使用最新的開發(fā)工具實現(xiàn)實時和閉環(huán)控制，減少設計開銷

幫助開發(fā)人員實現(xiàn)最小延遲和最大可靠性 許多行業(yè)依賴于具有最小延遲和最大可靠性的控制系統(tǒng)。這些行業(yè)，如機器人、電機控制、配電、汽車、電動汽車、備用電源等，正在穩(wěn)步升級傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)，由微控制器（MCU）和數(shù)字信號控制器（DSC）供電的現(xiàn)代實時閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種現(xiàn)代化工作的優(yōu)勢包括更高的效率、安全性、增強的功能和面向未來的環(huán)境。然而，只有當配備各種功能外設的極其可靠的MCU/DSC可用，并且開發(fā)資源也可用于減輕嚴格的功能安全和汽車標準的開發(fā)負擔時，這些優(yōu)勢才有可能實現(xiàn)。

MCU/DSC和開發(fā)人員在接近實時和閉環(huán)控制系統(tǒng)時面臨許多挑戰(zhàn)，Microchip開發(fā)了一系列強大的MCU/DSC系列和開發(fā)資源，以幫助開發(fā)人員克服這些障礙。本文旨在向設計人員和開發(fā)人員介紹與這些關鍵系統(tǒng)相關的幾個挑戰(zhàn)，以及Microchip用于緩解這些挑戰(zhàn)的尖端解決方案。

問題：實時可靠性和閉環(huán)控制 實時/閉環(huán)控制

要求對可靠性和確定性行為非常嚴格。具有這些規(guī)格的應用往往用于關鍵的工業(yè)和汽車系統(tǒng)，因此電子設備在各種環(huán)境（包括極端環(huán)境）中運行的能力至關重要。大多數(shù)MCU/DSC（以及大多數(shù)電子設備）在經歷極端溫度、大量沖擊/振動、高水平的電磁干擾（EMI）或承受重大g力時，無法在合理的使用壽命內可靠地運行。

實時可靠性還意味著電子設備可以以極低的延遲響應外部輸入并成功完成計算/操作，以提供正確的輸出控制和數(shù)據(jù)。MCU/DSC能夠作為閉環(huán)控制器運行需要許多因素，包括內置冗余、糾錯等。這尤其具有挑戰(zhàn)性，因為這些MCU/DSC通常還承擔非關鍵功能的任務。雖然這些非關鍵功能可能不是關鍵任務，但它們可能需要使產品具有競爭力或提供重要的輔助功能。遺憾的是，實時MCU/DSC的處理能力有限，尤其是低功耗8位變體，通常關鍵和非關鍵功能必須共享資源。這種負擔通常意味著嵌入式開發(fā)人員必須花費大量開發(fā)資源來仔細平衡處理器資源。

此外，提供實時/閉環(huán)控制所需的復雜算法和高級計算通常已經很復雜，而有效平衡處理器負載的額外需求加劇了這一挑戰(zhàn)。在極端工作條件和高水平的性能要求下確保系統(tǒng)穩(wěn)定性是一項多方面的挑戰(zhàn)，具有許多關鍵因素。這些因素之一S在電氣噪聲環(huán)境中實現(xiàn)了穩(wěn)定性和系統(tǒng)安全性。噪聲干擾可能存在于電源線、通信線路、內部互連，甚至來自各種外部源的控制/通信輸出上。噪聲源在具有高瞬態(tài)電流/電壓、高功率通信、沖擊/振動和其他噪聲貢獻因素的工業(yè)和汽車環(huán)境中很常見。

應對實時/閉環(huán)控制嵌入式設備挑戰(zhàn)

Microchip提供多個8位MCU和16位MCU/DSC系列，這些系列的設計考慮了實時/閉環(huán)控制應用。這些 MCU/DSC 配備了多種功能和特性，可減輕處理器負擔、確?？煽啃?系統(tǒng)穩(wěn)定性、減輕噪聲干擾并實現(xiàn)在極端環(huán)境中運行。此外，Microchip還提供開發(fā)工具、軟件庫、參考設計、代碼示例和其他資源的生態(tài)系統(tǒng)，以簡化用于嚴格工業(yè)和汽車應用的實時/閉環(huán)控制設備的開發(fā)，包括有助于關鍵認證和標準合規(guī)性的資源。

