電子發燒友網報道(文/吳子鵬)在工業 4.0、智能駕駛與新能源市場迅猛發展的當下,實時控制 MCU 重要性愈發凸顯。與普通 MCU 相比,實時控制 MCU 具有嚴格的實時性要求,需要在極短時間內對外部事件或信號做出迅速響應,并完成控制算法及輸出控制,這也導致其入局門檻更高。長期以來,這一細分市場主要由 TI(德州儀器)等國際廠商主導,國產 MCU 廠商由于起步較晚、技術儲備不足以及對高性能 MCU 市場了解有限等原因,很少涉足該領域。
為了打造國產實時控制 MCU 的標桿產品,應對實時控制系統在更高效率、更高功率密度、更高精度和更高可靠性方面的設計挑戰,珠海極海半導體有限公司(以下簡稱:極海)正式發布首款基于 Arm? Cortex?-M52 雙核架構的實時控制 MCU——G32R501,并公開了這款實時控制 MCU 的核心指標 ——G32R501 全信號鏈性能測試數據,為新能源光伏、工業自動化、商業電源、新能源汽車等領域的應用創新注入動力。
G32R501系列實時控制MCU,圖源:極海
站在巨人肩膀,發展國產實時控制 MCU 正當時
在實時控制 MCU 領域,TI 公司的 C2000 系列堪稱行業“代名詞”,該公司對實時控制 MCU 的發展貢獻很大。
首先,TI 持續引領全球實時控制 MCU 技術創新。TI 不斷優化自有 DSP(數字信號處理器)內核性能,從TI提出的ACI Motor(交流感應電機)性能指標可以看出,C2000 內核在閃存執行效率和ADC讀取/轉換效率等方面優于Arm? Cortex?-M4和Arm? Cortex?-M7內核。同時,TI 將 C2000 實時 MCU 器件細分為處理、控制、感測和接口四大關鍵要素,強調實時控制的關鍵并非僅看主處理單元完成控制算法所需的時間,而是盡可能縮短感測、處理和控制的時間,這一時間被定義為實時信號鏈。
C2000 內核和Arm內核的閃存執行效率對比,圖源:TI
實時信號鏈組成,圖源:TI
其次,TI 培育了實時控制 MCU 市場,并長期占據絕大部分市場份額。C2000 系列已成為其他公司打造實時控制 MCU 的參照標準,并有著廣泛的應用。如下圖所示, C2000 系列的目標市場已經擴展到電機控制、光伏逆變器、數字電源、電動汽車等廣泛領域。面向這些實時控制應用,TI 提供了豐富的資源配套,包括參考示例、技術手冊和開源硬件文檔等,降低了工程師使用實時控制 MCU 的難度和成本,推動了實時控制市場的繁榮發展。
C2000 系列廣泛的目標應用,圖源:TI
當然,隨著技術和市場演進,現階段 TI 在實時控制市場也面臨著沖擊,較具代表性的競品有 ST(意法半導體)的 STM32G4 系列、瑞薩電子的 RA 系列、英飛凌的 PSOC 系列等。和C2000系列不同,這些實時控制 MCU 均基于Arm 內核。目前Arm 內核的實時性能顯著提升,以Arm? Cortex?-M52 內核為例,該核心基于 Arm v8.1-M 架構,在保持與 Arm? Cortex?-M4F、Arm? Cortex?-M33 便捷遷移的基礎上,實現了 DSP 性能提升 2.7 倍與 ML 性能提升 5.6 倍。
Arm? Cortex?-M52內核性能展示和對比,圖源:極海
同時,據熟悉C2000及Arm技術的工程師分享,相較于 TI C2000 內核生態,Arm 生態在實時控制方面也具備一定優勢。例如,KEIL平臺編譯更快,而C2000 平臺 CCS 工程中往往包含更多調試功能(如硬件分析、RTOS 仿真、腳本等),越豐富的功能也意味著編譯及鏈接腳本更復雜,導致編譯時間變長;KEIL 平臺相較CCS 平臺 debug 速度快、更穩定,且中斷也可恢復 debug;大部分 C2000執行應用中斷嵌套復雜且不靈活,Arm 平臺能夠靈活實現硬件級多級中斷嵌套。
