工業(yè)級(jí)特性在嵌入式處理的重要性

許多通用信號(hào)處理器具有良好的計(jì)算性能和基本連接特性，因而能為工業(yè)應(yīng)用所接受。另一方面，有些重要的外設(shè)增強(qiáng)功能可以顯著改進(jìn)處理器的能力，使其適合要求更高的工業(yè)系統(tǒng)。本文將就網(wǎng)絡(luò)和電機(jī)控制應(yīng)用討論兩個(gè)增強(qiáng)功能的例子。

以太網(wǎng)接口

對(duì)于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，以太網(wǎng)控制器可提供基本網(wǎng)絡(luò)連接?？刂破鳎∕AC）與處理器通常位于同一芯片上。它一般與一個(gè)外部PHY芯片配合使用，構(gòu)成完整的接口。

也可以使用外部MAC/PHY芯片，常常將這種芯片直接連到處理器的異步存儲(chǔ)器接口。雖然以太網(wǎng)MAC/PHY組合芯片的價(jià)格持續(xù)下降，已達(dá)到幾乎與獨(dú)立PHY芯片相當(dāng)?shù)某潭?，但其傳輸速率無(wú)法與集成MAC加外部PHY解決方案相比。這是因?yàn)?，?nèi)部MAC通常與系統(tǒng)DMA通道相連，可以設(shè)置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，與內(nèi)核處理器的交互極少。內(nèi)部MAC控制器一般可以實(shí)現(xiàn)接近于線路速度的性能，具體取決于協(xié)議。

性能的另一個(gè)重要方面是實(shí)現(xiàn)給定吞吐速率所需的處理器負(fù)荷。這是整體性能的一部分，也是內(nèi)部MAC解決方案與外部MAC解決方案的最大不同之處。

在工業(yè)型網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)可利用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議（NTP）提供基本系統(tǒng)時(shí)間。對(duì)于基于NTP的系統(tǒng)，整個(gè)受控網(wǎng)絡(luò)的同步通過(guò)“人機(jī)接口”時(shí)間尺度衡量。雖然該協(xié)議適合一般系統(tǒng)定時(shí)信息，但它不夠精確，不適合許多要求更精密同步的工業(yè)控制系統(tǒng)。

為改善精度，業(yè)界制定了IEEE 1588精密時(shí)間協(xié)議（PTP）標(biāo)準(zhǔn)，與以太網(wǎng)控制器和網(wǎng)絡(luò)堆棧配合使用，以利用主時(shí)鐘同步網(wǎng)絡(luò)上的“本地”時(shí)鐘。也就是，各處理或控制節(jié)點(diǎn)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主參考時(shí)間同步。

通過(guò)使整個(gè)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持精密定時(shí)關(guān)系，時(shí)間事件便可以同步到亞毫秒水平。時(shí)間事件包括：模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器何時(shí)采樣，何時(shí)驅(qū)動(dòng)數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，以及何時(shí)激活I(lǐng)/O線路以執(zhí)行系統(tǒng)控制等。

IEEE 1588 PTP要求交換特定數(shù)據(jù)包，以便從兩個(gè)節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間信息。這些數(shù)據(jù)包用于計(jì)算各節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘之間的時(shí)間和頻率差。此外，該協(xié)議提供一種連續(xù)調(diào)整時(shí)鐘的途徑，使各時(shí)鐘保持同步。

IEEE 1588 PTP協(xié)議既可以完全通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，也可以通過(guò)硬件與軟件的組合實(shí)現(xiàn)。基于硬件的解決方案可提供最佳精度，因而節(jié)點(diǎn)之間可實(shí)現(xiàn)最佳同步。采用硬件解決方案時(shí)，數(shù)據(jù)包的時(shí)間戳可以盡可能靠近它與PHY的交互點(diǎn)。這樣，節(jié)點(diǎn)之間的抖動(dòng)更低。

