【導讀】說起實時控制系統，大家也許無法給出嚴謹的定義，但是一定不會陌生。比如一踩油門或剎車，汽車馬上就能無延遲地加速和減速；或者是在智能工廠中，機械臂及時精準地走位和工作——這些操作的背后都是實時控制系統在發揮作用。
對于實時控制系統，一種比較簡單的理解就是：在規定的時間窗口內，完成一個閉環控制系統信號鏈的處理流程。如果超出或者錯過了這個時間窗口，就會對系統的穩定性、精度、效率和可靠性帶來不利的影響。
實時控制系統的設計挑戰
典型的實時控制系統包括感知、處理、驅動和通信四個部分。
● 感知
通過準確而精密的測量，獲取電壓、電流、電機轉速或溫度等關鍵技術參數，以便在特定時間點為系統提供可靠的數據。
● 處理
將感知獲取的數據輸入主控單元進行計算和處理，進而及時得出決策的指令。優化的算力（包括硬件和軟件資源）有助于確保系統能夠滿足數毫秒甚至數微秒超短時間窗口的實時性要求。
● 驅動
將經由計算得出的指令傳輸反饋給系統，作為控制輸出驅動下一級電路或執行機構做出正確而快速的反應。通過調整脈寬調制器（PWM）單元的占空比去驅動電力電子器件，就是一個典型的驅動應用示例。
● 通信
通過高速通信接口（例如快速串行接口或以太網）實現系統內部組件之間或與外部設備之間的互聯通信，盡管通信組件不直接參與系統控制，但在確保確定性和實時性方面也尤為關鍵。
圖1：實時控制環路的主要功能塊
（圖源：TI）
電力電子系統是實時控制系統的一個典型的應用場景。在工業控制、新能源汽車、再生能源等應用的電源管理和電機控制系統中，實時控制是實現系統高效、可靠運行的基礎。如果將實時控制與SiC和GaN等新型功率半導體技術相結合，對于提高功率密度和效率，盡可能地降低系統功損，實現節能減碳的目標將大有幫助。
而實現上述實時控制應用的目標，進一步提高控制系統的響應速度，就需要不斷縮短執行動作的時間窗口。以現代電機驅動系統為例，今天高精度、高速度的數控機械可在轉速超過20,000RPM的情況下實現低于5μm的精度，這就要求將信號測量和系統調整之間的延時控制在1μs以內，這樣的設計要求對于實時控制系統是不小的挑戰。
圖2：一個機械臂實時控制系統快速電流環路示意
（圖源：TI）
理想的實時控制器平臺
想要在感知、處理、驅動和通信構成的整個實時系統中，實現更低的延遲，保證更高的性能、效率和可靠性，就需要有一個理想的技術平臺作為支撐。Texas Instruments（以下簡稱TI）的C2000? 實時微控制器就是一個理想的選擇，其定位就是“可在工業和汽車應用中實現數字電源和電機控制的實時MCU”。
如上文所述，實時控制的關鍵就是盡可能縮短感知、處理和驅動控制所需的時間——也就是實時信號鏈的延遲。這一整個過程中，每一個環節的表現對于整體系統性能都至關重要。也就是說，實時MCU平臺的設計不僅是簡單地“壓縮”主處理單元完成控制算法所需的時間，更是要對整個實時信號系統都進行優化。
C2000實時MCU在產品設計時，就充分考慮到了實時信號鏈中的各種要素。
圖3：C2000實時MCU的主要特性
（圖源：TI）
在感知方面，C2000的采樣子系統集成了可將受控外部系統（模擬域）的狀態轉換為實時控制器所使用數據（數字域）所需的一系列模擬模塊，包括：多個12或16位ADC、比較器、Σ-Δ解調器、正交編碼器脈沖測量器（eQEP）和時間捕獲（eCAP）等，它們能夠確保C2000精準地采集到電壓、電流等關鍵信號，即使在無需CPU干預的情況下，也能夠迅速將這些信號交由主控MCU做處理。
圖4：C2000集成的模擬功能支持精準高速感測
（圖源：TI）
在處理方面，C2000實時MCU采用C28xDSP（數字信號處理器）內核作為主處理單元，支持32位浮點（部分器件支持64位浮點）或定點運算，具有專門為實時控制應用定制的指令；而且C2000優化的三角數學單元（TMU）擴展指令集可支持在變換和扭矩環路計算中常見的三角數學函數，以實現更高的處理效率。
同時，C2000中還集成了專精于實時代碼處理的控制律加速器（CLA），可以實現基于狀態機的32位浮點協處理器功能，能夠獨立于C28x內核運行C28x擴展指令，有利于為主CPU“減負”，使其有余力去完成其他系統任務；而Viterbi和CRC單元（VCU）也可以減少實時MCU復雜數學方程式運算的周期數，以加速整個實時處理的過程。