一個事實是,TI的實時控制MCU也增加了基于Arm? Cortex?-R內核的高性能實時控制MCU系列,AM26x,并獲得了市場的認可。
對于國產MCU廠商而言,技術進步為進軍實時控制市場提供了契機,市場需求增長則帶來了充足的發展動力。實時控制 MCU 在工業自動化(如伺服控制器、機器人、變頻器等)、汽車電子(如車載充電機、車載壓縮機、主驅逆變器等)、新能源光伏(光伏逆變器、儲能逆變器等)等領域應用廣泛。
公開核心指標,G32R501 系列底氣何在
極海 G32R501 系列實時控制 MCU 的推出,精準契合行業發展大勢,填補了國產高性能實時控制 MCU 的市場空白。如上所述,實時信號鏈是實時控制的關鍵,極海從感知、處理、控制三方面入手提升實時信號鏈指標,并首次公開 G32R501 系列全信號鏈性能測試數據。
靈敏感測
G32R501 系列集成了豐富的高性能模擬和信號處理外設,以增強芯片在實時控制系統中的感測能力,包括 3 個 12 位 ADC(3.45MSPS 采樣率)、7 個內置 12 位參考 DAC 的比較器、7 個增強型捕捉模塊(CAP)、2 個增強型正交編碼器脈沖(QEP)模塊和 4 個 Σ-Δ 濾波器模塊(SDF),這些外設能夠快速、準確地感知系統的關鍵參數,提升控制的精度和效率。
高效處理
G32R501 系列基于 40nm eFlash先進制程,采用 Arm? Cortex?-M52 雙核設計,主頻高達 250MHz,實時算力可與 800MHz 的 Arm? Cortex?-M7 內核產品相媲美。Arm? Cortex?-M52 內核不僅實現了 DSP 性能提升 2.7 倍與 ML 性能提升 5.6 倍,還支持 ACI (Arm Customer Instructions)、TCM 和 Arm HeliumTM 技術。其中,ACI 是實時控制的核心特性,它允許芯片公司自主設計擴展指令集并嵌入 CPU 中執行。基于 ACI 接口,極海實現了自研紫電數學指令擴展單元與內核的融合。紫電數學指令擴展單元通過在指令集層面集成對三角函數、傅里葉變換以及復雜數學計算的支持,提高了數學運算效率,有效降低了 CPU 的訪問延遲,進而增強了系統的整體實時響應能力和智能化水平。
同時,雙核配置讓G32R501 系列能夠高效、靈活地執行控制指令。例如,在通訊電源或 OBC 等 AC/DC 應用中, G32R501 可一個核控制 PFC,另一個核控制 DC/DC,實現高效數據共享;在功能豐富的通用伺服等應用中,G32R501 可以一個核做位置環/速度環的控制和通信管理,另一個核跑高速電流環,實現更高的響應帶寬。
增強控制
極海 G32R501 系列通過內置高精度控制單元提升了系統的實時控制性能。
G32R501 系列內部集成的PWM模塊提供16個高分辨率 PWM 通道(150ps分辨率),支持高精度周期/占空比、移相、死區;提供極高精度和準確度的控制信號,并支持各種類型的功率拓撲;提供靈活的數字比較器,實現豐富的觸發源及動作模式;支持靈活的配置加載模式,如立即加載、指定時刻加載或全局加載;支持豐富的封波模式,包括CBC和OneShot。
G32R501 系列內部集成的4 個靈活邏輯塊(FLB),通過配置增強型外設互聯,可助力實現特殊控制脈沖邏輯,增強控制信號檢測及保護,以及定制串行數據協議等功能,簡化系統設計并提高實時控制效率。
