BF50x處理器助力工程師輕松實(shí)現(xiàn)嵌入式信號(hào)處理

     2009年9月18日，敏銳的國(guó)內(nèi)媒體記者在秋季國(guó)際集成電路展的一個(gè)展臺(tái)上發(fā)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)尚未正式發(fā)布的BF50x信息——業(yè)界領(lǐng)先的匯聚式處理器Blackfin家族新成員，并對(duì)該處理器在電機(jī)控制等應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹分析。然而，其后長(zhǎng)達(dá)四個(gè)月并無任何相關(guān)信息發(fā)布，該處理器的獨(dú)具特色的優(yōu)化設(shè)計(jì)和功能特性吊足了工業(yè)控制應(yīng)用工程師的胃口。在整整四個(gè)月后的2010年1月18日，ADI官方正式向全球發(fā)布了這款新產(chǎn)品，全面揭開了BF50x的“神秘”面紗。

   Blackfin處理器自推出以來因?yàn)槠洫?dú)特的MCU+DSP的匯聚式架構(gòu)而受到業(yè)界廣泛關(guān)注，并得到大量應(yīng)用，無論是汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療設(shè)備還是消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，無處不見Blackfin的蹤跡。高成本和技術(shù)門檻曾經(jīng)讓很多企業(yè)對(duì)于使用DSP處理器心存疑慮，而Blackfin匯聚式處理器的獨(dú)特架構(gòu)、性能優(yōu)勢(shì)以及全面的技術(shù)支持很大程度上克服這個(gè)問題，特別是ADI近年來不斷推出了更多針對(duì)特定應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的Blackfin處理器系列，在性能特性得到更強(qiáng)優(yōu)化的同時(shí)，大幅度地降低了產(chǎn)品的價(jià)格（BF50x萬片批量的最低報(bào)價(jià)低至4.5美元，獨(dú)立評(píng)估機(jī)構(gòu)BDTI按照對(duì)定點(diǎn)處理器的每美元速度比（speed-per-dollar ratio）評(píng)估，BF50x的BDTIsimMark2000/$得分高達(dá)498，遠(yuǎn)超同類競(jìng)爭(zhēng)性器件）。

BDTI對(duì)BF50x的BDTIsimMark2000/$測(cè)試分析得分高達(dá)498
 

BF50x獨(dú)特的功能特性組合
   BF50x以通常150MHz~200MHz處理器的價(jià)格提供高達(dá)400MHz的性能，將高性能數(shù)字信號(hào)處理能力擴(kuò)展到更廣泛的應(yīng)用中，包括之前采用高端微控制器的那些應(yīng)用。這種性能裕量使得設(shè)計(jì)工程師能實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)功能，利用更多的復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)更高的精度，以及實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)界面和控制功能的更高靈活性。設(shè)計(jì)工程師還可以使用更先進(jìn)的軟件工具和庫來生成代碼，這有助于進(jìn)一步縮短開發(fā)周期，加速產(chǎn)品上市。[!--empirenews.page--]

   BF50x具有可實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的算法以及更高精度和更低功耗的控制能力，從而可實(shí)現(xiàn)更精密的控制（如運(yùn)動(dòng)控制）、更高功效 (如功耗更低)、可靠性(如更高的電能質(zhì)量）和強(qiáng)大功能(如電力線通信)。與同類競(jìng)爭(zhēng)性產(chǎn)品相比，BF50x片上內(nèi)置的以下特性大大增強(qiáng)了該處理器的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)：更大的L1 SRAM和可執(zhí)行并行閃存，對(duì)于超過 64 KB的代碼/數(shù)據(jù)規(guī)模，BF504F的 4MB可執(zhí)行閃存能省去外部 SDRAM，相比競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品可進(jìn)一步節(jié)省成本；業(yè)界最高的12位精度ADC可以解決很多客戶在采用其他競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品時(shí)所遇到的精度問題；400MHz的時(shí)鐘速度使BF50x比同樣價(jià)格水平的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品具有更高的處理器性能；具有針對(duì)CAN的外設(shè)支持，以及脈沖波形調(diào)制和移動(dòng)存儲(chǔ)選項(xiàng)，如SD、e/MMC、CE-ATA；等等。本文將對(duì)其中的三相PWM單元、內(nèi)置ADC和ACM的特性進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

BF50x優(yōu)化的系統(tǒng)集成
  

1. 三相PWM單元
   BF50x內(nèi)置的每個(gè)PWM模塊都集成了一個(gè)靈活可編程的三相PWM波形發(fā)生器，通過編程設(shè)置以產(chǎn)生針對(duì)交流感應(yīng)電機(jī)(ACIM)或者永磁同步電機(jī)(PMSM)控制所需要的開關(guān)模式來驅(qū)動(dòng)三相電壓源逆變器。此外，PWM模塊還包含可以大大簡(jiǎn)化電子換向電機(jī)（ECM）或無刷直流電機(jī)控制所需的 PWM開關(guān)模式的產(chǎn)生。通過軟件設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)(SRM)的一種獨(dú)特模式。[!--empirenews.page--]

