將模擬組件與Arm微控制器內(nèi)核相結(jié)合解決嵌入式系統(tǒng)問題

鑒于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率方面的積極改進目標，未來嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計提出了復(fù)雜的挑戰(zhàn)。然而，有一種新興的設(shè)計選項可以解決這些復(fù)雜問題 - 模擬組件與ARM微控制器內(nèi)核智能集成。這種集成與傳統(tǒng)模擬集成之間的區(qū)別在于現(xiàn)在提供的高性能水平以及為解決特定系統(tǒng)級問題而進行的優(yōu)化。雖然每個市場都有自己的訂單排名來改善這些領(lǐng)域，但同時滿足多個因素是非?？扇〉?，并且可以來自眾多分立元件的集成。從邏輯上講，組合器件可以解決許多嵌入式系統(tǒng)目標，但簡單地將多個分立元件和一個處理器放在一個封裝中并不是答案;該解決方案要復(fù)雜得多，需要智能集成。

模擬和數(shù)字的智能集成

將ARM的高性能模擬元件（放大器、ADC、DAC、基準電壓源、溫度傳感器、無線收發(fā)器等）和32位處理器內(nèi)核與合適的數(shù)字外設(shè)智能集成，可以實現(xiàn)分立式解決方案無法實現(xiàn)的目標。為了創(chuàng)建最佳的混合信號控制處理器，需要對整個系統(tǒng)有深入的了解，以及正確的知識產(chǎn)權(quán)（IP）的可用性，以及該知識產(chǎn)權(quán)方面的專業(yè)知識。毋庸置疑，指定這些集成器件特性的芯片設(shè)計人員和系統(tǒng)工程師必須對最終應(yīng)用要求有非凡的理解。該領(lǐng)域知識至關(guān)重要，包括對電路板級要求的深入理解，例如外形尺寸、溫度范圍、制造考慮因素、功耗、成本和信號鏈中的互補組件。圖1顯示了智能集成設(shè)備中常用的模擬和數(shù)字IP模塊。

圖1.智能集成：模擬和數(shù)字 IP 相結(jié)合，針對目標應(yīng)用進行了優(yōu)化。

正確 IP 的可用性為滿足系統(tǒng)級目標提供了堅實的起點。為了縮短混合信號控制處理器的開發(fā)周期，需要這個起點。半導(dǎo)體制造商越來越多地需要為適合應(yīng)用的IP本身的獲取/創(chuàng)建和實施提供便利。然后需要修改此 IP 以滿足兩個特別的要求。第一種是根據(jù)主要目標應(yīng)用的需求優(yōu)化性能和操作，從而最大限度地提高系統(tǒng)級優(yōu)勢。其次是優(yōu)化IP，使其與混合信號控制處理器中的其他互補IP模塊很好地和非常容易地工作。

最后，需要在業(yè)務(wù)層面提供協(xié)作機會，將系統(tǒng)制造商和半導(dǎo)體制造商的專業(yè)知識和知識結(jié)合起來，從而產(chǎn)生優(yōu)化的獨特設(shè)計。

混合信號控制處理器應(yīng)用

將高性能模擬與ARM微控制器內(nèi)核集成在一起的器件使許多應(yīng)用受益，包括溫度檢測、壓力檢測、氣體檢測、太陽能逆變器、電機控制、醫(yī)療保健生命體征監(jiān)測、汽車監(jiān)測系統(tǒng)和燃氣表/水表/電表。本文將探討兩個應(yīng)用領(lǐng)域，其中優(yōu)化的高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的集成在成本、功耗、尺寸和性能方面具有顯著優(yōu)勢：

用于太陽能光伏 （PV） 系統(tǒng)的逆變器，其目標是提高效率、降低物料清單 （BOM） 成本以及集成智能以支持與智能電網(wǎng)的接口。

電機控制，其目標是提高效率，實現(xiàn)環(huán)境效益和降低成本。

請注意，雖然這些智能集成的混合信號器件針對特定的終端應(yīng)用進行了優(yōu)化，但它們也可以很好地適用于與主要目標應(yīng)用具有相似功能要求的眾多相鄰應(yīng)用。