PWM單元

微處理器和DSP的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)是通用定時(shí)器，它基于芯片內(nèi)部或外部的一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘參考提供標(biāo)準(zhǔn)定時(shí)器功能。在引腳接口上，它也可提供寬度捕捉或脈沖計(jì)數(shù)功能，以及單端脈沖寬度調(diào)制（PWM）輸出波形。這些PWM輸出通常具有可編程脈沖寬度和周期，可以用在許多任務(wù)業(yè)控制應(yīng)用中，包括直流電平產(chǎn)生和抗噪模擬信號(hào)傳輸（利用適當(dāng)?shù)牡屯V波）。

然而，為使其真正能夠用于交流電機(jī)控制，需要從幾個(gè)方面對(duì)基本PWM功能進(jìn)行升級(jí)。圖1顯示了電機(jī)控制示意框圖，其中來(lái)自處理器的PWM輸出以差分方式驅(qū)動(dòng)高端和低端電源器件，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的扭矩和速度。ADC用于向處理器提供電流測(cè)量反饋，這樣就可以在具有時(shí)序緊密的閉環(huán)系統(tǒng)中管理PWM占空比，以便控制電機(jī)。

圖1：電機(jī)控制信號(hào)鏈?zhǔn)疽鈭D。

與通用處理器的PWM模塊相比，用于電機(jī)控制的PWM單元具有多項(xiàng)增強(qiáng)功能。如上文所述，電機(jī)控制PWM成對(duì)使用，以便在給定電機(jī)相位交替驅(qū)動(dòng)高端和低端電源開(kāi)關(guān)。對(duì)于三相交流電機(jī)，需要采用3對(duì)PWM單元。

如圖1所示，在處理器的PWM控制單元與功率晶體管的柵極驅(qū)動(dòng)器件之間一般必須提供隔離。這種隔離通常利用光耦合器或脈沖變壓器實(shí)現(xiàn)。因此，一些PWM單元提供柵極驅(qū)動(dòng)單元，便于輸出與高頻斬波信號(hào)混合，從而連接到脈沖變壓器;同時(shí)還配有引腳驅(qū)動(dòng)器，以足夠的源電流和吸電流驅(qū)動(dòng)大多數(shù)光耦合器。

重要的是，電機(jī)控制PWM必須在一個(gè)電源器件聲明結(jié)束與另一個(gè)互補(bǔ)的電源器件聲明開(kāi)始之間提供一定的保證“死區(qū)”。否則，電源開(kāi)關(guān)可能發(fā)生直流短路。

此外，必須始終存在能夠立即異步禁用PWM輸出的途徑，避免發(fā)生多個(gè)輸出相位同時(shí)啟動(dòng)的錯(cuò)誤狀況。這種“PWM跳變”特性允許利用外部異步信號(hào)禁用所有PWM輸出，無(wú)論處理器時(shí)鐘處于何種狀態(tài)。

最后，雖然讓通用定時(shí)器同步啟動(dòng)是常見(jiàn)做法，但PWM定時(shí)器同步對(duì)于電機(jī)控制具有更重要的意義?？梢岳脙?nèi)部或外部施加的“PWM同步”信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)中斷（有時(shí)每個(gè)周期不止一次），以便處理器能夠根據(jù)控制算法調(diào)整占空比，并且ADC能夠獲取和傳輸下一個(gè)電流測(cè)量結(jié)果。

至此，顯而易見(jiàn)，雖然許多任務(wù)業(yè)應(yīng)用可能會(huì)選用具有通用外設(shè)集的處理器，但首先考慮哪些“工業(yè)升級(jí)”對(duì)當(dāng)前應(yīng)用有利是明智之舉。本文中，我們只選擇討論了網(wǎng)絡(luò)連接和PWM功能兩個(gè)例子，但同樣的道理也適用于其它許多子系統(tǒng)，包括存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。利用擴(kuò)增外設(shè)和系統(tǒng)模塊帶來(lái)的增值，可以提高工業(yè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和系統(tǒng)控制能力。