   BF50x的兩個(gè)片上三相PWM單元具有以下特性：真正的16位分辨率；可編程PWM脈寬；單/雙刷新模式；可編程死區(qū)時(shí)間（dead time）和開關(guān)頻率；二進(jìn)制補(bǔ)碼實(shí)現(xiàn)，允許在全開和全關(guān)狀態(tài)之間平滑轉(zhuǎn)換；可以將PWM信號(hào)發(fā)生與內(nèi)部或外部產(chǎn)生的同步脈沖進(jìn)行同步；針對(duì)BDCM電機(jī)的獨(dú)特設(shè)置（交迭和輸出使能功能）；廣泛的各種特殊開關(guān)磁阻運(yùn)行模式；輸出極性與時(shí)鐘選通控制；專用異步PWM關(guān)斷信號(hào)。

   每個(gè)PWM單元的6個(gè)PWM輸出信號(hào)由三個(gè)高端（high-side）驅(qū)動(dòng)信號(hào)(PWMx_AH、PWMx_BH和PWMx_CH)和三個(gè)低端驅(qū)動(dòng)信號(hào)組成(PWMx_AL、PWMx_BL和PWMx_CL)。所產(chǎn)生的PWM信號(hào)的極性可以通過軟件編程進(jìn)行設(shè)置，因此既可以產(chǎn)生高有效的PWM波形，也可以產(chǎn)生低有效的PWM波形。

2. 真正的12位精度的ADC及ACM模塊
BF506F利用了ADI公司在ADC器件上的全球領(lǐng)先技術(shù)優(yōu)勢(shì)，內(nèi)置的ADC為高速低功耗逐次逼近型ADC，實(shí)現(xiàn)了真正的業(yè)界最高12位精度，吞吐率高達(dá)2MSPS。BF506F包含兩個(gè)ADC，每個(gè)ADC前置一個(gè)三通道復(fù)用器，以及一個(gè)低噪聲寬帶寬的跟蹤保持放大器（可以處理超過30MHz的輸入信號(hào)頻率）。

BF50x還首次在Blackfin處理器系列中引入了新的外設(shè)——ADC控制模塊（ACM），它提供了同步ADC采樣與外部事件的一種低開銷、精確的方法。ACM允許靈活調(diào)度采樣實(shí)例，并向ADC提供精確的采樣信號(hào)。ACM負(fù)責(zé)同步ADC轉(zhuǎn)換過程，產(chǎn)生ADC控制、ADC轉(zhuǎn)換開始信號(hào)以及其他信號(hào)。ADC的實(shí)際數(shù)據(jù)采集由SPORT外設(shè)執(zhí)行，所有的內(nèi)部ADC信號(hào)都被連接到封裝引腳以在混合信號(hào)應(yīng)用中獲得最大的靈活性。

針對(duì)工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的Blackfin處理器
工業(yè)應(yīng)用的突出特點(diǎn)是密集的信號(hào)處理需求，而這是Blackfin系列處理器的優(yōu)勢(shì)所在。Blackfin系列由于結(jié)合了DSP和MCU的功能，它允許同一顆處理器能同時(shí)進(jìn)行復(fù)雜的控制和算法處理，這對(duì)于機(jī)器人、供電控制等復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用來說是一個(gè)巨大的優(yōu)勢(shì)。

BF50x作為ADI面向工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的最新款Blackfin處理器，其高性能讓工程師能開發(fā)出更高性能的工業(yè)控制和自動(dòng)化應(yīng)用系統(tǒng)，包括逆變器控制、不間斷電源（UPS）和電機(jī)控制以及計(jì)量和高級(jí)感應(yīng)應(yīng)用（電能計(jì)量、流量計(jì)量等）。BF50x的性能裕量使得工程師可以在先進(jìn)的系統(tǒng)建模中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的理論和算法，從而實(shí)現(xiàn)任何實(shí)時(shí)系統(tǒng)的最優(yōu)化的功效和控制效率。

1.電機(jī)控制應(yīng)用
BF50x處理器的卓越性能和特性使電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師能實(shí)現(xiàn)執(zhí)行更復(fù)雜的算法，確保適應(yīng)系統(tǒng)行為的實(shí)時(shí)變化，從而獲得平穩(wěn)的運(yùn)行性能，并降低功耗。利用無傳感器的矢量控制可以實(shí)現(xiàn)更高的電機(jī)控制效率，利用先進(jìn)的建模方法可以準(zhǔn)確地確定電機(jī)位置和/或者速度。設(shè)計(jì)工程師可以不用位置/速度傳感器，從而系統(tǒng)的尺寸更小，降低成本并實(shí)現(xiàn)更大的系統(tǒng)可靠性。BF50x 集成的12位ADC提供了準(zhǔn)確對(duì)電機(jī)狀態(tài)進(jìn)行建模所需要的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，從而可以準(zhǔn)確估計(jì)電機(jī)的準(zhǔn)確位置/速度。[!--empirenews.page--]