太陽能光伏逆變器：降低成本，實現(xiàn)智能電網(wǎng)的更廣泛使用和智能化

雖然太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在過去五年中的年增長率超過50%，但它們?nèi)匀恢徽既蚩偘l(fā)電量的很小一部分。盡管在一些地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電的成本已經(jīng)達到與化石燃料發(fā)電相當?shù)乃剑诖蠖鄶?shù)地區(qū)還沒有，而且這種平價通常取決于政府補貼。

為了更好地與天然氣、煤炭和石油等傳統(tǒng)能源競爭，太陽能光伏發(fā)電的成本降低最好通過提高效率和降低系統(tǒng)BOM成本來實現(xiàn)。隨著電池板本身的成本和效率朝著正確的方向發(fā)展，新技術(shù)也有望推動太陽能光伏逆變器的發(fā)展，太陽能光伏逆變器是太陽能電池板產(chǎn)生的電力與電網(wǎng)之間的接口。這些新技術(shù)包括NPC 3電平/5電平/多電平高頻開關(guān)拓撲，利用基于碳化硅（SiC）和亞硝酸鎵（GaN）材料的快速功率晶體管。

圖2顯示了一個兩級太陽能光伏逆變器系統(tǒng)。來自面板的電力（本質(zhì)上是直流電源）被轉(zhuǎn)換為交流電，因此可以饋送到電網(wǎng)。第一級是DC-DC轉(zhuǎn)換，可提高電壓電平，使其與電網(wǎng)上的峰值電壓兼容。第二階段是DC-AC轉(zhuǎn)換。紅色輪廓區(qū)域顯示了用于控制的低壓組件，當它們組合到單個混合信號控制處理器中時，可以在系統(tǒng)級別上帶來好處。通過將多個組件集成到單個器件中以及通過提高新型高速開關(guān)拓撲的效率，可以節(jié)省成本。結(jié)果是降低了每千瓦的安裝成本。由于可以使用更小的電感器，因此使用新拓撲還可以節(jié)省成本。這節(jié)省了BOM成本，并允許減小逆變器的尺寸。

圖2.臺式太陽能光伏逆變器系統(tǒng)框圖;紅色區(qū)域顯示用于智能集成的目標 D 塊。

高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC非常適合此應(yīng)用，因為它們提供適當?shù)木人剑?3 ENOB）、支持更高頻率控制環(huán)路的快速轉(zhuǎn)換速度、支持多個輸入通道多路復(fù)用的能力以及低延遲（<1μS）。該系統(tǒng)具有兩個ADC，用于同時對電網(wǎng)上的電流和電壓進行采樣。為了監(jiān)控系統(tǒng)中的多個點，ADC需要大量輸入通道，在某些情況下多達24個模擬通道。為了滿足這一要求，設(shè)計了帶緩沖的特殊多路復(fù)用器并與ADC接口。

為了支持多級轉(zhuǎn)換和高速控制環(huán)路，需要選擇具有適合高速運行的架構(gòu)性能和能力的處理器內(nèi)核。在這種情況下，ARM Cortex?-M4，設(shè)計用于在溫度范圍內(nèi)大于200MHz的工作，將滿足需求。

sinc濾波器（如圖2所示）與隔離ADC結(jié)合使用。這允許測量電網(wǎng)上的交流和直流注入，以避免變壓器飽和。傳統(tǒng)方法是使用霍爾效應(yīng)電流傳感器，但與隔離 ADC 相比，這很昂貴。這假設(shè)sinc濾波器集成到混合信號控制處理器中，避免了BOM中以可編程邏輯形式增加芯片。與霍爾效應(yīng)傳感器相比，ADC sinc濾波器組合的隔離還具有改善線性度的額外優(yōu)勢，從而降低了諧波失真。

