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(biāo)，未來嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)面臨著復(fù)雜的挑戰(zhàn)。不過，一種有望解決這些復(fù)雜問題的設(shè)計(jì)選項(xiàng)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(jí)問題。雖然每個(gè)市場(chǎng)對(duì)這些提升領(lǐng)域的優(yōu)選次序都有著自己的認(rèn)識(shí)，但同時(shí)滿足多個(gè)因素的要求實(shí)為眾望所歸，可以通過集成多個(gè)分立式元件來實(shí)現(xiàn)。從邏輯上講，組合多個(gè)器件可以實(shí)現(xiàn)這些嵌入式系統(tǒng)目標(biāo)中的一大部分，但只是簡(jiǎn)單地把多個(gè)分立式元件與一枚處理器集成到一個(gè)封裝之中，這并非答案所在；解決方案要復(fù)雜得多，需要智能集成。

　　高性能模擬元件(放大器、ADC、DAC、基準(zhǔn)電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器等)與ARM32位處理器內(nèi)核的智能集成，再加上正確的數(shù)字外設(shè)，這種方式可以實(shí)現(xiàn)分立式解決方案無法望塵莫及的目標(biāo)。為了構(gòu)造出最佳混合信號(hào)控制處理器，不但需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有著深入的了解，需要知曉是否有正確的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)可用，同時(shí)還具備有關(guān)該知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專業(yè)知識(shí)。

　　毫無疑問，負(fù)責(zé)為這些集成器件制定功能要求的芯片設(shè)計(jì)師和系統(tǒng)工程師必須對(duì)最終應(yīng)用需求有著充分的了解。這種領(lǐng)域知識(shí)至關(guān)重要，包括對(duì)電路板級(jí)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(hào)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(duì)目標(biāo)應(yīng)用而優(yōu)化的模數(shù)組合式IP

　　有正確的知識(shí)產(chǎn)權(quán)可用，這是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)目標(biāo)的有力起點(diǎn)。這個(gè)起點(diǎn)是縮短混合信號(hào)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(yīng)用的知識(shí)產(chǎn)權(quán)本身的獲取/形成和實(shí)施需要由半導(dǎo)體制造商來協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上，還需要對(duì)這些知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行調(diào)整以滿足兩點(diǎn)具體要求。第一點(diǎn)是基于主要目標(biāo)應(yīng)用的需求優(yōu)化性能和運(yùn)行，由此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)效益的最大化。第二點(diǎn)是優(yōu)化知識(shí)產(chǎn)權(quán)，使其與混合信號(hào)控制處理器中的其他補(bǔ)充性知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊良好、方便兼容。最后，在業(yè)務(wù)層需要有協(xié)調(diào)機(jī)會(huì)，將系統(tǒng)制造商與半導(dǎo)體制造商的專長(zhǎng)和知識(shí)有機(jī)地結(jié)合起來，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)特的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　有許多應(yīng)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(cè)、壓力檢測(cè)、氣體檢測(cè)、太陽(yáng)能逆變器、電機(jī)控制、醫(yī)療生命體征監(jiān)護(hù)、汽車監(jiān)控系統(tǒng)以及水表/電表/氣表。本文將重點(diǎn)考察電機(jī)控制的應(yīng)用領(lǐng)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(gè)方面帶來極大的優(yōu)勢(shì)。

　　電機(jī)控制，其目標(biāo)是提高效率以促進(jìn)環(huán)保事業(yè)，以及降低成本。請(qǐng)注意，盡管這些智能集成混合信號(hào)器件是針對(duì)具體的最終應(yīng)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(biāo)應(yīng)用的關(guān)聯(lián)應(yīng)用。

　　在關(guān)于發(fā)電方式的環(huán)保擔(dān)憂之外，人們還十分關(guān)心能源的使用效率問題。鑒于電機(jī)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(jī)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(shí)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(jī)的影響具有十分重要的意義。

　　具體地，有多個(gè)關(guān)鍵因素推動(dòng)著高效電機(jī)的應(yīng)用。其中一個(gè)是環(huán)保問題推動(dòng)的政府立法。歐盟已經(jīng)實(shí)施相應(yīng)的法規(guī)，將來還會(huì)實(shí)施更多法規(guī)，強(qiáng)制要求使用更高效的電機(jī)系統(tǒng)。另一個(gè)關(guān)鍵推動(dòng)因素是全壽命成本優(yōu)勢(shì)。在電機(jī)控制系統(tǒng)的成本中，材料約占15%，運(yùn)行所用能源成本占85%。可見，通過提高效率，降低電機(jī)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(jī)設(shè)計(jì)，電機(jī)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(dòng)器(ASD)，以及針對(duì)效率而優(yōu)化的控制算法。就特別的電機(jī)設(shè)計(jì)和特定電機(jī)類型的選擇而言，永磁電機(jī)一直是關(guān)注重點(diǎn)，其使用呈增長(zhǎng)之勢(shì)。永磁電機(jī)的效率最高可達(dá)96%，超過了歐洲超高效能效標(biāo)準(zhǔn)(IE3)。