減輕處理器負擔

Microchip已使用多種方法來減少常見實時/閉環(huán)控制應用中的關鍵MCU/DSC資源使用，即獨立于內核的外設（CIP）、智能模擬、外設到外設觸發(fā)以及資源要求足夠高的雙核16位MCU/DSC。這些功能可用于Microchip的多個8位MCU和16位MCU/DSC系列，并且所有功能、操作和操作通常需要中央處理器的監(jiān)督（如果不是直接控制）。

用于 8 位 MCU 和 16 位 MCU/DSC 的 CIP 包括外設，如窗口看門狗定時器、脈寬調制、可配置邏輯單元、高耐久性閃存、數(shù)控振蕩器、數(shù)學加速器、加密認證引擎，以及各種其他控制、通信、安全和執(zhí)行器功能。其中許多外設（包括定時器、傳感器和安全功能）甚至可以觸發(fā)其他外設的動作，而無需開發(fā)復雜的代碼或使用中央處理器資源。

此外，許多用于堅固型嵌入式應用的Microchip MCU/DSC還包括智能模擬外設，而不僅僅是模數(shù)轉換器（ADC）和數(shù)模轉換器（DAC）。其中一些集成外設包括運算放大器、數(shù)字信號調制器、固定基準電壓源、零交叉檢測功能、斜率補償和各種比較器，可用于預處理輸入并減輕處理器對控制輸出進行復雜數(shù)學運算和轉換的負擔。總體而言，這些MCU/DSC功能可以顯著降低給定應用所需的處理能力，從而為其他最終產品功能騰出資源。如此大量的資源節(jié)省還可以允許使用功耗更低、成本更低的MCU/DSC。

增強系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗噪性

確保整體系統(tǒng)穩(wěn)定性包括ES 一組復雜的因素，具體取決于合規(guī)性標準、操作條件和特定于應用程序的標準在起作用。對于許多應用來說，一些最關鍵的因素是存儲器穩(wěn)定性、壽命和無差錯操作，以及抗噪性、可靠的通信和功能安全操作。Microchip通過為MCU和DSC提供高耐用性存儲器、糾錯碼（ECC）存儲器、強大的通信協(xié)議、出色的抗噪性、高（5V）電源軌以及符合多個行業(yè)和汽車標準的功能安全來滿足這些需求。

高耐用性和 ECC 存儲器通過最大限度地減少與內存衰減和轉錄錯誤相關的錯誤來提供可靠性。Microchip的高耐用性閃存允許比典型閃存更多的讀/寫周期（即數(shù)十萬個）。對于實時/閉環(huán)控制應用，存儲器每天可能經歷數(shù)百個讀/寫周期，集成或外部存儲器的耐用性可能是器件使用壽命的限制因素。對于 16 位 MCU/DSC，可以使用集成 ECC 存儲器，它可以實時捕獲和糾正存儲器錯誤。這種類型的內存以非常小的延遲執(zhí)行校正，并防止內存錯誤影響實時控制系統(tǒng)。

通信是實時/閉環(huán)控制系統(tǒng)的另一個薄弱環(huán)節(jié)，其中可靠的傳感器信息輸入和控制信號輸出對于適當和安全的功能是必要的。強大的通信協(xié)議，如CAN、CAN FD和SENT，是為汽車行業(yè)設計的，以可靠地傳輸傳感器信息并傳遞控制信號。這些協(xié)議現(xiàn)在廣泛用于各行各業(yè)，用于類似目的，Microchip的許多實時MCU/DSC都包含能夠實現(xiàn)這些協(xié)議的集成接口。

功能安全是源自汽車行業(yè)的另一個標準，符合功能安全標準的設備配備了即使在故障或其他系統(tǒng)故障的情況下也能強制安全操作的功能。這些標準中有幾個功能安全標準和級別，合規(guī)性涉及用于實現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件、軟件庫和代碼。因此，Microchip提供具有功能安全特性的MCU和DSC，其中包括一系列可靠性特性，如系統(tǒng)監(jiān)控、冗余、備份振蕩器、GPIO引腳ESD保護等。

