實(shí)時(shí)控制MCU指用于精準(zhǔn)閉環(huán)控制的微控制器。這類芯片經(jīng)過精細(xì)的設(shè)計(jì)與測試，具備卓越的穩(wěn)定性和可靠性，能夠以更低的時(shí)延高效完成信號(hào)采集、計(jì)算決策和執(zhí)行控制。因此，它們被廣泛應(yīng)用于新能源、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人等多個(gè)領(lǐng)域。

近日，極海在2024德國慕尼黑國際電子元器件博覽會(huì)（electronica 2024）上，展示了G32R5高性能實(shí)時(shí)控制MCU。極海實(shí)時(shí)控制產(chǎn)品線經(jīng)理Louis LU在Power Electronics論壇上發(fā)表了《Introducing the New G32R5 Real-Time Microcontroller Based on ArmCortex-M52 with HeliumTM Technology》（極海最新基于 Arm Cortex-M52 及支持HeliumTM技術(shù)的G32R5 實(shí)時(shí)控制MCU）的主題演講，介紹了極海在實(shí)時(shí)控制MCU領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局，分享了G32R5如何通過技術(shù)創(chuàng)新高效解決實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)所帶來的挑戰(zhàn)，并首次公布G32R5全信號(hào)鏈性能測試數(shù)據(jù)。

無處不在的實(shí)時(shí)控制

從發(fā)電側(cè)的光伏和風(fēng)力等新能源設(shè)備，到輸配電系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償系統(tǒng)等核心設(shè)備，再到廣泛應(yīng)用于新能源汽車、自動(dòng)化工廠和智能家電等的終端設(shè)備 ，實(shí)時(shí)控制MCU作為上述應(yīng)用終端的核心器件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這類MCU能夠精準(zhǔn)快速地感知各類信號(hào)，執(zhí)行復(fù)雜運(yùn)算并實(shí)現(xiàn)高效閉環(huán)控制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)提升能源的利用效率和系統(tǒng)的響應(yīng)速度。無論是在風(fēng)電場實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)發(fā)電輸出，還是在自動(dòng)化工廠中實(shí)現(xiàn)精確的生產(chǎn)控制，實(shí)時(shí)控制MCU都成為了推動(dòng)現(xiàn)代智能化發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

從芯片端解決實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

在碳中和、碳達(dá)峰等政策的推動(dòng)下，實(shí)時(shí)控制應(yīng)用正朝著更高能效、高功率密度、高精度、高安全與高可靠的方向快速發(fā)展。為實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，實(shí)時(shí)控制MCU需要從架構(gòu)到設(shè)計(jì)上，支持如下核心特性：

1. 更低的系統(tǒng)時(shí)延

在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，從獲取傳感數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、制定控制策略到輸出控制，全鏈路的延時(shí)會(huì)直接影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。為了提高效率和功率密度，典型的一個(gè)做法是采用更高的開關(guān)頻率并采用第三代半導(dǎo)體開關(guān)管，這對(duì)系統(tǒng)時(shí)延提出了更高的挑戰(zhàn)。

為了實(shí)現(xiàn)更低的時(shí)延，MCU需要具備以下特性：

高速運(yùn)算處理能力：采用高性能的處理器架構(gòu)，高效和快速地處理傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制算法；

優(yōu)化的數(shù)據(jù)路徑：設(shè)計(jì)高效的內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)通路，減少數(shù)據(jù)在不同模塊之間傳遞的延遲；

高效的中斷響應(yīng)：高效的中斷機(jī)制能迅速響應(yīng)外部事件，降低響應(yīng)時(shí)延。

2.高性能控制外設(shè)

高性能控制外設(shè)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制，支持復(fù)雜控制策略的重要組成，包括高精度PWM（脈寬調(diào)制）、靈活可編程邏輯單元（FLB）等。

高精度PWM（HRPWM）：能夠?qū)崿F(xiàn)更細(xì)顆粒度脈寬控制，相位控制以及死區(qū)時(shí)間控制等，尤其在高開關(guān)頻率及移相的應(yīng)用中，ps級(jí)分辨率是確保輸出精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)效率所不可或缺的；

靈活可編程邏輯單元（FLB）：允許用戶根據(jù)特定應(yīng)用需求自定義組合邏輯功能，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性。通過這些邏輯單元，用戶可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯運(yùn)算或控制策略，而不需要額外的外部硬件；

高效的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：集成高速、高分辨率的ADC可以實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，確保控制精度和響應(yīng)速度。

3. 靈活的IP互聯(lián)

