模擬與數(shù)字的智能集成解決棘手的嵌入式系統(tǒng)問題

　　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)的設計面臨著復雜的挑戰(zhàn)。不過，一種有望解決這些復雜問題的設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，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(IP)可用，同時還具備有關該知識產(chǎn)權的專業(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計師和系統(tǒng)工程師必須對最終應用需求有著充分的了解。這種領域知識至關重要，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：針對目標應用而優(yōu)化的模數(shù)組合式IP

　　有正確的知識產(chǎn)權可用，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，適用于具體應用的知識產(chǎn)權本身的獲取/形成和實施需要由半導體制造商來協(xié)調(diào)。在此基礎上，還需要對這些知識產(chǎn)權進行調(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，使其與混合信號控制處理器中的其他補充性知識產(chǎn)權模塊良好、方便兼容。

　　最后，在業(yè)務層需要有協(xié)調(diào)機會，將系統(tǒng)制造商與半導體制造商的專長和知識有機地結合起來，從而實現(xiàn)獨特的優(yōu)化設計。

　　混合信號控制處理器應用

　　有許多應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用領域，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用的關聯(lián)應用。

　　太陽能光伏逆變器：降低成本以擴大應用范圍，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。這些新技術包括NPC 3級/5級/多級、高頻開關拓撲結構，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拓撲結構的效率，由此實現(xiàn)節(jié)省成本的目標。結果降低了單位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構來節(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用，還具有低延遲(< 1μS)的特性。該系統(tǒng)有兩個ADC，用于對電網(wǎng)電流和電壓進行同步采樣。需要大量輸入通道來連接ADC，以便對系統(tǒng)中的多個點進行監(jiān)控——有時最多需要24個通道。為滿足該要求，我們設計了帶緩沖功能的特殊多路復用通道，并與ADC接口。

　　為了支持多級轉(zhuǎn)換和高速控制環(huán)路，需要選擇架構性能適當且具備高速運行能力的處理器內(nèi)核。在本例中，設計溫度范圍運行速率大于200 MHz的ARM Cortex-M4即可滿足該需求。[!--empirenews.page--]

　　正弦濾波器(如圖2所示)與隔離式ADC結合使用。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。

　　利用在設計時充分考慮了這種最終應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?；趯κ袌鲒厔莸牧私庖约皥詫嵉南到y(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構，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。

　　在關于發(fā)電方式的環(huán)保擔憂之外，人們還十分關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，有多個關鍵因素推動著高效電機的應用。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。就特別的電機設計和特定電機類型的選擇而言，永磁電機一直是關注重點，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和多路復用功能，結果可以在系統(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)權模塊都經(jīng)過精心設計，相互配合良好。需要的結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計，其在PWM、TRU、多路復用、緩沖、SAR ADC和DMA

　　方面有著良好的知識產(chǎn)權基礎。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.

　　結論

　　高級基礎技術只是個開端而已——芯片設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)字元件的設計、應用及優(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，針對目標終端應用進行優(yōu)化，對知識產(chǎn)權模塊進行改動，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)。