圖5：C2000的實時處理功能
（圖源：TI）
實時MCU中的驅動控制功能通常是通過脈寬調制（PWM）輸出完成的，也可以通過片上數模轉換器（DAC）的輸出，或GPIO引腳來完成。C2000可支持多達32通道的高靈活性、高精度的PWM，最高控制精度（分辨率）可達150ps。而且C2000中的PWM與模擬外設是緊耦合的，比如比較器檢測到過流保護就可以實現快速關斷。開發者還可以利用C2000提供的可配置邏輯塊（CLB）在硬件域的內部信號節點上運行的一組查找表和狀態機邏輯，以實現更優的控制功能。
圖6：C2000的PWM功能框圖
（圖源：TI）
在實時控制系統中，通信接口模塊的集成和合理應用，可以提升數據的傳輸和利用的效率，盡可能地減少可能影響控制環路的資源開銷。C2000支持各種業界主流的接口，包括以太網、CAN、CAN-FD、LIN、USB、FSI等，并在豐富的產品組合中提供不同的接口配置，方便開發者根據應用所需進行選擇。
圖7：C2000支持的通信接口
（圖源：TI）
細心的小伙伴可能已經發現，上文在介紹四個主要功能時，提及了一個可配置邏輯塊（CLB）的概念，這也是C2000在系統架構上值得稱道的一大創新點。
CLB顧名思義，就是在C2000芯片的內部創建了一種靈活的自定義邏輯機制，用戶可以利用其在MCU內部的硬件中添加個性化的定制邏輯電路。開發者利用CLB既可以增強現有子系統（如創建T-format絕對編碼器接口或脈沖序列輸出）；也可以創建新的子系統，為C2000增添全新的外設功能（如用CLB實現有源EMI濾波器，減少數字電源應用中的EMI）；還可以作為一些外圍邏輯器件的替代，簡化系統BOM（如自定義邏輯替換外部PWM保護電路）。這就使得C2000既保持了自身優勢，又能夠兼具FPGA等競爭性方案的特性，滿足用戶更多個性化的設計需求，在實時控制應用中凸顯出競爭優勢。
圖8：C2000架構中的CLB集成
（圖源：TI）
此外，作為MCU領域的資深“玩家”，TI深知一個完善的開發生態系統的重要性，因此在不斷擴充芯片硬件產品線的同時，在開發工具、嵌入式軟件、相關培訓及專家支持等方面，一直與第三方合作伙伴聯手深耕不輟，為開發者和用戶輸出豐富的資源。
圖9：C2000豐富的設計生態資源
（圖源：TI）
特別值得一提的是，很多實時系統都有功能安全設計與認證方面的要求。TI基于自身的經驗和積累，在功能安全合規型產品、文檔、軟件以及咨詢等方面可以為客戶提供全面的支持，簡化和加快ISO 26262、IEC 61508和IEC 60730認證流程，加速產品開發。這無疑也是一個很有吸引力的“增值”服務。
C2000中的明星產品
經過20多年的精心打磨，今天TI的C2000實時MCU已經發展成了一個龐大的產品家族，涵蓋高中低不同性能等級和價位的產品，為客戶的應用設計帶來了極大的靈活性，也為開發者探索更多新興的應用帶來了極大的可擴展性。今天，我們就與大家分享幾款C2000實時MCU中的明星產品。
圖10：C2000實時MCU主要產品
（圖源：TI）
TMS320F28002x 32位實時MCU
從圖10中可以看到，TMS320F28002x是C2000實時MCU中的入門級產品，其基于32位C28x DSP內核，為通過片上閃存或SRAM運行的浮點或定點代碼提供100MHz信號處理性能。三角函數數學單元（TMU）和VCRC（循環冗余校驗）擴展指令集進一步增強了C28x CPU的性能，從而加快了實時控制系統關鍵常用算法的速度。
在模擬功能方面，該器件集成了與處理和PWM單元緊密耦合的高性能模擬模塊，從而提供更佳的實時信號鏈性能。在驅動控制方面，14個PWM通道均支持與頻率無關的分辨率模式，可控制從三相逆變器到高級多級電源拓撲的各種功率級。
TMS320F28002x集成了各種業界通用通信端口（如SPI、SCI、I2C、PMBus、LIN和CAN），不僅支持廣泛的連接，還提供了多個引腳復用選項，可實現出色的信號布局。同時，快速串行接口（FSI）可跨隔離邊界實現高達200Mbps的穩健通信。
該實時MCU還提供符合AEC-Q100認證的TMS320F28002x-Q1車規級產品，可以很好地滿足汽車實時控制的設計要求。
