基于DSP的數(shù)字信號(hào)控制器提供實(shí)時(shí)控制

越來越多的實(shí)時(shí)控制應(yīng)用令設(shè)計(jì)人員左右為難。這些應(yīng)用既需要微控制器(MCU)的易用性和對(duì)中斷的快速響應(yīng)特性，又需要數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的強(qiáng)大計(jì)算能力。

伺服機(jī)構(gòu)、功率因數(shù)校正和可變負(fù)載運(yùn)動(dòng)控制等應(yīng)用都要求把DSP的計(jì)算能力與MCU的快速中斷響應(yīng)和數(shù)字輸出特長(zhǎng)結(jié)合在一起，所以，最初的解決方案是在應(yīng)用中同時(shí)采用這兩種器件。

但集成能力的提升使數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)的開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)。DSC是一種帶DSP架構(gòu)從而具有更強(qiáng)計(jì)算能力的混合型MCU器件，其性能和提供的外設(shè)范圍都得到了拓展。

“起初，DSC針對(duì)的是特定市場(chǎng)，但現(xiàn)在需要實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用已不在少數(shù)，且DSC和MCU市場(chǎng)已開始融合。”TI C2000系列產(chǎn)品的營(yíng)銷經(jīng)理Keith Ogboenyiya表示。在電源等應(yīng)用領(lǐng)域，DSC已開始取代MCU和模擬控制系統(tǒng)，Ogboenyiya補(bǔ)充道。

微芯科技(Microchip)公司戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理Steve Marsh也持相同觀點(diǎn)。“數(shù)字電源等領(lǐng)域正開始從傳統(tǒng)MCU轉(zhuǎn)向DSC，而不久之后，電池管理等其他應(yīng)用也將步其后塵。”Marsh說，“MCU用戶已開始利用DSC內(nèi)的DSP特性。”

同時(shí)，Marsh指出，傳統(tǒng)應(yīng)用對(duì)DSC的要求也越來越多。“類似電機(jī)控制等應(yīng)用正在轉(zhuǎn)用更先進(jìn)的算法以降低傳感器和電機(jī)成本，還要應(yīng)對(duì)諸如可變負(fù)載等獨(dú)特的負(fù)載要求。”他說。

DSC新品層出不窮

為順應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)，2008年Microchip和TI分別推出了20多款新型DSC器件，并計(jì)劃在2009年推出更多產(chǎn)品。此外，飛思卡爾也有自己的DSC，而ADI有面向控制的DSP；Microchip和TI的新品使業(yè)已豐富的DSC器件錦上添花。這些新品的特點(diǎn)是功能更強(qiáng)、性能更高、售價(jià)更低，有利于拓展DSC的應(yīng)用領(lǐng)域。

例如，Microchip的16位dsPIC33系列增加了用于電機(jī)和頻率控制的脈寬調(diào)制器(PWM)、最大可達(dá)128MB的閃存，以及用于現(xiàn)有并行和串行數(shù)字接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的正交編碼器接口。dsPIC33系列還增加了音頻級(jí)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)以拓展設(shè)計(jì)選擇，開發(fā)人員可利用該DAC輸出模擬控制信號(hào)、生成報(bào)警音(不占用PWM資源)，或作為用戶接口設(shè)計(jì)的一部分提供數(shù)字化語音響應(yīng)。

滿足市場(chǎng)對(duì)小體積設(shè)計(jì)日益增長(zhǎng)的需求是Microchip新型DSC產(chǎn)品的另一個(gè)重點(diǎn)。為使封裝盡量小(6x6mm／28引腳)，Microchip實(shí)現(xiàn)了片上外設(shè)可編程引腳選擇功能。該功能允許開發(fā)人員根據(jù)需要來映射I/O信號(hào)，以便在選擇一種外設(shè)功能時(shí)不會(huì)制約其它功能的使用。

成本和性能是TI開發(fā)其30多款新型Piccolo系列產(chǎn)品的推動(dòng)因素。基于其32位C2000處理器核心，Piccolo提供了高性能的DSC功能，批量購買時(shí)單價(jià)不足2美元，其封裝只有48引腳。Piccolo系列于2008年12月提供樣片，其存儲(chǔ)器最大可達(dá)128 MB，且有豐富的模擬和數(shù)字I/O外設(shè)。該系列還包含一個(gè)頻率和占空比精度可達(dá)150皮秒(10-9秒)的增強(qiáng)型PWM設(shè)計(jì)。

部分Piccolo產(chǎn)品采用獨(dú)特的控制律加速器(CLA)技術(shù)，該技術(shù)可獨(dú)立于CPU執(zhí)行控制環(huán)算法。CLA是32位浮點(diǎn)數(shù)學(xué)加速器，具有單獨(dú)的中斷控制器，并能訪問PWM和ADC等外設(shè)。TI稱，與單獨(dú)使用CPU相比，采用CLA可以把性能提升5倍。

圖：TI的一些DSC內(nèi)的控制環(huán)加速器具有自己的中斷和外設(shè)接口，從而可使其獨(dú)立于CPU工作

簡(jiǎn)化應(yīng)用的工具

除了增加功能、提升性能以外，供應(yīng)商還在努力工作，使傳統(tǒng)MCU用戶采用DSC設(shè)計(jì)方法時(shí)更容易。Microchip已使其開發(fā)工具集適用于其DSC和相關(guān)的MCU系列的全部產(chǎn)品，以便開發(fā)人員可根據(jù)特性而非可用工具選擇器件。

TI采用了類似方法，使其Piccolo系列與其它基于C2000的器件代碼兼容，這樣，其CCStudio工具集就可以適用于所有器件。

這些工具集的一個(gè)關(guān)鍵特性是允許開發(fā)人員使用類似C等高級(jí)語言編寫應(yīng)用主體程序，而在需要最高性能的地方采用匯編語言編程。供應(yīng)商還提供了豐富的庫來幫助沒有DSP開發(fā)經(jīng)驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)不多的開發(fā)人員簡(jiǎn)化其軟件設(shè)計(jì)。這些庫包括功率因數(shù)校正、電機(jī)控制和噪聲抑制等應(yīng)用功能代碼，并提供通信協(xié)議、調(diào)制解調(diào)器和編解碼器、加密及更多其它功能的系統(tǒng)代碼。

隨著越來越多的MCU用戶轉(zhuǎn)向采用DSC，該產(chǎn)品將繼續(xù)改進(jìn)。“消費(fèi)者對(duì)我們提出各種要求，包括：新增外設(shè)和更大容量、更快的直接存儲(chǔ)器訪問和處理器速度，而在滿足這些要求的同時(shí)，器件體積還要小。” Microchip的Marsh說。

不斷增長(zhǎng)的軟件所需的存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力，以及工業(yè)用戶對(duì)控制器局域網(wǎng)協(xié)議等通信協(xié)議的需求，也在推動(dòng)著DSC不斷改進(jìn)，TI的Ogboenyiya表示。

這樣，對(duì)嵌入式實(shí)時(shí)數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)來說，其可選功能范圍將與日俱增。