基于BF50x的電機(jī)控制系統(tǒng)硬件功能框圖。
 

2. UPS應(yīng)用
BF50x處理器的優(yōu)化設(shè)計(jì)確保能實(shí)現(xiàn)UPS系統(tǒng)的準(zhǔn)確、無波動(dòng)的電源控制，提供對(duì)負(fù)載變化準(zhǔn)確分析、負(fù)載瞬時(shí)改變以及失載事件進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。BF50x 所內(nèi)置的3相PWM單元可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的電源切換，因而UPS系統(tǒng)能動(dòng)態(tài)地對(duì)各種負(fù)載條件下的非線性負(fù)載做出動(dòng)態(tài)響應(yīng)。同時(shí)，BF50x處理器本身還具有控制功能，可以實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)/關(guān)斷控制和電壓調(diào)整。

基于BF50x處理器的UPS應(yīng)用功能框圖
 

3. 可再生能源逆變器應(yīng)用
在將太陽能發(fā)電和風(fēng)能發(fā)電的電能接入到商業(yè)電網(wǎng)中或者提供給本地電網(wǎng)時(shí)，BF50x處理器是執(zhí)行復(fù)雜算法使逆變器能將可變的直流輸出轉(zhuǎn)換成“干凈”的電流和穩(wěn)壓源的理想之選。BF50x在設(shè)計(jì)中針對(duì)可再生能源應(yīng)用和智能電網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行過優(yōu)化，其強(qiáng)大的處理能力可以確保實(shí)現(xiàn)非常高效率的能量轉(zhuǎn)換和傳輸，能實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的能源切換控制功能，并支持反孤島技術(shù)以及最大功率點(diǎn)跟蹤功能。

BF50x用于可再生能源系統(tǒng)
 

友好的設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)讓您無后顧之憂
BF50x處理器繼承了Blackfin處理器的獨(dú)特架構(gòu)優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)工業(yè)應(yīng)用進(jìn)行了諸多功能和性能優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而，作為復(fù)雜的工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)優(yōu)秀的解決方案而言，硬件平臺(tái)本身的性能和特性僅是一個(gè)方面，能否提供全面的設(shè)計(jì)技術(shù)支持也十分關(guān)鍵，這其中包括評(píng)估工具、設(shè)計(jì)工具、仿真平臺(tái)、軟件模塊等。

ADI針對(duì)BF50x系列新推出了低成本的EZ-KIT Lite評(píng)估套件，包括ADI VisualDSP++集成開發(fā)和調(diào)試環(huán)境（IDDE）。此外，ADI還在中國(guó)全面上市最新款超低價(jià)、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE- 100B，該仿真器度身為使用Blackfin的客戶定制，使其幫助客戶實(shí)現(xiàn)更理想的高性能、低成本的目標(biāo)。除了低至150美元的震撼價(jià)格，ADZS- ICE-100B的諸多創(chuàng)新功能也為JTAG仿真器帶來更高性能、使用便捷性的全新體念。

加強(qiáng)第三方合作伙伴的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)建設(shè)是ADI的一貫策略，而BF50x系列在關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)合作方面更具前瞻性。從2008年8月份開始，ADI就與上海交通大學(xué)合作，基于BF548、FPGA、ADC等核心器件仿真設(shè)計(jì)完整的BF50x電機(jī)控制系統(tǒng)的硬件參考平臺(tái)和軟件，目前可以提供針對(duì)馬達(dá)控制應(yīng)用的軟硬件參考設(shè)計(jì)及相關(guān)文檔，可以大大加快馬達(dá)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)程。此外，ADI還與以下業(yè)界領(lǐng)先企業(yè)就BF50x的開發(fā)應(yīng)用建立了廣泛合作：提供專注于工業(yè)平臺(tái)設(shè)計(jì)服務(wù)的Schmid Engineering公司；Boston Engineering公司，該公司在硬件、軟件和機(jī)械設(shè)計(jì)方面擁有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，專注于工業(yè)和醫(yī)療應(yīng)用，是電機(jī)控制參考設(shè)計(jì)的領(lǐng)先價(jià)值提供商； Advanced Energy Conversion公司在電力電子方面擁有專業(yè)經(jīng)驗(yàn)，是替代換能源逆變器參考設(shè)計(jì)的領(lǐng)先價(jià)值提供商；Mathworks公司基于MATLAB® 和Simulink®的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)和驗(yàn)證，提供針對(duì)Blackfin的Embedded IDE Link™ 和Target Support Package™自動(dòng)化項(xiàng)目開發(fā)工具。針對(duì)BF50x處理器應(yīng)用的廣泛技術(shù)支持生態(tài)系統(tǒng)將幫助客戶縮短實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，并降低整體系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本。