圖11：TMS320F28002x功能框圖
（圖源：TI）
TMS320F2838x 32位實時MCU
TMS320F2838x是C2000家族中的中高階產品，其采用了雙核C28x架構，提供200MHz的主頻，具有三角函數加速器（TMU）和VCRC（循環冗余校驗）擴展指令集。
TMS320F2838x中還集成了兩個CLA實時控制協處理器，會對外設觸發器作出響應，并與主C28x CPU同時執行代碼。這種并行處理功能可大幅提升實時控制系統的計算性能，并減輕主C28x CPU的負荷，使其可以執行通信和診斷等其他任務。這種雙“C28x + CLA”架構支持在各種系統任務之間進行智能分區，如一個C28x + CLA內核可以跟蹤速度和位置，而另一個C28x + CLA內核可用于控制扭矩和電流環路，十分靈活和高效。
在通信接口方面，TMS320F2838x加入了EtherCAT從站控制器，以及其他業界通用協議（如CAN-FD和USB 2.0），同樣支持200Mbps的FSI通信。該器件還包含一個基于ARM? Cortex?-M4的獨立連接管理器（CM），以125MHz主頻運行，借助其專用的閃存和SRAM，完全獨立地控制TMS320F2838x的接口，從而讓C28x DSP可以將更多的資源投入到實時控制處理中。
在高性能模擬和驅動控制外設方面，TMS320F2838x的主要功能包括：32個與頻率無關的PWM通道，提供多功率級控制；四個獨立16位ADC，可準確、高效地管理多個模擬信號，提高系統吞吐量；Σ-Δ濾波器模塊（SDFM）與Σ-Δ調制器搭配使用，可實現隔離式電流分流測量；借助帶窗口比較器的比較器子系統（CMPSS），可在超過或不符合電流限制條件時保護功率級；此外還包括DAC、eCAP、eQE等其他外設。
TMS320F2838x-Q1是該產品系列中的車規級器件，符合汽車應用類AEC-Q100認證。
圖12：TMS320F28002x功能框圖
（圖源：TI）
TMS320C2834x Delfino? 微控制器
TMS320C2834x Delfino? 微控制器是較早推出的實時MCU產品，其能夠提供高達300MHz的浮點運算性能，具有高達516KB的片上RAM，同樣具有豐富的片上外設和低延遲的C28x內核，是需要高性能實時控制應用的理想解決方案。
與其他的C2000實時處理器不同，TMS320C2834x沒有片上閃存和集成的ADC（提供外部ADC接口），可以為一些特定的應用設計提供更大的靈活性。
TMS320C2834x主要特性如下：
● 300MHz的C28x內核可提供快速中斷響應、低時延、復雜控制算法執行，以及實時數據分析；
● 32位浮點單元可簡化幅度計算的編程，消除擴展與飽和負載并提高諸如派克轉換（Park transforms）與比例積分微分（PDI）等算法的性能；
● 516KB片上單周期存取RAM可實現高速程序執行以及數據存取等功能；
● 高度靈活的65ps高分辨率PWM模塊可實現出色的精確度；
● CAN、I2C、SPI以及標準串行接口（SCI）外設可針對系統通信管理提供便捷的連接；
● 外部ADC接口使開發人員能夠靈活選擇TI各種系列的高精度模數轉換器；
● 與C2000平臺產品代碼兼容，有助于開發人員便捷地進行產品線擴展。
圖13：TMS320C2834x Delfino? 微控制器
（圖源：TI）
本文小結
在當今的電力電子領域，人們對于實時控制的訴求越來越高，這也在推動技術供應商提供更優秀的平臺化解決方案，對包括感知、處理、驅動控制，以及通信接口在內的完整的實時信號鏈及其相關要素進行優化，以減少延遲并提供足夠的控制精度。這也是高效率、高性能、高可靠電源管理和電機驅動應用的技術基石。
TI的C2000實時MCU為此類精準的實時控制應用提供了一個理想的解決方案。高算力的CPU內核、為實時控制專門打造的協處理器和指令集、靈活可編程的CLB功能、高性能和高度集成的模擬和控制外設、豐富的通信接口……這些隨著應用發展而不斷迭代升級的功能，讓你有十足的信心去應對各種嚴苛的實時信號鏈設計的挑戰。
來源：Mouser
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