新型32位DSP处理器优化嵌入式控制应用开发

新型应用要求越来越高，这也使设计人员必须以更少的资源完成更多的工作，将多种功能集成到同一处理器中，并优化系统成本。市场上目前有多种控制器解决方案竞相展露各自优势，希望获得设计人员的重视。

传统方法是采用ASIC实现最低芯片成本与足够的性能。但ASIC方法设计周期长，还要进行深亚微米设计，成本相当高。32位可编程处理器解决方案在性能、设计费用与产品上市时间等方面有望胜过ASIC方法。新型32位控制器可实现高水平的 CPU性能、外围元器件与模拟集成，有助于达到真正意义上的系统级芯片(SoC)目标，并能进一步降低系统成本。

设计人员必须从一系列可编程处理器中做出选择，范围包括从8位微控制器到32位DSP。

选择可编程数学处理器

在控制应用中，以电机速度或位置控制为例，设计人员必须确保系统能够满足动态性能规范。此外，系统还必须实现其它若干功能，其中包括消除传感器算法、功率因数校正、噪声滤波以及控制电磁干扰(EMI)的扩展频谱技术。上述大多数目标都可通过实施数学算法处理来达到。这意味着处理器必须能够执行计算强度大的算法。为了确定所需的处理器字长，我们需要深入了解这些算法。

最常见的控制实现方案是采用基于比例-积分-微分或状态变量的控制器。控制器中的计算必须以高精确度进行实施，以避免极限环、溢出等问题，并确保正确的采样间(inter-sample)行为。新型的设计需要32位宽的系数与中间变量以获得最佳性能。

通用16与32位微控制器处理数学计算效率较低。拴合乘法器(Bolt-on multiplier)缺少数据路径，不能支持可实现高性能数值运算的持续乘法与加法。DSP根据设计能以尽可能高的效率处理数值计算，并为适合于运行数学控制法则计算进行了优化。主要应考虑的因素是待处理的数字长度和本地处理器字长。16位信号处理器不能有效处理32位数值问题。多倍精度运算的实施效率极低，通常因数为4到10。

第二，为了确保对高频率运动做出适当响应，伺服系统设计人员常选择过采样，这就对数值调节提出了挑战。采用32位信号处理器可方便地解决上述问题。新型32位DSP还实现了高效运行编译C代码的架构。此外，32位处理器还常能提供更大的存储器空间，从而简化了存储器设计。

作为新兴的解决方案，32位DSP具备必需的处理功能，可与适当外围电路配合使用，能够以极具竞争力的低成本向市场提供优化解决方案。

处理器选择中的权衡因素

在选择可编程处理器时，需就现有集成度、代码大小等做出重要的权衡取舍。新型32位DSP正在集成越来越多的外围电路。诸如脉宽调制器(PWM)、通信端口与模数转换器(ADC)等针对特定控制的外围，使设计人员可不再采用外部元器件，从而节约了系统成本。

大量闪存与RAM的集成也不再需要外部闪存/RAM，这也降低了成本与复杂性。

32位处理器的代码密度是研究得较多的一项权衡因素。新型DSP设计明智地使用16位与32位指令相结合。只有在必须被编码的信息总量需要32位时才采用32位指令，而其他则采用16位指令，这样代码密度得到提高，也减少了对存储器的需求。

由于32位DSP使用更宽的内部总线，因此其使用的晶体管门数必须比相应的16位 DSP多。而且，新型嵌入式处理器的裸片大小主要取决于存储器与外围电路的集成度。此外，再考虑到半导体几何尺寸不断减小，这就使32位DSP成为极具吸引力的一种方案。

如果控制器用作微控制器和DSP的效率都必须一样高，那么经调谐的架构与外围选择就是我们要考虑的主要问题。就高精确度控制市场而言，这意味着核心架构采用32x32位乘法器、32位计时器、实时JTAG、32位寄存器以及读取-修改-写入ALU。外围包括 PWM、编码接口、12位ADC、看门狗定时器以及用于工业应用的CAN接口。

图1 总线结构

在电机中的应用实例

电机消耗三分之二的工业用电量以及四分之一的家庭用电量。就此而言，合适的电机大小就显得极为重要了。在满足瞬态规范方面，电机常常过大，有时还要添加复杂的机械装置才能对瞬态进行处理。实施矢量控制的智能控制器可提供更快的瞬态响应，不仅能简化系统，而且还可实现更好的总体效率与可靠性。

矢量控制算法可测量或预测转子的磁极位置，并优化放置多相绕组生成的定子磁通，以在给定磁通的设置下生成最大转矩。就永磁电机而言，定子磁通角度为90度(电气角度)。这就实现了可能做到的最佳转矩，因为生成的转矩与两个磁通间的角度正弦值直接成正比。

实施低成本智能控制的挑战在于其中涉及的数学复杂性。大多数微控制器不能实时处理这样高的计算复杂性。但是，新型DSP控制器提供了智能控制所需的计算能力，还提供了SoC集成与软件开发支持，有助于简化电机控制系统的设计。

优化的软件开发流程

借助可编程处理器，支持快速软件开发的架构对成功的产品开发至关重要。新一代DSP控制器提供了更高级的外设集成及方便易用性，比MCU更好。如TI的150-MIPS TMS320F2812数字信号控制器就结合了DSP性能与灵活性。一个单周期32位乘法累加器(MAC)数据路径或双16位MAC 结合了高端精确度和DSP速度。高速中断处理以及一般控制操作指令(如位操作和跳转)实现了在多目的、多任务环境中的器件使用。TI还提供软件支持与硅芯片解决方案进行互补，包括满足扩展需求的 IQMath。此外，先进的代码密度与得到显著改善的编译器技术也使如今的DSP在生成高效代码方面做得更好。软件是任何DSP开发的关键方面，丰富的电机控制库能够加速开发时间并简化有关工作。