實時控制MCU指用于精準閉環(huán)控制的微控制器。這類芯片經(jīng)過精細的設計與測試，具備卓越的穩(wěn)定性和可靠性，能夠以更低的時延高效完成信號采集、計算決策和執(zhí)行控制。因此，它們被廣泛應用于新能源、運動控制、機器人等多個領域。

近日，極海在2024德國慕尼黑國際電子元器件博覽會（electronica 2024）上，展示了G32R5高性能實時控制MCU。極海實時控制產(chǎn)品線經(jīng)理Louis LU在Power Electronics論壇上發(fā)表了《Introducing the New G32R5 Real-Time Microcontroller Based on ArmCortex-M52 with HeliumTM Technology》（極海最新基于 Arm Cortex-M52 及支持HeliumTM技術(shù)的G32R5 實時控制MCU）的主題演講，介紹了極海在實時控制MCU領域的戰(zhàn)略布局，分享了G32R5如何通過技術(shù)創(chuàng)新高效解決實時控制系統(tǒng)所帶來的挑戰(zhàn)，并首次公布G32R5全信號鏈性能測試數(shù)據(jù)。

無處不在的實時控制

從發(fā)電側(cè)的光伏和風力等新能源設備，到輸配電系統(tǒng)中的無功補償系統(tǒng)等核心設備，再到廣泛應用于新能源汽車、自動化工廠和智能家電等的終端設備 ，實時控制MCU作為上述應用終端的核心器件，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這類MCU能夠精準快速地感知各類信號，執(zhí)行復雜運算并實現(xiàn)高效閉環(huán)控制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時提升能源的利用效率和系統(tǒng)的響應速度。無論是在風電場實時調(diào)節(jié)發(fā)電輸出，還是在自動化工廠中實現(xiàn)精確的生產(chǎn)控制，實時控制MCU都成為了推動現(xiàn)代智能化發(fā)展不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

從芯片端解決實時控制系統(tǒng)的設計挑戰(zhàn)

在碳中和、碳達峰等政策的推動下，實時控制應用正朝著更高能效、高功率密度、高精度、高安全與高可靠的方向快速發(fā)展。為實現(xiàn)這些目標，實時控制MCU需要從架構(gòu)到設計上，支持如下核心特性：

1. 更低的系統(tǒng)時延

在實時控制系統(tǒng)中，從獲取傳感數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、制定控制策略到輸出控制，全鏈路的延時會直接影響系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。為了提高效率和功率密度，典型的一個做法是采用更高的開關(guān)頻率并采用第三代半導體開關(guān)管，這對系統(tǒng)時延提出了更高的挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)更低的時延，MCU需要具備以下特性：

高速運算處理能力：采用高性能的處理器架構(gòu)，高效和快速地處理傳感器數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制算法；

優(yōu)化的數(shù)據(jù)路徑：設計高效的內(nèi)部程序和數(shù)據(jù)通路，減少數(shù)據(jù)在不同模塊之間傳遞的延遲；

高效的中斷響應：高效的中斷機制能迅速響應外部事件，降低響應時延。

2.高性能控制外設

高性能控制外設是實現(xiàn)精準控制，支持復雜控制策略的重要組成，包括高精度PWM（脈寬調(diào)制）、靈活可編程邏輯單元（FLB）等。

高精度PWM（HRPWM）：能夠?qū)崿F(xiàn)更細顆粒度脈寬控制，相位控制以及死區(qū)時間控制等，尤其在高開關(guān)頻率及移相的應用中，ps級分辨率是確保輸出精度、系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)效率所不可或缺的；

靈活可編程邏輯單元（FLB）：允許用戶根據(jù)特定應用需求自定義組合邏輯功能，增強系統(tǒng)靈活性。通過這些邏輯單元，用戶可以實現(xiàn)復雜的邏輯運算或控制策略，而不需要額外的外部硬件；

高效的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：集成高速、高分辨率的ADC可以實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，確保控制精度和響應速度。

3. 靈活的IP互聯(lián)

