作者：Colin Duggan和Denis Labrecque，ADI公司 鑒于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率等方面宏大的提升目標，未來嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計面臨著復(fù)雜的挑戰(zhàn)。不過，一種有望解決這些復(fù)雜問題的設(shè)計選項已開始嶄露頭角——即模擬元件與ARM?微控制器內(nèi)核的智能集成。這種方案與傳統(tǒng)模擬集成的區(qū)別在于，新方案具有超高的性能，還經(jīng)過了多種優(yōu)化，以解決具體的系統(tǒng)級問題。雖然每個市場對這些提升領(lǐng)域的優(yōu)選次序都有著自己的認識，但同時滿足多個因素的要求實為眾望所歸，可以通過集成多個分立式元件來實現(xiàn)。從邏輯上講，組合多個器件可以實現(xiàn)這些嵌入式系統(tǒng)目標中的一大部分，但只是簡單地把多個分立式元件與一枚處理器集成到一個封裝之中，這并非答案所在；解決方案要復(fù)雜得多，需要智能集成。 模擬與數(shù)字的智能集成 高性能模擬元件(放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器等)與ARM 32位處理器內(nèi)核的智能集成，再加上正確的數(shù)字外設(shè)，這種方式可以實現(xiàn)分立式解決方案無法望塵莫及的目標。為了構(gòu)造出最佳混合信號控制處理器，不但需要對整個系統(tǒng)有著深入的了解，需要知曉是否有正確的知識產(chǎn)權(quán)(IP)可用，同時還具備有關(guān)該知識產(chǎn)權(quán)的專業(yè)知識。毫無疑問，負責為這些集成器件制定功能要求的芯片設(shè)計師和系統(tǒng)工程師必須對最終應(yīng)用需求有著充分的了解。這種領(lǐng)域知識至關(guān)重要，包括對電路板級要求的深入了解，包括尺寸、溫度范圍、制造考慮因素、功耗、成本和信號鏈中的配套元件。圖1所示為智能集成器件中經(jīng)常用到的模擬和數(shù)據(jù)IP模塊。 圖 1.智能集成： 針對目標應(yīng)用而優(yōu)化的模數(shù)組合式IP 有正確的知識產(chǎn)權(quán)可用，這是實現(xiàn)系統(tǒng)級目標的有力起點。這個起點是縮短混合信號控制處理器開發(fā)周期的必要條件。越來越多地，適用于具體應(yīng)用的知識產(chǎn)權(quán)本身的獲取/形成和實施需要由半導(dǎo)體制造商來協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上，還需要對這些知識產(chǎn)權(quán)進行調(diào)整以滿足兩點具體要求。第一點是基于主要目標應(yīng)用的需求優(yōu)化性能和運行，由此實現(xiàn)系統(tǒng)級效益的最大化。第二點是優(yōu)化知識產(chǎn)權(quán)，使其與混合信號控制處理器中的其他補充性知識產(chǎn)權(quán)模塊良好、方便兼容。 最后，在業(yè)務(wù)層需要有協(xié)調(diào)機會，將系統(tǒng)制造商與半導(dǎo)體制造商的專長和知識有機地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)獨特的優(yōu)化設(shè)計。 混合信號控制處理器應(yīng)用 有許多應(yīng)用都可以從集成了高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的器件受益，包括溫度檢測、壓力檢測、氣體檢測、太陽能逆變器、電機控制、醫(yī)療生命體征監(jiān)護、汽車監(jiān)控系統(tǒng)以及水表/電表/氣表。本文將考察兩個具體的應(yīng)用領(lǐng)域，其中，優(yōu)化高性能模擬與ARM微控制器內(nèi)核的集成可在成本、功耗、尺寸和性能四個方面帶來極大的優(yōu)勢： 1. 太陽能光伏(PV)系統(tǒng)專用逆變器，其目標是提高效率，降低物料(BOM)成本，集成智能以支持與智能電網(wǎng)的連接。 2. 電機控制，其目標是提高效率以促進環(huán)保事業(yè)，以及降低成本。 請注意，盡管這些智能集成混合信號器件是針對具體的最終應(yīng)用而優(yōu)化的，但它們也可以很好地用于功能要求類似于主要目標應(yīng)用的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。 太陽能光伏逆變器：降低成本以擴大應(yīng)用范圍，集成智能以支持智能電網(wǎng)在過去5年中，盡管太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的年增長率超過50%，但其在全球電力總裝機量中所占比重仍然很小。