隨著電網(wǎng)變得更加智能，太陽能光伏逆變器將需要具有更多的智能來幫助解決電網(wǎng)不平衡問題。也就是說，從多個來源獲得的功率超過所需功率的情況。出于這個原因，人們關(guān)注光伏系統(tǒng)智能，著眼于電網(wǎng)整合，其中電網(wǎng)的每個貢獻者必須合作以穩(wěn)定電網(wǎng)。電網(wǎng)整合需要更好地測量、控制和分析饋入電網(wǎng)的能源質(zhì)量。專門設(shè)計用于監(jiān)測注入電網(wǎng)的電能質(zhì)量的諧波分析引擎有助于滿足這一需求。通過計算許多變量，包括諧波失真、功率、均方根電壓、均方根電流、VAR、VA和功率因數(shù)，可以監(jiān)控電源質(zhì)量。執(zhí)行這些計算的專用引擎可以提供非常高的精度，同時減輕 ARM Cortex-M4 內(nèi)核執(zhí)行此任務(wù)的負擔。

太陽能逆變器可以在系統(tǒng)層面顯著受益，使用混合信號控制處理器，這些處理器的設(shè)計考慮了這種最終應(yīng)用。對市場趨勢的理解和扎實的系統(tǒng)知識可以帶來智能集成的芯片，能夠支持芯片數(shù)量較少的下一代拓撲，同時還增加支持與智能電網(wǎng)接口的功能。

電機控制：提高效率，改善環(huán)境并節(jié)省終身成本

除了對能源如何產(chǎn)生的環(huán)境問題外，還存在對能源使用效率的擔憂。鑒于電機占全球用電量的40%，提出的問題是如何使這些系統(tǒng)更加環(huán)保。答案是使它們更有效率，從而減少能源的使用。廣泛使用更高效的電機所節(jié)省的成本是巨大的：電力節(jié)省數(shù)千億千瓦時，一氧化碳減少2 每年釋放到大氣中的數(shù)百萬噸。更高效的電機的影響顯然非常顯著。

具體來說，使用更高效的電機有幾個關(guān)鍵驅(qū)動因素。一個推動力是政府立法，由環(huán)境問題驅(qū)動。歐盟已經(jīng)制定了法規(guī)，未來還會有更多法規(guī)要求使用更高效的電機系統(tǒng)。另一個關(guān)鍵驅(qū)動因素是終身成本優(yōu)勢。電機控制系統(tǒng)成本的近似值為材料的15%和基于運行所用能源的85%。因此，以更高的效率降低電機系統(tǒng)的生命周期成本具有巨大的潛力。

通過特殊的電機設(shè)計、電機類型的選擇、為沒有這種控制的系統(tǒng)添加可調(diào)速驅(qū)動器 （ASD） 以及優(yōu)化效率的控制算法，可以實現(xiàn)更高的效率。在特殊電機設(shè)計和特定類型電機的選擇方面，永磁電機一直是焦點，并且使用量一直在上升。永磁電機的效率可高達96%，超過了歐洲的超高效率標準（IE3）。

智能集成的混合信號控制處理器為 ASD 和控制算法提供了潛在的改進。經(jīng)濟高效地集成基于 ARM 的 CPU 子系統(tǒng)、PWM、ADC 和多路復(fù)用器，從而減少 ASD 的系統(tǒng)級 BOM。

通過使用具有快速轉(zhuǎn)換時間的高精度ADC，可以改進控制算法。這提高了整個電機系統(tǒng)的效率。精度大于12位的ADC可提高相電流的控制精度。但是，不能用采樣轉(zhuǎn)換延遲來換取更高的精度。這樣就消除了ADC為改善SNR而進行平均或過采樣的選項。變量需要以終端機器的移動速率進行測量（例如，拾取和放置機器）。快速轉(zhuǎn)換時間與快速ARM微控制器內(nèi)核相輔相成，使控制環(huán)路運行得更快，從而獲得更好的響應(yīng)和建立時間。反過來，這可以提高制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的吞吐量和效率，從而降低生產(chǎn)成本。

