将模拟组件与Arm微控制器内核进行集成解决嵌入式系统问题

明天嵌入式系统的设计带来了复杂的挑战，因为在性能，成本，功耗，尺寸，新功能和效率方面都有进步的积极目标。然而，有一种新兴的设计方案可以解决这些复杂问题 - 模拟组件与ARM ®微控制器内核智能集成。这种与传统模拟集成的区别在于现在提供的高性能以及为解决特定系统级问题而进行的优化。虽然每个市场都会对这些领域的订单排名进行改进，但同时满足多个因素是非常需要的，并且可以来自众多分立组件的集成。从逻辑上讲，组合部件可以解决许多嵌入式系统目标，但只需将几个分立元件和一个处理器放在一个封装中就不是答案;解决方案要复杂得多，需要智能集成。

模拟和数字智能集成

高性能模拟组件（放大器，ADC，DAC，电压基准，温度传感器）的智能集成，无线收发器等）和ARM的32位处理器内核以及合适的数字外设可以解决分立解决方案无法实现的目标。为了创建最佳的混合信号控制处理器，需要具备对整个系统的深入了解以及正确知识产权（IP）的可用性以及该知识产权的专业知识。毋庸置疑，指定这些集成器件功能的芯片设计人员和系统工程师必须非常了解最终的应用要求。该领域知识至关重要，包括对板级要求的充分理解，例如外形尺寸，温度范围，制造考虑因素，功耗，成本以及信号链中的互补元件。图1显示了智能集成设备中经常使用的模拟和数字IP模块。

正确IP的可用性为满足系统级目标提供了强大的起点。需要这个起点以保持混合信号控制处理器的开发周期短。越来越多的半导体制造商需要促进适合应用的IP本身的获取/创建和实施。然后需要修改该IP以满足两个要求。第一个是通过根据主要目标应用程序的需求优化性能和操作来最大化系统级优势。接下来是优化IP，以便与混合信号控制处理器中的其他互补IP模块一起非常好地工作。

最后，需要有业务层面的合作机会，结合系统制造商和半导体制造商的专业知识和知识，并产生优化的独特设计。

混合 - 信号控制处理器应用

有许多应用可以从集成高性能模拟和ARM微控制器内核的设备中受益，包括温度传感，压力传感，气体检测，太阳能逆变器，电机控制，医疗保健生命体征监控，汽车监控系统和燃气/水/电表。本文将介绍两个应用领域，其中优化的高性能模拟和ARM微控制器内核的集成可带来成本，功耗，尺寸和性能方面的显着优势：

太阳能光伏（PV）逆变器系统的目标是提高效率，降低物料清单（BOM）成本，并整合智能以支持与智能电网的接口。

电机控制，旨在提高环境效益和降低成本的效率。

请注意，虽然这些智能集成的混合信号设备针对特定的终端应用进行了优化，但它们也可以很好地用于与主要目标应用具有类似功能要求的众多相邻应用。

太阳能光伏逆变器：降低智能电网的广泛使用和智能成本

虽然太阳能光伏发电系统在过去五年的年增长率超过50％，但它们仍只占占全球总发电量的很小一部分。虽然在一些地区，太阳能光伏发电已经达到与化石燃料发电成本相当的水平，但在大多数地区，它并没有，而且通常这种平价依赖于政府补贴。

为了更好地与传统能源竞争，如天然气，煤炭和石油，太阳能光伏发电的成本降低最好通过提高效率和降低系统BOM成本来实现。随着面板本身的成本和效率朝着正确的方向发展，新技术也有望推动太阳能光伏逆变器的发展 - 太阳能电池板产生的电力与电网之间的界面。这些新技术包括NPC 3级/ 5级/多级，高频开关拓扑，利用基于碳化硅（SiC）和亚硝酸镓（GaN）材料的快速功率晶体管。

图2显示了两个阶段太阳能光伏逆变系统。来自面板的电源（基本上是直流电源）被转换为交流电，因此可以将其馈送到电网。第一级是DC-DC转换，可提高电压电平，使其与电网上的峰值电压兼容。第二阶段是直流到交流转换。红色部分显示了用于控制的低压元件，当它们组合成一个混合信号控制处理器时，可以在系统级别上获益。通过将多个组件集成到单个设备中以及通过提高新的高速开关拓扑的效率来节省成本。结果是降低了每千瓦的安装成本。考虑到可以使用更小的电感器，新拓扑结构也可以节省成本。这样可以节省BOM成本，并且还可以减小逆变器的尺寸。

高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC非常适合这种应用，因为它们提供了正确的精度（13 ENOB），快速的转换速度以支持更高频率的控制环路，支持能力多输入通道的多路复用和低延迟（<1μS）。该系统有两个ADC，用于同时对电网上的电流和电压进行采样。需要大量的ADC输入通道来监控系统中的多个点 - 在某些情况下最多可监控24个模拟通道。设计了与缓冲相关的特殊复用，并与ADC连接以支持这一要求。

为了支持多级转换和高速控制环路，具有正确架构性能和功能的处理器内核需要选择高速运行。在这种情况下，ARM Cortex ™ -M4设计用于在整个温度范围内运行超过200MHz，将满足需求。

sinc滤波器，如图2所示，用于与隔离ADC组合。这允许测量电网上的交流和直流注入，以避免变压器饱和。传统的方法是使用霍尔效应电流传感器，但与隔离ADC相比，这是昂贵的。这假设sinc滤波器集成在混合信号控制处理器中，以可编程逻辑的形式避免了BOM中的额外芯片。 ADC sinc滤波器组合的隔离还提供了一个额外的好处，即改善了霍尔效应传感器的线性度，从而减少了谐波失真。