盡管在某些地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電已實現(xiàn)與化石燃料發(fā)電的平價，但在多數(shù)地區(qū)，這一目標尚未實現(xiàn)，而這種平價又多取決于政府補貼。 為了提高與傳統(tǒng)能源(如天然氣、煤、石油)的競爭優(yōu)勢，太陽能光伏發(fā)電降低成本的最佳方式是既提高效率，又降低系統(tǒng)BOM成本。一方面，太陽能面板的成本和效率朝著正確的方向發(fā)展，另一方面，新技術(shù)也為太陽能光伏逆變器的進步提供了保障——這是太陽能面板發(fā)電與電網(wǎng)之間的接口。這些新技術(shù)包括NPC 3級/5級/多級、高頻開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)，采用基于碳化硅(SiC)和亞硝酸鎵(GaN)材料的快速功率晶體管。 圖2所示為一種二級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)。來自面板的電能，本質(zhì)上為直流源，被轉(zhuǎn)換成交流電，以饋入電網(wǎng)。第一級為DC-DC轉(zhuǎn)換，將電平升高，以使其兼容電網(wǎng)峰值電壓。第二級為DC-AC轉(zhuǎn)換。紅線所標區(qū)域所示為低電壓控制元件，當與單混合信號控制處理器相結(jié)合時，可產(chǎn)生系統(tǒng)級效益。通過將多個元件集成到單個器件之中，通過提高新高速開關(guān)拓撲結(jié)構(gòu)的效率，由此實現(xiàn)節(jié)省成本的目標。結(jié)果降低了單位kW的裝機成本。由于可以使用較小電感，因此還可以通過新型拓撲結(jié)構(gòu)來節(jié)省成本。這既有利于節(jié)省BOM成本，同時還可減小逆變器的尺寸。 圖2. 二級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)功能框圖；紅色區(qū)域所示為智能集成模塊 高速逐次逼近型寄存器(SAR) ADC非常適合這種應(yīng)用，因為，此類ADC擁有適當?shù)木?13 ENOB)，其超快的轉(zhuǎn)換速率可支持較高頻率的控制環(huán)路，能對多個輸入通道進行多路復(fù)用，還具有低延遲( 正弦濾波器(如圖2所示)與隔離式ADC結(jié)合使用。這樣可對電網(wǎng)中的電流以及直流注入進行測量，以防止變壓器飽和。傳統(tǒng)方法是用一個霍爾效應(yīng)電流傳感器，但與隔離式ADC相比，這種方法成本較高。該方法假定，正弦濾波器集成于混合信號控制處理器之中，從而消除了物料清單中表現(xiàn)為可編程邏輯的額外芯片的必要性。另外，相對于霍爾效應(yīng)傳感器，ADC正弦濾波器組合的隔離還具有線性度更佳的額外優(yōu)勢，有利于減少諧波失真。 隨著電網(wǎng)智能化步伐的加快，太陽能光伏逆變器將需要具備更多智能，以幫助解決電網(wǎng)不平衡問題。這是指來自多個源的電力超過需求的情況。為此，業(yè)界十分重視光伏系統(tǒng)智能，以電網(wǎng)整合為目標，電網(wǎng)的每個供電商必須相互合作以實現(xiàn)電網(wǎng)的穩(wěn)定。電網(wǎng)整合要求更好地對饋入電網(wǎng)的電能進行測量、控制和質(zhì)量分析。一種專門為電網(wǎng)電力質(zhì)量監(jiān)控而設(shè)計的諧波分析引擎有助于滿足該需求。通過計算幾個變量(包括諧波失真、功率、rms電壓、rms電流、VAR、VA和功率系數(shù)，可以實現(xiàn)對電力質(zhì)量的監(jiān)控。用于執(zhí)行這些計算的專用引擎不但可以帶來超高的精度，同時還能減輕ARM Cortex-M4內(nèi)核的負擔，使其無需執(zhí)行該任務(wù)。 利用在設(shè)計時充分考慮了這種最終應(yīng)用的混合信號控制處理器，太陽能逆變器可以在系統(tǒng)層面獲得極大的優(yōu)勢。基于對市場趨勢的了解以及堅實的系統(tǒng)知識，可以打造出智能化集成芯片，這種芯片不但能支持新一代拓撲結(jié)構(gòu)，減少芯片數(shù)量，同時還能帶來更多功能以支持與智能電網(wǎng)的接口。 電機控制：提升效率，增進環(huán)保事業(yè)，發(fā)揚全壽命成本節(jié)省精神 在關(guān)于發(fā)電方式的環(huán)保擔憂之外，人們還十分關(guān)心能源的使用效率問題。鑒于電機占全球用電量的40%，所以問題是如何提高這些系統(tǒng)的環(huán)保性。 答案在于提高其效率，由此減少能耗。通過普及高效電機而節(jié)省的能源量十分可觀：每年可節(jié)省數(shù)千億千瓦時的用電量，可減少大氣中二氧化碳排放量數(shù)百萬噸。顯然，高效電機的影響具有十分重要的意義。 具體地，有多個關(guān)鍵因素推動著高效電機的應(yīng)用。其中一個是環(huán)保問題推動的政府立法。歐盟已經(jīng)實施相應(yīng)的法規(guī)，將來還會實施更多法規(guī)，強制要求使用更高效的電機系統(tǒng)。另一個關(guān)鍵推動因素是全壽命成本優(yōu)勢。