將模擬組件與Arm微控制器內(nèi)核進行集成解決嵌入式系統(tǒng)問題

明天嵌入式系統(tǒng)的設計帶來了復雜的挑戰(zhàn)，因為在性能，成本，功耗，尺寸，新功能和效率方面都有進步的積極目標。然而，有一種新興的設計方案可以解決這些復雜問題 - 模擬組件與ARM ?微控制器內(nèi)核智能集成。這種與傳統(tǒng)模擬集成的區(qū)別在于現(xiàn)在提供的高性能以及為解決特定系統(tǒng)級問題而進行的優(yōu)化。雖然每個市場都會對這些領域的訂單排名進行改進，但同時滿足多個因素是非常需要的，并且可以來自眾多分立組件的集成。從邏輯上講，組合部件可以解決許多嵌入式系統(tǒng)目標，但只需將幾個分立元件和一個處理器放在一個封裝中就不是答案;解決方案要復雜得多，需要智能集成。

模擬和數(shù)字智能集成

高性能模擬組件（放大器，ADC，DAC，電壓基準，溫度傳感器）的智能集成，無線收發(fā)器等）和ARM的32位處理器內(nèi)核以及合適的數(shù)字外設可以解決分立解決方案無法實現(xiàn)的目標。為了創(chuàng)建最佳的混合信號控制處理器，需要具備對整個系統(tǒng)的深入了解以及正確知識產(chǎn)權（IP）的可用性以及該知識產(chǎn)權的專業(yè)知識。毋庸置疑，指定這些集成器件功能的芯片設計人員和系統(tǒng)工程師必須非常了解最終的應用要求。該領域知識至關重要，包括對板級要求的充分理解，例如外形尺寸，溫度范圍，制造考慮因素，功耗，成本以及信號鏈中的互補元件。圖1顯示了智能集成設備中經(jīng)常使用的模擬和數(shù)字IP模塊。

正確IP的可用性為滿足系統(tǒng)級目標提供了強大的起點。需要這個起點以保持混合信號控制處理器的開發(fā)周期短。越來越多的半導體制造商需要促進適合應用的IP本身的獲取/創(chuàng)建和實施。然后需要修改該IP以滿足兩個要求。第一個是通過根據(jù)主要目標應用程序的需求優(yōu)化性能和操作來最大化系統(tǒng)級優(yōu)勢。接下來是優(yōu)化IP，以便與混合信號控制處理器中的其他互補IP模塊一起非常好地工作。

最后，需要有業(yè)務層面的合作機會，結合系統(tǒng)制造商和半導體制造商的專業(yè)知識和知識，并產(chǎn)生優(yōu)化的獨特設計。

混合 - 信號控制處理器應用

有許多應用可以從集成高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的設備中受益，包括溫度傳感，壓力傳感，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)控，汽車監(jiān)控系統(tǒng)和燃氣/水/電表。本文將介紹兩個應用領域，其中優(yōu)化的高性能模擬和ARM微控制器內(nèi)核的集成可帶來成本，功耗，尺寸和性能方面的顯著優(yōu)勢：

太陽能光伏（PV）逆變器系統(tǒng)的目標是提高效率，降低物料清單（BOM）成本，并整合智能以支持與智能電網(wǎng)的接口。

電機控制，旨在提高環(huán)境效益和降低成本的效率。

請注意，雖然這些智能集成的混合信號設備針對特定的終端應用進行了優(yōu)化，但它們也可以很好地用于與主要目標應用具有類似功能要求的眾多相鄰應用。

太陽能光伏逆變器：降低智能電網(wǎng)的廣泛使用和智能成本

雖然太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)在過去五年的年增長率超過50％，但它們?nèi)灾徽颊既蚩偘l(fā)電量的很小一部分。雖然在一些地區(qū)，太陽能光伏發(fā)電已經(jīng)達到與化石燃料發(fā)電成本相當?shù)乃?，但在大多?shù)地區(qū)，它并沒有，而且通常這種平價依賴于政府補貼。

