增強型MCU支持快速實時控制系統

設計實時控制系統的工程師不斷面臨優(yōu)化性能的挑戰(zhàn)。這些系統需要最小的延遲，其中采樣、處理和輸出之間的時間延遲必須適合一個緊湊的時間窗口，以滿足控制回路性能規(guī)范?？刂葡到y的核心是數學密集型算法，用于計算控制信號。使用能夠快速有效地執(zhí)行數學運算的微控制器 (MCU) 對于系統時序約束至關重要。理想情況下，該 MCU 將能夠與中央處理單元 (CPU) 同時執(zhí)行實時控制循環(huán)。例如，某些系統可能需要支持使用相同 MCU 的電力線通信。??

用于實時控制系統的高性能 MCU 依賴于擁有極快的 CPU。該 CPU 通常包括對定點和浮點數學運算的硬件支持。許多控制系統設計都是從仿真工具開始的，其中算法是用浮點數學開發(fā)的。然后可以輕松地將這些算法移植到具有本機浮點數學支持的 MCU。浮點數學提供了很大的動態(tài)范圍，因此比使用定點更容易開發(fā)代碼。程序員不再需要擔心縮放和飽和。此外，由于浮點值不會像在定點數學中那樣在上溢或下溢時環(huán)繞數字線，因此魯棒性得到了提高。除了數學運算， ?

實時控制算法中常用的三角和算術運算包括 Park 和逆 Park 變換、空間矢量生成、直接正交零和逆直接正交零變換、FFT 幅度和相位計算。典型的數學運算包括正弦、余弦、反正切、除法和平方根。這些類型的操作是周期密集型的，它們會極大地影響整個系統的性能。通過使用擴展指令集增強 MCU 的浮點功能，這些操作可以更加高效。為此，編譯器需要支持自動生成三角函數和算術指令。然后編譯器可以在適用的情況下使用這些指令，而不是運行時支持庫調用，從而顯著減少周期并顯著提高性能。此外，將保持可移植性，因為相同的代碼可以在有或沒有這種增強數學支持的 MCU 上使用。

實現最終的高性能計算和高效處理，這對于設計當今許多復雜的實時控制應用程序至關重要，可能需要專門為控制律加速而設計的獨立協處理器。例如，一個典型的功率數字控制器包括一個輸入 A/D 轉換器、一個計算控制律算法的數學引擎（例如，PID、二極/二零和三極/三零補償器），和一個PWM通道來輸出計算的波形。許多先進的控制系統將極大地受益于將這些功能集成到硬件中以最小化延遲的架構，從而產生絕對最小的采樣到輸出延遲。這種架構將與主 CPU 同時執(zhí)行時間關鍵的控制循環(huán)，并釋放它來執(zhí)行其他所需的任務。此外，該架構將具有內置保護機制，以防止出現過流和過壓情況。

圖 1：增強的實時控制系統框圖。

系統的獨立硬件加速器必須針對 32 位浮點數學密集型計算進行優(yōu)化。該加速器非常適合管理低級控制循環(huán)，與使用 CPU 相比具有高性能改進。此外，它需要直接訪問內存并直接訪問各種控制外設，例如 A/D 和 PWM 模塊，以最大限度地減少延遲。理想情況下，它需要能夠在轉換完成后立即讀取 A/D 結果，以減少延遲并實現快速系統響應。 ?

設計這個加速器使其在沒有 CPU 干預的情況下響應外設觸發(fā)是非常有效的，因為它不使用中斷進行硬件同步，也不必進行任何上下文切換。這種方法消除了抖動，執(zhí)行時間變得確定。為了靈活性，這個加速器應該是完全軟件可編程的，而不是固定的基于硬件的。獨立加速器可以在不執(zhí)行控制規(guī)則時設置為低功耗模式，與主 CPU 相比，可能會提供更節(jié)能的操作。這種獨立的協處理器加速器提供的優(yōu)勢可以顯著增強實時控制應用，例如電機控制、電力轉換、可再生能源和電動汽車。 ?

將智能管理和通信功能添加到高級控制系統可以優(yōu)化高效運行。使用電力線通信是智能管理的理想選擇，因為可以經濟高效地使用現有基礎設施。為了解決性能問題并避免添加另一個處理器的復雜性和成本，可以使用緊密耦合的定點加速器來增強 MCU，從而大大提高電力線通信連接的性能。該加速器為 MCU 添加了一組擴展的寄存器和指令，并且需要能夠支持各種通信技術。消耗大部分處理能力的四個關鍵操作是維特比解碼、復數 FFT、復數濾波器和循環(huán)冗余校驗 (CRC)。 ?

除了通信之外，該加速器對于通用信號處理應用（例如濾波和頻譜分析）也非常有用。例如，頻譜分析可用于處理電機振動噪聲，以確定系統的健康狀況并估計電機的使用壽命。還提供完整的函數庫，使編程更加輕松和高效。

實時增強型 MCU 的一個示例是德州儀器 (Texas Instruments) 的 32 位 C2000，它具有四個加速器：浮點單元、實時控制協處理器、三角數學單元和 Viterbi、復雜數學, 和 CRC 單元。您可以通過閱讀白皮書“加速器：增強 C2000 MCU 系列的功能”了解更多信息，該白皮書可在“技術文檔”下找到。

　　審核編輯：湯梓紅