　　智能集成式混合信號(hào)控制處理器有可能實(shí)現(xiàn)ASD和控制算法的改進(jìn)。以成本優(yōu)勢(shì)明顯的方式集成基于ARM的CPU子系統(tǒng)、PWM、ADC和多路復(fù)用功能，結(jié)果可以在系統(tǒng)層省去ASD的物料成本。

　　利用轉(zhuǎn)換時(shí)間較快的高精度ADC，可以改進(jìn)控制算法。結(jié)果可增進(jìn)電機(jī)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?yè)Q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(jī)器(比如，貼片機(jī))

　　的運(yùn)動(dòng)速率來測(cè)量變量。快速轉(zhuǎn)換時(shí)間，加上快速ARM微控制器內(nèi)核，可以加快控制環(huán)路的運(yùn)行速率，改進(jìn)響應(yīng)時(shí)間，縮短建立時(shí)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(yáng)能光伏應(yīng)用一樣，SARADC是電機(jī)控制的良好選擇。在電機(jī)控制的例子中，可以設(shè)計(jì)出高性能SARADC，無需均值或過采樣也可達(dá)到要求。

　　圖2中的各種知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊都經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，相互配合良好。需要的結(jié)果是一種高度敏捷的儀器儀表子系統(tǒng)，可以采集多個(gè)計(jì)劃精確的采樣，并高效地將其交付給ARM的主存儲(chǔ)器。對(duì)于電機(jī)控制，相位繞組電流和其他測(cè)量值均可在PWM周期中的精確指定點(diǎn)進(jìn)行同步采樣。在此基礎(chǔ)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(chǔ)器以進(jìn)行處理。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，混合信號(hào)控制處理器中有5個(gè)不同的模塊需要協(xié)同工作。

　　圖2 電機(jī)控制系統(tǒng)功能框圖

　　周期開始時(shí)，發(fā)送一個(gè)PWM脈沖到觸發(fā)路由單元(TRU)，后者負(fù)責(zé)將觸發(fā)主機(jī)連接至觸發(fā)從機(jī)。在本例中，PWM為觸發(fā)主機(jī)，ADC控制器(ADCC)定時(shí)器為觸發(fā)從機(jī)。ADCC需要具備管理大量事件的能力，并使用定時(shí)器(TMR0/TMR1)來跟蹤從PWM觸發(fā)到啟動(dòng)特定ADC事件所需時(shí)間。在定時(shí)器與特定事件相匹配的情況下，選擇的是ADC輸入多路復(fù)用(M0和M1)和通道(ADC0和ADC1)。接下來，將轉(zhuǎn)換開始信號(hào)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3所示為PWM脈沖、PWM同步和ADCC所控制ADC事件之間的相對(duì)時(shí)序。

　　圖3 用ADC對(duì)5個(gè)不同電機(jī)控制變量進(jìn)行采樣的時(shí)序

　　對(duì)于面向電機(jī)控制的混合信號(hào)控制處理器設(shè)計(jì)，其在PWM、TRU、多路復(fù)用、緩沖、SARADC和DMA

　　方面有著良好的知識(shí)產(chǎn)權(quán)基礎(chǔ)。然而，為了在PWM周期中實(shí)現(xiàn)ADC采樣的精密時(shí)序，必須對(duì)這些模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行特別的改動(dòng)。ADCC模塊的必要性是有事實(shí)依據(jù)的，即其他知識(shí)產(chǎn)權(quán)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(duì)這一要求而設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了兩個(gè)ADC引擎的高速優(yōu)勢(shì)，這些ADC引擎的轉(zhuǎn)換時(shí)間快達(dá)380ns。

　　結(jié)論

　　高級(jí)基礎(chǔ)技術(shù)只是個(gè)開端而已——芯片設(shè)計(jì)師必須對(duì)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(shè)計(jì)、應(yīng)用及優(yōu)化方面具備深厚的專業(yè)知識(shí)。另外，芯片制造商必須愿意并有能力與系統(tǒng)制造商進(jìn)行直接互動(dòng)和協(xié)作，共同打造新型產(chǎn)品。選用最合適的元件，針對(duì)目標(biāo)終端應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)模塊進(jìn)行改動(dòng)，使其默契配合。只有這些條件得到滿足，才能將優(yōu)化的獨(dú)立元件有機(jī)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3.9kSPS、24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))以及ADSP-CM403F和ADSP-CM408F(集成兩個(gè)高精度16位ADC和ARMCortex-M4處理器內(nèi)核的混合信號(hào)控制處理器)。