為了更好地與傳統(tǒng)能源競爭，如天然氣，煤炭和石油，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)。隨著面板本身的成本和效率朝著正確的方向發(fā)展，新技術也有望推動太陽能光伏逆變器的發(fā)展 - 太陽能電池板產(chǎn)生的電力與電網(wǎng)之間的界面。這些新技術包括NPC 3級/ 5級/多級，高頻開關拓撲，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顯示了兩個階段太陽能光伏逆變系統(tǒng)。來自面板的電源（基本上是直流電源）被轉換為交流電，因此可以將其饋送到電網(wǎng)。第一級是DC-DC轉換，可提高電壓電平，使其與電網(wǎng)上的峰值電壓兼容。第二階段是直流到交流轉換。紅色部分顯示了用于控制的低壓元件，當它們組合成一個混合信號控制處理器時，可以在系統(tǒng)級別上獲益。通過將多個組件集成到單個設備中以及通過提高新的高速開關拓撲的效率來節(jié)省成本。結果是降低了每千瓦的安裝成本?？紤]到可以使用更小的電感器，新拓撲結構也可以節(jié)省成本。這樣可以節(jié)省BOM成本，并且還可以減小逆變器的尺寸。

高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC非常適合這種應用，因為它們提供了正確的精度（13 ENOB），快速的轉換速度以支持更高頻率的控制環(huán)路，支持能力多輸入通道的多路復用和低延遲（<1μS）。該系統(tǒng)有兩個ADC，用于同時對電網(wǎng)上的電流和電壓進行采樣。需要大量的ADC輸入通道來監(jiān)控系統(tǒng)中的多個點 - 在某些情況下最多可監(jiān)控24個模擬通道。設計了與緩沖相關的特殊復用，并與ADC連接以支持這一要求。

為了支持多級轉換和高速控制環(huán)路，具有正確架構性能和功能的處理器內(nèi)核需要選擇高速運行。在這種情況下，ARM Cortex ? -M4設計用于在整個溫度范圍內(nèi)運行超過200MHz，將滿足需求。

sinc濾波器，如圖2所示，用于與隔離ADC組合。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)的方法是使用霍爾效應電流傳感器，但與隔離ADC相比，這是昂貴的。這假設sinc濾波器集成在混合信號控制處理器中，以可編程邏輯的形式避免了BOM中的額外芯片。 ADC sinc濾波器組合的隔離還提供了一個額外的好處，即改善了霍爾效應傳感器的線性度，從而減少了諧波失真。

隨著電網(wǎng)變得越來越智能，太陽能光伏逆變器將需要更多智能來幫助解決電網(wǎng)不平衡問題。也就是說，可以從多個源獲得比所需更多的功率。出于這個原因，人們關注光伏系統(tǒng)智能，著眼于電網(wǎng)整合，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，控制和分析饋送到電網(wǎng)的能量質(zhì)量。專門用于監(jiān)控注入電網(wǎng)的功率質(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)控功率質(zhì)量。執(zhí)行這些計算的專用引擎可以在卸載ARM Cortex-M4內(nèi)核時執(zhí)行此任務，從而提供非常高的精度。

太陽能逆變器可以通過混合信號控制在系統(tǒng)級別上獲益匪淺考慮到此最終應用程序而設計的處理器。了解市場趨勢和可靠的系統(tǒng)知識可以使智能集成芯片能夠支持具有低芯片數(shù)量的下一代拓撲，同時還增加了支持與智能電網(wǎng)接口的功能。

電機控制：提高效率為了更好的環(huán)境和終身成本節(jié)約

除了關于如何產(chǎn)生能量的環(huán)境問題之外，還有人擔心能源的使用效率如何。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，因此使用的能量更少。廣泛使用更高效電機的節(jié)省大量測量：數(shù)千億小時的電力節(jié)省和數(shù)百萬的CO 2 釋放到大氣中每年噸。更高效電機的影響顯然非常顯著。

具體而言，使用更高效的電機有幾個關鍵驅(qū)動因素。一個推動力是由環(huán)境問題驅(qū)動的政府立法。歐盟制定了相關法規(guī)，未來還有更多法規(guī)要求使用更高效的電機系統(tǒng)。另一個關鍵驅(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％和基于操作所用能量的85％。因此，具有更高效率的電機系統(tǒng)壽命成本降低的潛力巨大。