隨著系統(tǒng)向更高效、更安全可靠方向發(fā)展，實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)復(fù)雜性隨之增加，為了保證不同模塊之間的信息傳遞更加便捷、減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，需要保證信號(hào)能夠在片內(nèi)外設(shè)間靈活路由，同時(shí)減少數(shù)據(jù)在不同模塊之間傳遞的延時(shí)；片上IP的互聯(lián)，是實(shí)現(xiàn)更高效控制、更低系統(tǒng)延時(shí)、更精簡的PCB布線，以及更一致的控制時(shí)序的關(guān)鍵。

G32R5在上述特性的支持上做了深入研究，致力于從感知端、計(jì)算端到控制端的端到端優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)性能的顯著提升。

高能效、低時(shí)延的實(shí)時(shí)控制器平臺(tái)

· 基于Arm V8.1-M架構(gòu)，在保持Cortex-M4F、Cortex-M33遷移便捷的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)DSP性能2.7倍與ML性能5.6倍的提升；

· 支持ACI (Arm Customer Instructions)，這是實(shí)時(shí)控制的靈魂特性，使得芯片公司能夠自主設(shè)計(jì)擴(kuò)展指令集并可嵌入CPU中執(zhí)行。極海基于ACI的CDE(Customer Datapath Extension)接口，將自主研發(fā)的紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元和Cortex-M52內(nèi)核完美融合，大幅提升了實(shí)時(shí)控制運(yùn)算效率，并顯著降低了計(jì)算時(shí)延；

· 支持TCM，包括數(shù)據(jù)TCM及指令TCM，將實(shí)時(shí)控制核心代碼和數(shù)據(jù)放入TCM，可大幅提升運(yùn)行效率；

· 支持Arm HeliumTM技術(shù)，有助于大幅提升SMID運(yùn)算性能，降低計(jì)算時(shí)延。

在展會(huì)現(xiàn)場，極海還分享了G32R5內(nèi)置的HRPWM、Advanced CAP、Advanced Comparator、Advanced ADC以及XBAR等高級(jí)控制IP的互聯(lián)特性，并基于圖騰柱PFC應(yīng)用介紹了如何通過G32R5內(nèi)部控制IP的互聯(lián)實(shí)現(xiàn)峰值電流模式控制，在提升性能基礎(chǔ)上降低整體系統(tǒng)成本。

與實(shí)時(shí)控制MCU領(lǐng)導(dǎo)者并肩

在會(huì)上，Louis LU表示："在實(shí)時(shí)控制MCU領(lǐng)域，TI的C2000系列產(chǎn)品以其卓越的性能和創(chuàng)新技術(shù)，不僅樹立了行業(yè)標(biāo)桿，更引領(lǐng)了行業(yè)的發(fā)展。我們對(duì)C2000系列的成就和貢獻(xiàn)表示深深的敬意。"Louis LU提到其產(chǎn)品應(yīng)用筆記中曾提出實(shí)時(shí)信號(hào)鏈指標(biāo)，是衡量系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制性能的關(guān)鍵，并邀請(qǐng)極海研發(fā)工程師嘗試基于同樣的代碼，將兩款產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)測對(duì)比。

得益于Arm先進(jìn)的Cortex-M52處理器、極海自研高性能紫電數(shù)學(xué)指令擴(kuò)展單元、以及G32R5架構(gòu)及IP的優(yōu)異性能，G32R5單核配置，在Flash中運(yùn)行代碼的相對(duì)執(zhí)行周期數(shù)降低了11.5%（相對(duì)周期數(shù)越低性能越高）。

Louis LU提到："如果按240MHz主頻換算，這意味著縮短了63%的控制環(huán)路執(zhí)行時(shí)間！*"

為客戶的開發(fā)多做一步準(zhǔn)備

G32R5目前已經(jīng)支持Keil與IAR開發(fā)調(diào)試工具，基于Eclipse的開發(fā)工具也即將發(fā)布。為了便于工程師調(diào)試，G32R5還提供了板載隔離調(diào)試器的開發(fā)板及配套的擴(kuò)展板，該開發(fā)套件可用于初步方案驗(yàn)證，幫助用戶更好了解極海芯片特性，方便開發(fā)及算法移植測試。

減少客戶對(duì)G32R501的上手時(shí)間、縮短項(xiàng)目開發(fā)周期是極海實(shí)時(shí)控制團(tuán)隊(duì)的核心目標(biāo)，為此極海提供了4個(gè)G32R501參考設(shè)計(jì)方案，如48V/50A雙向電源，EtherCAT總線型高壓伺服控制器等，為產(chǎn)品在智能制造、自動(dòng)化與新能源領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供參考。

極海G32R5系列即將發(fā)布，目前已開放送樣通道, 新品發(fā)布會(huì)也即將開幕，屆時(shí)將分享G32R501從定義到量產(chǎn)過程中的精彩故事，并在現(xiàn)場公布更多性能測試數(shù)據(jù)。