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基于DSP的数字信号控制器提供实时控制
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2017-10-25
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越来越多的实时控制应用令设计人员左右为难。这些应用既需要微控制器（MCU）的易用性和对中断的快速响应特性，又需要数字信号处理器（DSP）的强大计算能力。
伺服机构、功率因数校正和可变负载运动控制等应用都要求把DSP的计算能力与MCU的快速中断响应和数字输出特长结合在一起，所以，最初的解决方案是在应用中同时采用这两种器件。
但集成能力的提升使数字信号控制器（DSC）的开发得以实现。DSC是一种带DSP架构从而具有更强计算能力的混合型MCU器件，其性能和提供的外设范围都得到了拓展。
“起初，DSC针对的是特定市场，但现在需要实时控制的应用已不在少数，且DSC和MCU市场已开始融合。”TI C2000系列产品的营销经理Keith Ogboenyiya表示。在电源等应用领域，DSC已开始取代MCU和模拟控制系统，Ogboenyiya补充道。
微芯科技（Microchip）公司战略营销经理Steve Marsh也持相同观点。“数字电源等领域正开始从传统MCU转向DSC，而不久之后，电池管理等其他应用也将步其后尘。”Marsh说，“MCU用户已开始利用DSC内的DSP特性。”
同时，Marsh指出，传统应用对DSC的要求也越来越多。“类似电机控制等应用正在转用更先进的算法以降低传感器和电机成本，还要应对诸如可变负载等独特的负载要求。”他说。
DSC新品层出不穷
为顺应市场发展趋势，2008年Microchip和TI分别推出了20多款新型DSC器件，并计划在2009年推出更多产品。此外，飞思卡尔也有自己的DSC，而ADI有面向控制的DSP；Microchip和TI的新品使业已丰富的DSC器件锦上添花。这些新品的特点是功能更强、性能更高、售价更低，有利于拓展DSC的应用领域。
例如，Microchip的16位dsPIC33系列增加了用于电机和频率控制的脉宽调制器（PWM）、最大可达128MB的闪存，以及用于现有并行和串行数字接口和模数转换器（ADC）的正交编码器接口。dsPIC33系列还增加了音频级数模转换器（DAC）以拓展设计选择，开发人员可利用该DAC输出模拟控制信号、生成报警音（不占用PWM资源），或作为用户接口设计的一部分提供数字化语音响应。
满足市场对小体积设计日益增长的需求是Microchip新型DSC产品的另一个重点。为使封装尽量小（6x6mm／28引脚），Microchip实现了片上外设可编程引脚选择功能。该功能允许开发人员根据需要来映射I/O信号，以便在选择一种外设功能时不会制约其它功能的使用。
成本和性能是TI开发其30多款新型Piccolo系列产品的推动因素。基于其32位C2000处理器核心，Piccolo提供了高性能的DSC功能，批量购买时单价不足2美元，其封装只有48引脚。Piccolo系列于2008年12月提供样片，其存储器最大可达128 MB，且有丰富的模拟和数字I/O外设。该系列还包含一个频率和占空比精度可达150皮秒（10-9秒）的增强型PWM设计。
部分Piccolo产品采用独特的控制律加速器（CLA）技术，该技术可独立于CPU执行控制环算法。CLA是32位浮点数学加速器，具有单独的中断控制器，并能访问PWM和ADC等外设。TI称，与单独使用CPU相比，采用CLA可以把性能提升5倍。
图：TI的一些DSC内的控制环加速器具有自己的中断和外设接口，从而可使其独立于CPU工作
简化应用的工具
除了增加功能、提升性能以外，供应商还在努力工作，使传统MCU用户采用DSC设计方法时更容易。Microchip已使其开发工具集适用于其DSC和相关的MCU系列的全部产品，以便开发人员可根据特性而非可用工具选择器件。
TI采用了类似方法，使其Piccolo系列与其它基于C2000的器件代码兼容，这样，其CCStudio工具集就可以适用于所有器件。
这些工具集的一个关键特性是允许开发人员使用类似C等高级语言编写应用主体程序，而在需要最高性能的地方采用汇编语言编程。供应商还提供了丰富的库来帮助没有DSP开发经验或经验不多的开发人员简化其软件设计。这些库包括功率因数校正、电机控制和噪声抑制等应用功能代码，并提供通信协议、调制解调器和编解码器、加密及更多其它功能的系统代码。
随着越来越多的MCU用户转向采用DSC，该产品将继续改进。“消费者对我们提出各种要求，包括：新增外设和更大容量、更快的直接存储器访问和处理器速度，而在满足这些要求的同时，器件体积还要小。” Microchip的Marsh说。