經過這些針對性優化,G32R501 系列的部分指標達到國際領先水平,這也是極海敢于公開 G32R501 系列全信號鏈性能測試數據的底氣所在。根據具體測試數據,G32R501 系列單核配置,在 Flash 中運行代碼的相對執行周期數降低了 11.5%(相對周期數越低性能越高)。若按 250MHz 主頻換算,這意味著控制環路執行時間縮短了 64.6%。
G32R501系列性能測試結果(一),圖源:極海
G32R501系列性能測試結果(二),圖源:極海
除了實時控制性能出色,極海 G32R501 系列在外設資源、安全可靠和配套資源方面也表現優異。在外設資源方面,G32R501 系列集成了 UART、CAN、I2C、QSPI 和 PMBus 等多種通信接口,可滿足工業自動化、新能源、汽車電子等領域的通信需求;在安全可靠方面,G32R501 系列支持代碼安全保護功能,支持多重安全機制(如丟失時鐘檢測電路、糾錯碼(ECC)與奇偶校驗等),并符合 IEC 61508 SIL2 安全完整性等級和AEC-Q100 Grade 1 標準。
G32R501系列實時控制MCU產品特性,圖源:極海
在資源配套方面,圍繞 G32R501 系列,極海提供全方位的生態支持,包括豐富的資料文檔、完善的庫文件、多種開發軟件選擇、靈活的硬件調試工具、量產級參考方案和專業的技術團隊。這些資源進一步提升了 G32R501 系列的競爭力,使其成為光伏/儲能逆變器、充電樁電源模塊、服務器電源、車載 OBC、UPS、伺服控制器、機器人等應用的理想選擇。
G32R501系列全方位的生態支持
目前,G32R501 系列實時控制 MCU 已正式量產派樣,可提供 QFN56、LQFP64/80/100 等多種封裝選擇。同時,G32R501 系列與極海APM32F10x 系列工業級通用 MCU(已大規模量產) 、APM32F407 系列工業級高性能 MCU (已大規模量產)、APM32F427 系列高性能 MCU (即將送樣),以及編碼器專用芯片形成良好的產品組合,為差異化創新提供豐富的產品選擇。
極海實時控制MCU產品路線圖,圖源:極海
綜合性能來看,G32R501 系列屬于極海實時控制 MCU 的中高端產品,規格接近TI C2000系列的TMS320F28P55,其支持增強工業級和車規級。
后續,極海將在實時控制 MCU 領域繼續向 TI 學習,并持續擴展自身的實時控制 MCU 產品陣營。目前,極海對標競品的入門級產品已在研發;對標競品的多核、高性能、高集成實時控制 MCU系列也已在預研。
結語
隨著我國在工業制造、智能網聯汽車、新能源等領域的競爭力逐步提升,國產芯片廠商迎來了前所未有的發展機遇。此前,中國半導體協會曾呼吁,國產新能源汽車謹慎考慮使用美國芯片,這一現象背后反映出芯片國產化趨勢已不可阻擋,也為國產 MCU 性能升級提供了廣闊空間。
現階段,國產 MCU 應用不再局限于中低端市場,已在高端 MCU 市場嶄露頭角。在新的產業競爭中,誰能在技術創新、產品性能、市場拓展以及生態建設等方面取得全面優勢,誰就能脫穎而出。極海自 2019 年成立以來,始終保持強勁的創新活力,產品陣容豐富,涵蓋工業級通用 MCU、電機控制MCU、車規級 MCU、實時控制 MCU 以及 MCU + 驅動等產品形態,不斷拓展自身的業務版圖。此次極海發布 G32R501 系列,既是向 TI C2000 系列致敬,也是對 TI C2000 系列發起挑戰,以出色的產品競爭力彰顯中國芯實力。
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