理器。但不是每個(gè)具有DSP功能的處理器都擁有完整的32位架構(gòu)并以數(shù)百M(fèi)Hz的速度運(yùn)行。許多應(yīng)用只需16位功能和32位擴(kuò)展即可。

選擇的微控制器是否適用于實(shí)時(shí)信號(hào)密集型設(shè)計(jì)，取決于處理器架構(gòu)、性能水平、外圍混合和計(jì)算資源。在不斷變化的波形上操作的塊和流處理器，在選用合適的部件并在設(shè)計(jì)階段的頂層進(jìn)行最有效的設(shè)計(jì)劃分時(shí)，就可以將MCU和DSP結(jié)合后在塊或流式處理中的模擬信號(hào)方面優(yōu)勢(shì)發(fā)揮出來(lái)。