Microchip 硬件和軟件庫促進的標準合規(guī)性包括 IEC 60730（A、B 和 C 級）、IEC 61508/SIL（1、2、3 和 4 級）以及 ISO 26262/ASIL（A、B、C、D 級），其中包括符合 ISO 26262 標準的編譯器、故障模式影響和診斷分析 （FMEDA） 報告、設備級安全手冊、 診斷軟件、MISRA 插件和第三方 LDRA 工具套件，用于實現(xiàn)功能安全合規(guī)性。

例如，Microchip的8位實時/閉環(huán)控制產品包括四個MCU系列：PIC18F Q10、PIC16F1386、ATtiny1607和ATmega4809，它們都配備了集成CIP、智能模擬、魯棒通信和其他功能。這些 MCU 非常適合工業(yè)控制應用l 和汽車、物聯(lián)網 （IoT） 和消費電子產品。這些系列中的幾種型號增加了穩(wěn)定性和抗噪性（5V 電源軌）功能。其中一些型號的額定工作溫度還高達150oC，遠遠超過了大多數(shù)嵌入式MCU的環(huán)境要求，并為極端系統(tǒng)中的設備放置開辟了廣闊的可能性。

還有許多其他16位MCU/DSC具有功能安全特性，例如此處列出的特性，以及使其非常適合穩(wěn)健應用的其他特性。這些附加功能包括 RAM BIST、非法操作碼檢測、窗口看門狗定時器、PWM 故障管理和其他故障管理/預防功能。

支持開發(fā)

除了強大的硬件外，功能強大的軟件開發(fā)工具和其他資源還有助于實現(xiàn)實時/閉環(huán)設備。通常，這些類型的系統(tǒng)由具有高學習曲線的軟件支持，并且非常特定于所使用的應用程序和技術。然而，借助Microchip的開發(fā)資源，軟件工具與Microchip MCU，DSC和微處理器（MPU）廣泛兼容。它們的功能足以支持幾乎所有嵌入式電子應用和開發(fā)人員。例如，MPLAB? 代碼配置器 （MCC） 是一種圖形編程環(huán)境，可供希望節(jié)省時間的經驗豐富的開發(fā)人員使用，也可以由希望縮短實時應用程序代碼開發(fā)學習曲線的沒有經驗的開發(fā)人員使用。

MCC可以通過MPLAB X集成開發(fā)環(huán)境（IDE）或基于云的MPLAB Xpress IDE自由訪問，并且可以通過幾個關鍵的應用工具進行擴展，即motorBench?開發(fā)套件和數(shù)字電源設計套件［16，17］。這些套件附帶了從事電機和電源應用的設計人員熟悉的開發(fā)工具，使確定和編碼算法變得高效而簡單。

此外，Microchip還為非常具體的應用提供了大量專業(yè)開發(fā)的代碼示例和參考設計。雖然開發(fā)人員通常需要梳理成堆的研究文檔、手冊和書籍，或者花費寶貴的開發(fā)資源來試驗多種方法，但使用 Microchip 參考設計和代碼示例的開發(fā)人員可以獲得易于集成的工作代碼以及必要的背景，以快速開始開發(fā)工業(yè)級解決方案。

實時的實際應用 電子的實時或閉環(huán)控制對于各種工業(yè)應用至關重要，包括重型電機控制、

實時處理、機器人控制和各種大功率應用。考慮到所涉及的環(huán)境、費用和監(jiān)管因素，需要實時控制的電子產品必須非常謹慎地設計。實現(xiàn)工業(yè)級實時控制系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)包括CPU負擔過重、克服軟件系統(tǒng)復雜性、增強系統(tǒng)抗噪能力以及確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。Microchip提供多種獨特的硬件和軟件解決方案，有助于實時控制簽署人減輕這些挑戰(zhàn)，并實現(xiàn)有競爭力的工業(yè)電子產品的開發(fā)。

審核編輯：郭婷