极海半导体G32R5亮相德国慕尼黑 助力高效解决实时控制系统挑战

实时控制MCU指用于精准闭环控制的微控制器。这类芯片经过精细的设计与测试，具备卓越的稳定性和可靠性，能够以更低的时延高效完成信号采集、计算决策和执行控制。因此，它们被广泛应用于新能源、运动控制、机器人等多个领域。

近日，极海在2024德国慕尼黑国际电子元器件博览会（electronica 2024）上，展示了G32R5高性能实时控制MCU。极海实时控制产品线经理Louis LU在Power Electronics论坛上发表了《Introducing the New G32R5 Real-Time Microcontroller Based on Arm Cortex-M52 with HeliumTM Technology》（极海最新基于 Arm Cortex-M52 及支持HeliumTM技术的G32R5 实时控制MCU）的主题演讲，介绍了极海在实时控制MCU领域的战略布局，分享了G32R5如何通过技术创新高效解决实时控制系统所带来的挑战，并首次公布G32R5全信号链性能测试数据。

无处不在的实时控制

从发电侧的光伏和风力等新能源设备，到输配电系统中的无功补偿系统等核心设备，再到广泛应用于新能源汽车、自动化工厂和智能家电等的终端设备 ，实时控制MCU作为上述应用终端的核心器件，发挥着至关重要的作用。这类MCU能够精准快速地感知各类信号，执行复杂运算并实现高效闭环控制，确保系统的稳定性和可靠性，同时提升能源的利用效率和系统的响应速度。无论是在风电场实时调节发电输出，还是在自动化工厂中实现精确的生产控制，实时控制MCU都成为了推动现代智能化发展不可或缺的关键技术。

从芯片端解决实时控制系统的设计挑战

在碳中和、碳达峰等政策的推动下，实时控制应用正朝着更高能效、高功率密度、高精度、高安全与高可靠的方向快速发展。为实现这些目标，实时控制MCU需要从架构到设计上，支持如下核心特性：

1. 更低的系统时延

在实时控制系统中，从获取传感数据、处理数据、制定控制策略到输出控制，全链路的延时会直接影响系统的性能和稳定性。为了提高效率和功率密度，典型的一个做法是采用更高的开关频率并采用第三代半导体开关管，这对系统时延提出了更高的挑战。

为了实现更低的时延，MCU需要具备以下特性：

高速运算处理能力：采用高性能的处理器架构，高效和快速地处理传感器数据和执行控制算法；

优化的数据路径：设计高效的内部程序和数据通路，减少数据在不同模块之间传递的延迟；

高效的中断响应：高效的中断机制能迅速响应外部事件，降低响应时延。

2.高性能控制外设

高性能控制外设是实现精准控制，支持复杂控制策略的重要组成，包括高精度PWM（脉宽调制）、灵活可编程逻辑单元（FLB）等。

高精度PWM（HRPWM）：能够实现更细颗粒度脉宽控制，相位控制以及死区时间控制等，尤其在高开关频率及移相的应用中，ps级分辨率是确保输出精度、系统稳定性、系统效率所不可或缺的；

灵活可编程逻辑单元（FLB）：允许用户根据特定应用需求自定义组合逻辑功能，增强系统灵活性。通过这些逻辑单元，用户可以实现复杂的逻辑运算或控制策略，而不需要额外的外部硬件；

高效的模数转换器（ADC）：集成高速、高分辨率的ADC可以实时监测系统状态，确保控制精度和响应速度。

3. 灵活的IP互联

随着系统向更高效、更安全可靠方向发展，实时控制系统复杂性随之增加，为了保证不同模块之间的信息传递更加便捷、减少数据传输的瓶颈，需要保证信号能够在片内外设间灵活路由，同时减少数据在不同模块之间传递的延时；片上IP的互联，是实现更高效控制、更低系统延时、更精简的PCB布线，以及更一致的控制时序的关键。

G32R5在上述特性的支持上做了深入研究，致力于从感知端、计算端到控制端的端到端优化，实现性能的显著提升。

高能效、低时延的实时控制器平台

· 基于Arm V8.1-M架构，在保持Cortex-M4F、Cortex-M33迁移便捷的基础上，实现DSP性能2.7倍与ML性能5.6倍的提升；

· 支持ACI (Arm Customer Instructions)，这是实时控制的灵魂特性，使得芯片公司能够自主设计扩展指令集并可嵌入CPU中执行。极海基于ACI的CDE(Customer Datapath Extension)接口，将自主研发的紫电数学指令扩展单元和Cortex-M52内核完美融合，大幅提升了实时控制运算效率，并显著降低了计算时延；

· 支持TCM，包括数据TCM及指令TCM，将实时控制核心代码和数据放入TCM，可大幅提升运行效率；

· 支持Arm HeliumTM技术，有助于大幅提升SMID运算性能，降低计算时延。

在展会现场，极海还分享了G32R5内置的HRPWM、Advanced CAP、Advanced Comparator、Advanced ADC以及XBAR等高级控制IP的互联特性，并基于图腾柱PFC应用介绍了如何通过G32R5内部控制IP的互联实现峰值电流模式控制，在提升性能基础上降低整体系统成本。

与实时控制MCU领导者并肩

在会上，Louis LU表示："在实时控制MCU领域，TI的C2000系列产品以其卓越的性能和创新技术，不仅树立了行业标杆，更引领了行业的发展。我们对C2000系列的成就和贡献表示深深的敬意。"Louis LU提到其产品应用笔记中曾提出实时信号链指标，是衡量系统实时控制性能的关键，并邀请极海研发工程师尝试基于同样的代码，将两款产品进行实测对比。

得益于Arm先进的Cortex-M52处理器、极海自研高性能紫电数学指令扩展单元、以及G32R5架构及IP的优异性能，G32R5单核配置，在Flash中运行代码的相对执行周期数降低了11.5%（相对周期数越低性能越高）。

Louis LU提到："如果按240MHz主频换算，这意味着缩短了63%的控制环路执行时间！*"

为客户的开发多做一步准备

G32R5目前已经支持Keil与IAR开发调试工具，基于Eclipse的开发工具也即将发布。为了便于工程师调试，G32R5还提供了板载隔离调试器的开发板及配套的扩展板，该开发套件可用于初步方案验证，帮助用户更好了解极海芯片特性，方便开发及算法移植测试。

减少客户对G32R501的上手时间、缩短项目开发周期是极海实时控制团队的核心目标，为此极海提供了4个G32R501参考设计方案，如48V/50A双向电源，EtherCAT总线型高压伺服控制器等，为产品在智能制造、自动化与新能源领域的实际应用提供参考。

极海G32R5系列即将发布，目前已开放送样通道, 新品发布会也即将开幕，届时将分享G32R501从定义到量产过程中的精彩故事，并在现场公布更多性能测试数据。