随着电网变得越来越智能，太阳能光伏逆变器将需要更多智能来帮助解决电网不平衡问题。也就是说，可以从多个源获得比所需更多的功率。出于这个原因，人们关注光伏系统智能，着眼于电网整合，电网的每个贡献者必须合作以稳定电网。电网整合需要更好地测量，控制和分析馈送到电网的能量质量。专门用于监控注入电网的功率质量的谐波分析引擎有助于满足这一需求。通过计算许多变量，包括谐波失真，功率，均方根电压，均方根电流，VAR，VA和功率因数，可以监控功率质量。执行这些计算的专用引擎可以在卸载ARM Cortex-M4内核时执行此任务，从而提供非常高的精度。

太阳能逆变器可以通过混合信号控制在系统级别上获益匪浅考虑到此最终应用程序而设计的处理器。了解市场趋势和可靠的系统知识可以使智能集成芯片能够支持具有低芯片数量的下一代拓扑，同时还增加了支持与智能电网接口的功能。

电机控制：提高效率为了更好的环境和终身成本节约

除了关于如何产生能量的环境问题之外，还有人担心能源的使用效率如何。鉴于电机占全球用电量的40％，提出的问题是如何使这些系统更加环保。答案是使它们更有效，因此使用的能量更少。广泛使用更高效电机的节省大量测量：数千亿小时的电力节省和数百万的CO 2 释放到大气中每年吨。更高效电机的影响显然非常显着。

具体而言，使用更高效的电机有几个关键驱动因素。一个推动力是由环境问题驱动的政府立法。欧盟制定了相关法规，未来还有更多法规要求使用更高效的电机系统。另一个关键驱动因素是终身成本优势电机控制系统成本的近似值为材料的15％和基于操作所用能量的85％。因此，具有更高效率的电机系统寿命成本降低的潜力巨大。

通过特殊电机设计，电机类型选择，可调速驱动器（ASD）的增加，可以实现更高的效率对于没有这种控制的系统，以及优化效率的控制算法。在特殊电机设计和特定类型电机的选择方面，永磁电机一直是人们关注的焦点，并且使用量一直在增加。永磁电机的效率可高达96％，超过欧洲的高效率标准（IE3）。

智能集成的混合信号控制处理器为ASD和控制算法提供了潜在的改进。基于ARM的CPU子系统，PWM，ADC和多路复用的经济高效的集成转换为ASD的系统级BOM减少。

通过使用具有快速转换时间的高精度ADC，可以改善控制算法。这导致整个电动机系统的效率提高。精度高于12位的ADC可提高控制相电流的精度。但是，样本转换延迟无法以更高的准确度进行折衷。这消除了平均或过采样的ADC选项，以提高SNR。变量需要以终端机器移动的速率进行测量（例如，拾取和放置机器）。快速转换时间与快速ARM微控制器内核相辅相成，使控制环路运行速度更快，从而实现更好的响应和建立时间。反过来，这可以提高制造生产线系统的产量和效率，从而降低生产成本。

与太阳能光伏应用一样，SAR ADC是电机控制的理想选择。在电机控制情况下，可以设计高性能SAR ADC扫描，无需进行平均或过采样即可满足要求。

图3中的各种IP模块经过精心设计，可以很好地协同工作。期望的结果是一个非常灵活的仪器子系统，可以获取多个精确调度的样本并将它们有效地传送到ARM的主存储器。对于电机控制，可以在PWM周期中的精确指定点同步采样相绕组电流和其他测量。然后，可以将没有开销的采样数据有效地移动到微控制器的存储器进行处理。混合信号控制处理器中的五个不同模块需要协同工作才能完成这项任务。

循环从发送到触发路由单元（TRU）的PWM脉冲开始，该脉冲单元的作用是将触发器主控器连接到触发从器件。在这种情况下，PWM是触发主机，ADC控制器（ADCC）定时器是触发从机。 ADCC需要能够管理大量事件并使用定时器（TMR0 / TMR1）来跟踪PWM触发器启动特定ADC事件的时间。通过与特定事件匹配的定时器，可选择ADC输入多路复用（M0和M1）和通道（ADC0和ADC1）。转换开始信号随后被发送到ADC。采样数据从ADC移至ADCC，然后通过DMA从ADCC移至微控制器SRAM。

下面的图4显示了由ADCC控制的PWM脉冲，PWM同步和ADC事件之间的相对时序。

良好的基本IP起始点可用于PWM，TRU，多路复用，缓冲，SAR ADC和DMA，用于设计针对电机控制的混合信号控制处理器。然而，为了实现PWM周期内ADC采样的精确定时所需的协调水平，这些块的特定设计修改是必要的。对ADCC模块的需求是基于其他IP模块集成到单个芯片中并需要协调的事实。 ADCC专为满足此要求而设计，并充分利用两个ADC转换器的高速转换，转换时间为380 ns。

结论

先进的基础技术只是起点 - 芯片设计人员必须具备广泛的客户系统知识，并在精密模拟和数字组件的设计，应用和优化方面拥有深厚的专业知识。此外，硅制造商必须愿意并能够与系统制造商直接互动和协作以创建新产品。选择最合适的组件，对目标最终应用程序进行优化，并修改IP块以便一起工作。只有这样才能集成优化的部件。这些智能集成产品的例子可以在ADI公司找到，包括ADuCM360，一个完全集成的3.9 kSPS，24位数据采集系统，以及集成双高精度的ADSP-CM403F和ADSP-CM408F混合信号控制处理器16位ADC和ARM Cortex-M4处理器内核。欲了解更多信息，请访问www.analog.com。