與太陽能光伏應(yīng)用一樣，SAR ADC是電機控制的不錯選擇。在電機控制情況下，高性能SAR ADC掃描設(shè)計無需平均或過采樣即可滿足要求。

圖 3 中的各種 IP 模塊經(jīng)過精心設(shè)計，因此它們可以很好地協(xié)同工作。期望的結(jié)果是一個非常敏捷的儀器子系統(tǒng)，可以采集多個精確調(diào)度的樣本，并將它們有效地傳送到ARM的主存儲器中。對于電機控制，相位繞組電流和其他測量值都可以在PWM周期中精確指定的點同步采樣。然后，采樣數(shù)據(jù)可以有效地移動到微控制器的存儲器中進行處理，沒有開銷?；旌闲盘柨刂铺幚砥髦械奈鍌€不同模塊需要協(xié)同工作才能完成此任務(wù)。

圖3.電機控制系統(tǒng)框圖。

該周期從發(fā)送到觸發(fā)路由單元 （TRU） 的 PWM 脈沖開始，該路由單元的任務(wù)是將觸發(fā)主機連接到觸發(fā)從機。在這種情況下，PWM是觸發(fā)主機，ADC控制器（ADCC）定時器是觸發(fā)從機。ADCC需要能夠管理大量事件，并使用定時器（TMR0/TMR1）來跟蹤從PWM觸發(fā)到啟動特定ADC事件的時間。當定時器與特定事件匹配時，選擇ADC輸入多路復(fù)用（M0和M1）和通道（ADC0和ADC1）。轉(zhuǎn)換開始信號隨后被發(fā)送到ADC。樣本數(shù)據(jù)從ADC移動到ADCC，然后通過DMA從ADCC移動到微控制器SRAM。

下面的圖4顯示了PWM脈沖、PWM同步和ADCC控制的ADC事件之間的相對時序。

圖4.使用ADC對五個不同電機控制變量進行采樣的時序。

PWM、TRU、多路復(fù)用、緩沖、SAR ADC和DMA提供了良好的基本IP起點，用于設(shè)計針對電機控制的混合信號控制處理器。然而，為了在PWM周期內(nèi)實現(xiàn)ADC采樣的精確時序所需的協(xié)調(diào)水平，有必要對這些模塊進行特定的設(shè)計修改。對ADCC模塊的需求是基于這樣一個事實，即其他IP模塊集成到單個芯片中并且需要協(xié)調(diào)。ADCC專為滿足這一要求而設(shè)計，并充分利用了兩個ADC引擎的高速，其快速轉(zhuǎn)換時間為380 ns。

結(jié)論

先進的基礎(chǔ)技術(shù)只是起點，芯片設(shè)計人員必須對客戶的系統(tǒng)有廣泛的了解，并在精密模擬和數(shù)字組件的設(shè)計、應(yīng)用和優(yōu)化方面擁有深厚的專業(yè)知識。此外，芯片制造商必須愿意并且能夠直接與系統(tǒng)制造商互動和協(xié)作，以創(chuàng)造新產(chǎn)品。選擇最合適的組件，針對目標終端應(yīng)用進行優(yōu)化，并修改IP模塊以很好地協(xié)同工作。只有這樣，優(yōu)化的部分才能被集成。ADI公司提供了這些智能集成產(chǎn)品的示例，包括ADuCM360，這是一款完全集成的3.9 kSPS24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及集成了雙通道高精度403位ADC和ARM Cortex-M408處理器內(nèi)核的ADSP-CM16F和ADSP-CM4F混合信號控制處理器。

審核編輯：郭婷