通過特殊電機設計，電機類型選擇，可調(diào)速驅(qū)動器（ASD）的增加，可以實現(xiàn)更高的效率對于沒有這種控制的系統(tǒng)，以及優(yōu)化效率的控制算法。在特殊電機設計和特定類型電機的選擇方面，永磁電機一直是人們關注的焦點，并且使用量一直在增加。永磁電機的效率可高達96％，超過歐洲的高效率標準（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?；贏RM的CPU子系統(tǒng)，PWM，ADC和多路復用的經(jīng)濟高效的集成轉換為ASD的系統(tǒng)級BOM減少。

通過使用具有快速轉換時間的高精度ADC，可以改善控制算法。這導致整個電動機系統(tǒng)的效率提高。精度高于12位的ADC可提高控制相電流的精度。但是，樣本轉換延遲無法以更高的準確度進行折衷。這消除了平均或過采樣的ADC選項，以提高SNR。變量需要以終端機器移動的速率進行測量（例如，拾取和放置機器）?？焖俎D換時間與快速ARM微控制器內(nèi)核相輔相成，使控制環(huán)路運行速度更快，從而實現(xiàn)更好的響應和建立時間。反過來，這可以提高制造生產(chǎn)線系統(tǒng)的產(chǎn)量和效率，從而降低生產(chǎn)成本。

與太陽能光伏應用一樣，SAR ADC是電機控制的理想選擇。在電機控制情況下，可以設計高性能SAR ADC掃描，無需進行平均或過采樣即可滿足要求。

圖3中的各種IP模塊經(jīng)過精心設計，可以很好地協(xié)同工作。期望的結果是一個非常靈活的儀器子系統(tǒng)，可以獲取多個精確調(diào)度的樣本并將它們有效地傳送到ARM的主存儲器。對于電機控制，可以在PWM周期中的精確指定點同步采樣相繞組電流和其他測量。然后，可以將沒有開銷的采樣數(shù)據(jù)有效地移動到微控制器的存儲器進行處理?；旌闲盘柨刂铺幚砥髦械奈鍌€不同模塊需要協(xié)同工作才能完成這項任務。

循環(huán)從發(fā)送到觸發(fā)路由單元（TRU）的PWM脈沖開始，該脈沖單元的作用是將觸發(fā)器主控器連接到觸發(fā)從器件。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PWM觸發(fā)器啟動特定ADC事件的時間。通過與特定事件匹配的定時器，可選擇ADC輸入多路復用（M0和M1）和通道（ADC0和ADC1）。轉換開始信號隨后被發(fā)送到ADC。采樣數(shù)據(jù)從ADC移至ADCC，然后通過DMA從ADCC移至微控制器SRAM。

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

良好的基本IP起始點可用于PWM，TRU，多路復用，緩沖，SAR ADC和DMA，用于設計針對電機控制的混合信號控制處理器。然而，為了實現(xiàn)PWM周期內(nèi)ADC采樣的精確定時所需的協(xié)調(diào)水平，這些塊的特定設計修改是必要的。對ADCC模塊的需求是基于其他IP模塊集成到單個芯片中并需要協(xié)調(diào)的事實。 ADCC專為滿足此要求而設計，并充分利用兩個ADC轉換器的高速轉換，轉換時間為380 ns。

結論

先進的基礎技術只是起點 - 芯片設計人員必須具備廣泛的客戶系統(tǒng)知識，并在精密模擬和數(shù)字組件的設計，應用和優(yōu)化方面擁有深厚的專業(yè)知識。此外，硅制造商必須愿意并能夠與系統(tǒng)制造商直接互動和協(xié)作以創(chuàng)建新產(chǎn)品。選擇最合適的組件，對目標最終應用程序進行優(yōu)化，并修改IP塊以便一起工作。只有這樣才能集成優(yōu)化的部件。這些智能集成產(chǎn)品的例子可以在ADI公司找到，包括ADuCM360，一個完全集成的3.9 kSPS，24位數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以及集成雙高精度的ADSP-CM403F和ADSP-CM408F混合信號控制處理器16位ADC和ARM Cortex-M4處理器內(nèi)核。欲了解更多信息，請訪問www.analog.com。