在電機控制系統(tǒng)的成本中，材料約占15%，運行所用能源成本占85%。可見，通過提高效率，降低電機系統(tǒng)全壽命成本的潛力是非常巨大的。 提高效率的方式包括特別的電機設(shè)計，電機類型的選擇，為不具備這種控制的系統(tǒng)添加可調(diào)速驅(qū)動器(ASD)，以及針對效率而優(yōu)化的控制算法。就特別的電機設(shè)計和特定電機類型的選擇而言，永磁電機一直是關(guān)注重點，其使用呈增長之勢。永磁電機的效率最高可達96%，超過了歐洲超高效能效標準(IE3)。 智能集成式混合信號控制處理器有可能實現(xiàn)ASD和控制算法的改進。以成本優(yōu)勢明顯的方式集成基于ARM的CPU子系統(tǒng)、PWM、ADC和多路復(fù)用功能，結(jié)果可以在系統(tǒng)層省去ASD的物料成本。 利用轉(zhuǎn)換時間較快的高精度ADC，可以改進控制算法。結(jié)果可增進電機系統(tǒng)的總體效率。精度高于12位的ADC可提高精度，用其來控制相位電流。 然而，不能用采樣轉(zhuǎn)換延遲控制來換取更高的精度。這樣就不能選擇通過均值或過采樣方式提升SNR的ADC。需要以終端機器(比如，貼片機)的運動速率來測量變量。快速轉(zhuǎn)換時間，加上快速ARM微控制器內(nèi)核，可以加快控制環(huán)路的運行速率，改進響應(yīng)時間，縮短建立時間。反過來，這又能提高生產(chǎn)線系統(tǒng)的吞吐量和效率，從而降低生產(chǎn)成本。 就如太陽能光伏應(yīng)用一樣，SAR ADC是電機控制的良好選擇。在電機控制的例子中，可以設(shè)計出高性能SAR ADC，無需均值或過采樣也可達到要求。 圖3中的各種知識產(chǎn)權(quán)模塊都經(jīng)過精心設(shè)計，相互配合良好。需要的結(jié)果是一種高度敏捷的儀器儀表子系統(tǒng)，可以采集多個計劃精確的采樣，并高效地將其交付給ARM的主存儲器。對于電機控制，相位繞組電流和其他測量值均可在PWM周期中的精確指定點進行同步采樣。在此基礎(chǔ)上，采樣數(shù)據(jù)可以在不產(chǎn)生開銷的情況下高效地移至微控制器的存儲器以進行處理。為了實現(xiàn)這一目標，混合信號控制處理器中有5個不同的模塊需要協(xié)同工作。 圖3. 電機控制系統(tǒng)功能框圖 周期開始時，發(fā)送一個PWM脈沖到觸發(fā)路由單元(TRU)，后者負責將觸發(fā)主機連接至觸發(fā)從機。在本例中，PWM為觸發(fā)主機，ADC控制器(ADCC)定時器為觸發(fā)從機。ADCC需要具備管理大量事件的能力，并使用定時器(TMR0/TMR1)來跟蹤從PWM觸發(fā)到啟動特定ADC事件所需時間。在定時器與特定事件相匹配的情況下，選擇的是ADC輸入多路復(fù)用(M0和M1)和通道(ADC0和ADC1)。接下來，將轉(zhuǎn)換開始信號發(fā)送至ADC。采樣數(shù)據(jù)從ADC移至ADCC，然后從ADCC通過DMA移至微控制器SRAM。 下面的圖4所示為PWM脈沖、PWM同步和ADCC所控制ADC事件之間的相對時序。 圖4. 用ADC對5個不同電機控制變量進行采樣的時序 對于面向電機控制的混合信號控制處理器設(shè)計，其在PWM、TRU、多路復(fù)用、緩沖、SAR ADC和DMA方面有著良好的知識產(chǎn)權(quán)基礎(chǔ)。然而，為了在PWM周期中實現(xiàn)ADC采樣的精密時序，必須對這些模塊的設(shè)計進行特別的改動。ADCC模塊的必要性是有事實依據(jù)的，即其他知識產(chǎn)權(quán)模塊集成于單枚芯片中，它們之間需要協(xié)調(diào)。ADCC即專門針對這一要求而設(shè)計，充分發(fā)揮了兩個ADC引擎的高速優(yōu)勢，這些ADC引擎的轉(zhuǎn)換時間快達380 ns。 結(jié)論 高級基礎(chǔ)技術(shù)只是個開端而已——芯片設(shè)計師必須對客戶的系統(tǒng)有著全面的了解，并在精密模擬和數(shù)字元件的設(shè)計、應(yīng)用及優(yōu)化方面具備深厚的專業(yè)知識。另外，芯片制造商必須愿意并有能力與系統(tǒng)制造商進行直接互動和協(xié)作，共同打造新型產(chǎn)品。選用最合適的元件，針對目標終端應(yīng)用進行優(yōu)化，對知識產(chǎn)權(quán)模塊進行改動，使其默契配合。只有這些條件得到滿足，才能將優(yōu)化的獨立元件有機地整合起來。ADI公司即推出了此類智能集成產(chǎn)品的良好典范，其中包括ADuCM360(一款完全集成式3.9 kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))以及ADSP-CM403F和ADSP-CM408F(集成兩個高精度16位ADC和ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核的混合信號控制處理器)。有關(guān)更多信息，請訪問： 。 (mbbeetchina)