不断增长的软件所需的存储器扩展能力，以及工业用户对控制器局域网协议等通信协议的需求，也在推动着DSC不断改进，TI的Ogboenyiya表示。
这样，对嵌入式实时数字控制系统设计来说，其可选功能范围将与日俱增。
伺服机构、功率因数校正和可变负载运动控制等应用都要求把DSP的计算能力与MCU的快速中断响应和数字输出特长结合在一起，所以，最初的解决方案是在应用中同时采用这两种器件。
但集成能力的提升使数字信号控制器（DSC）的开发得以实现。DSC是一种带DSP架构从而具有更强计算能力的混合型MCU器件，其性能和提供的外设范围都得到了拓展。
“起初，DSC针对的是特定市场，但现在需要实时控制的应用已不在少数，且DSC和MCU市场已开始融合。”TI C2000系列产品的营销经理Keith Ogboenyiya表示。在电源等应用领域，DSC已开始取代MCU和模拟控制系统，Ogboenyiya补充道。
微芯科技（Microchip）公司战略营销经理Steve Marsh也持相同观点。“数字电源等领域正开始从传统MCU转向DSC，而不久之后，电池管理等其他应用也将步其后尘。”Marsh说，“MCU用户已开始利用DSC内的DSP特性。”
同时，Marsh指出，传统应用对DSC的要求也越来越多。“类似电机控制等应用正在转用更先进的算法以降低传感器和电机成本，还要应对诸如可变负载等独特的负载要求。”他说。
DSC新品层出不穷
为顺应市场发展趋势，2008年Microchip和TI分别推出了20多款新型DSC器件，并计划在2009年推出更多产品。此外，飞思卡尔也有自己的DSC，而ADI有面向控制的DSP；Microchip和TI的新品使业已丰富的DSC器件锦上添花。这些新品的特点是功能更强、性能更高、售价更低，有利于拓展DSC的应用领域。
例如，Microchip的16位dsPIC33系列增加了用于电机和频率控制的脉宽调制器（PWM）、最大可达128MB的闪存，以及用于现有并行和串行数字接口和模数转换器（ADC）的正交编码器接口。dsPIC33系列还增加了音频级数模转换器（DAC）以拓展设计选择，开发人员可利用该DAC输出模拟控制信号、生成报警音（不占用PWM资源），或作为用户接口设计的一部分提供数字化语音响应。
满足市场对小体积设计日益增长的需求是Microchip新型DSC产品的另一个重点。为使封装尽量小（6x6mm／28引脚），Microchip实现了片上外设可编程引脚选择功能。该功能允许开发人员根据需要来映射I/O信号，以便在选择一种外设功能时不会制约其它功能的使用。
成本和性能是TI开发其30多款新型Piccolo系列产品的推动因素。基于其32位C2000处理器核心，Piccolo提供了高性能的DSC功能，批量购买时单价不足2美元，其封装只有48引脚。Piccolo系列于2008年12月提供样片，其存储器最大可达128 MB，且有丰富的模拟和数字I/O外设。该系列还包含一个频率和占空比精度可达150皮秒（10-9秒）的增强型PWM设计。
部分Piccolo产品采用独特的控制律加速器（CLA）技术，该技术可独立于CPU执行控制环算法。CLA是32位浮点数学加速器，具有单独的中断控制器，并能访问PWM和ADC等外设。TI称，与单独使用CPU相比，采用CLA可以把性能提升5倍。
图：TI的一些DSC内的控制环加速器具有自己的中断和外设接口，从而可使其独立于CPU工作
简化应用的工具
除了增加功能、提升性能以外，供应商还在努力工作，使传统MCU用户采用DSC设计方法时更容易。Microchip已使其开发工具集适用于其DSC和相关的MCU系列的全部产品，以便开发人员可根据特性而非可用工具选择器件。
TI采用了类似方法，使其Piccolo系列与其它基于C2000的器件代码兼容，这样，其CCStudio工具集就可以适用于所有器件。
这些工具集的一个关键特性是允许开发人员使用类似C等高级语言编写应用主体程序，而在需要最高性能的地方采用汇编语言编程。供应商还提供了丰富的库来帮助没有DSP开发经验或经验不多的开发人员简化其软件设计。这些库包括功率因数校正、电机控制和噪声抑制等应用功能代码，并提供通信协议、调制解调器和编解码器、加密及更多其它功能的系统代码。
随着越来越多的MCU用户转向采用DSC，该产品将继续改进。“消费者对我们提出各种要求，包括：新增外设和更大容量、更快的直接存储器访问和处理器速度，而在满足这些要求的同时，器件体积还要小。” Microchip的Marsh说。
不断增长的软件所需的存储器扩展能力，以及工业用户对控制器局域网协议等通信协议的需求，也在推动着DSC不断改进，TI的Ogboenyiya表示。
这样，对嵌入式实时数字控制系统设计来说，其可选功能范围将与日俱增。
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