隨著系統(tǒng)向更高效、更安全可靠方向發(fā)展，實時控制系統(tǒng)復雜性隨之增加，為了保證不同模塊之間的信息傳遞更加便捷、減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，需要保證信號能夠在片內(nèi)外設間靈活路由，同時減少數(shù)據(jù)在不同模塊之間傳遞的延時；片上IP的互聯(lián)，是實現(xiàn)更高效控制、更低系統(tǒng)延時、更精簡的PCB布線，以及更一致的控制時序的關(guān)鍵。

G32R5在上述特性的支持上做了深入研究，致力于從感知端、計算端到控制端的端到端優(yōu)化，實現(xiàn)性能的顯著提升。

高能效、低時延的實時控制器平臺

· 基于Arm V8.1-M架構(gòu)，在保持Cortex-M4F、Cortex-M33遷移便捷的基礎上，實現(xiàn)DSP性能2.7倍與ML性能5.6倍的提升；

· 支持ACI (Arm Customer Instructions)，這是實時控制的靈魂特性，使得芯片公司能夠自主設計擴展指令集并可嵌入CPU中執(zhí)行。極海基于ACI的CDE(Customer Datapath Extension)接口，將自主研發(fā)的紫電數(shù)學指令擴展單元和Cortex-M52內(nèi)核完美融合，大幅提升了實時控制運算效率，并顯著降低了計算時延；

· 支持TCM，包括數(shù)據(jù)TCM及指令TCM，將實時控制核心代碼和數(shù)據(jù)放入TCM，可大幅提升運行效率；

· 支持Arm HeliumTM技術(shù)，有助于大幅提升SMID運算性能，降低計算時延。

在展會現(xiàn)場，極海還分享了G32R5內(nèi)置的HRPWM、Advanced CAP、Advanced Comparator、Advanced ADC以及XBAR等高級控制IP的互聯(lián)特性，并基于圖騰柱PFC應用介紹了如何通過G32R5內(nèi)部控制IP的互聯(lián)實現(xiàn)峰值電流模式控制，在提升性能基礎上降低整體系統(tǒng)成本。

與實時控制MCU領導者并肩

在會上，Louis LU表示："在實時控制MCU領域，TI的C2000系列產(chǎn)品以其卓越的性能和創(chuàng)新技術(shù)，不僅樹立了行業(yè)標桿，更引領了行業(yè)的發(fā)展。我們對C2000系列的成就和貢獻表示深深的敬意。"Louis LU提到其產(chǎn)品應用筆記中曾提出實時信號鏈指標，是衡量系統(tǒng)實時控制性能的關(guān)鍵，并邀請極海研發(fā)工程師嘗試基于同樣的代碼，將兩款產(chǎn)品進行實測對比。

得益于Arm先進的Cortex-M52處理器、極海自研高性能紫電數(shù)學指令擴展單元、以及G32R5架構(gòu)及IP的優(yōu)異性能，G32R5單核配置，在Flash中運行代碼的相對執(zhí)行周期數(shù)降低了11.5%（相對周期數(shù)越低性能越高）。

Louis LU提到："如果按240MHz主頻換算，這意味著縮短了63%的控制環(huán)路執(zhí)行時間！*"

為客戶的開發(fā)多做一步準備

G32R5目前已經(jīng)支持Keil與IAR開發(fā)調(diào)試工具，基于Eclipse的開發(fā)工具也即將發(fā)布。為了便于工程師調(diào)試，G32R5還提供了板載隔離調(diào)試器的開發(fā)板及配套的擴展板，該開發(fā)套件可用于初步方案驗證，幫助用戶更好了解極海芯片特性，方便開發(fā)及算法移植測試。

減少客戶對G32R501的上手時間、縮短項目開發(fā)周期是極海實時控制團隊的核心目標，為此極海提供了4個G32R501參考設計方案，如48V/50A雙向電源，EtherCAT總線型高壓伺服控制器等，為產(chǎn)品在智能制造、自動化與新能源領域的實際應用提供參考。

極海G32R5系列即將發(fā)布，目前已開放送樣通道, 新品發(fā)布會也即將開幕，屆時將分享G32R501從定義到量產(chǎn)過程中的精彩故事，并在現(xiàn)場公布更多性能測試數(shù)據(jù)。