設(shè)計實時控制系統(tǒng)的工程師不斷面臨優(yōu)化性能的挑戰(zhàn)。這些系統(tǒng)需要最小的延遲，其中采樣、處理和輸出之間的時間延遲必須適合一個緊湊的時間窗口，以滿足控制回路性能規(guī)范。控制系統(tǒng)的核心是數(shù)學(xué)密集型算法，用于計算控制信號。使用能夠快速有效地執(zhí)行數(shù)學(xué)運算的微控制器 (MCU) 對于系統(tǒng)時序約束至關(guān)重要。理想情況下，該 MCU 將能夠與中央處理單元 (CPU) 同時執(zhí)行實時控制循環(huán)。例如，某些系統(tǒng)可能需要支持使用相同 MCU 的電力線通信。??

用于實時控制系統(tǒng)的高性能 MCU 依賴于擁有極快的 CPU。該 CPU 通常包括對定點和浮點數(shù)學(xué)運算的硬件支持。許多控制系統(tǒng)設(shè)計都是從仿真工具開始的，其中算法是用浮點數(shù)學(xué)開發(fā)的。然后可以輕松地將這些算法移植到具有本機浮點數(shù)學(xué)支持的 MCU。浮點數(shù)學(xué)提供了很大的動態(tài)范圍，因此比使用定點更容易開發(fā)代碼。程序員不再需要擔(dān)心縮放和飽和。此外，由于浮點值不會像在定點數(shù)學(xué)中那樣在上溢或下溢時環(huán)繞數(shù)字線，因此魯棒性得到了提高。除了數(shù)學(xué)運算， ?

實時控制算法中常用的三角和算術(shù)運算包括 Park 和逆 Park 變換、空間矢量生成、直接正交零和逆直接正交零變換、FFT 幅度和相位計算。典型的數(shù)學(xué)運算包括正弦、余弦、反正切、除法和平方根。這些類型的操作是周期密集型的，它們會極大地影響整個系統(tǒng)的性能。通過使用擴展指令集增強 MCU 的浮點功能，這些操作可以更加高效。為此，編譯器需要支持自動生成三角函數(shù)和算術(shù)指令。然后編譯器可以在適用的情況下使用這些指令，而不是運行時支持庫調(diào)用，從而顯著減少周期并顯著提高性能。此外，將保持可移植性，因為相同的代碼可以在有或沒有這種增強數(shù)學(xué)支持的 MCU 上使用。

實現(xiàn)最終的高性能計算和高效處理，這對于設(shè)計當(dāng)今許多復(fù)雜的實時控制應(yīng)用程序至關(guān)重要，可能需要專門為控制律加速而設(shè)計的獨立協(xié)處理器。例如，一個典型的功率數(shù)字控制器包括一個輸入 A/D 轉(zhuǎn)換器、一個計算控制律算法的數(shù)學(xué)引擎（例如，PID、二極/二零和三極/三零補償器），和一個PWM通道來輸出計算的波形。許多先進(jìn)的控制系統(tǒng)將極大地受益于將這些功能集成到硬件中以最小化延遲的架構(gòu)，從而產(chǎn)生絕對最小的采樣到輸出延遲。這種架構(gòu)將與主 CPU 同時執(zhí)行時間關(guān)鍵的控制循環(huán)，并釋放它來執(zhí)行其他所需的任務(wù)。此外，該架構(gòu)將具有內(nèi)置保護(hù)機制，以防止出現(xiàn)過流和過壓情況。

圖 1：增強的實時控制系統(tǒng)框圖。

系統(tǒng)的獨立硬件加速器必須針對 32 位浮點數(shù)學(xué)密集型計算進(jìn)行優(yōu)化。該加速器非常適合管理低級控制循環(huán)，與使用 CPU 相比具有高性能改進(jìn)。此外，它需要直接訪問內(nèi)存并直接訪問各種控制外設(shè)，例如 A/D 和 PWM 模塊，以最大限度地減少延遲。理想情況下，它需要能夠在轉(zhuǎn)換完成后立即讀取 A/D 結(jié)果，以減少延遲并實現(xiàn)快速系統(tǒng)響應(yīng)。 ?

設(shè)計這個加速器使其在沒有 CPU 干預(yù)的情況下響應(yīng)外設(shè)觸發(fā)是非常有效的，因為它不使用中斷進(jìn)行硬件同步，也不必進(jìn)行任何上下文切換。這種方法消除了抖動，執(zhí)行時間變得確定。為了靈活性，這個加速器應(yīng)該是完全軟件可編程的，而不是固定的基于硬件的。獨立加速器可以在不執(zhí)行控制規(guī)則時設(shè)置為低功耗模式，與主 CPU 相比，可能會提供更節(jié)能的操作。這種獨立的協(xié)處理器加速器提供的優(yōu)勢可以顯著增強實時控制應(yīng)用，例如電機控制、電力轉(zhuǎn)換、可再生能源和電動汽車。 ?

將智能管理和通信功能添加到高級控制系統(tǒng)可以優(yōu)化高效運行。使用電力線通信是智能管理的理想選擇，因為可以經(jīng)濟(jì)高效地使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施。為了解決性能問題并避免添加另一個處理器的復(fù)雜性和成本，可以使用緊密耦合的定點加速器來增強 MCU，從而大大提高電力線通信連接的性能。該加速器為 MCU 添加了一組擴展的寄存器和指令，并且需要能夠支持各種通信技術(shù)。消耗大部分處理能力的四個關(guān)鍵操作是維特比解碼、復(fù)數(shù) FFT、復(fù)數(shù)濾波器和循環(huán)冗余校驗 (CRC)。 ?

除了通信之外，該加速器對于通用信號處理應(yīng)用（例如濾波和頻譜分析）也非常有用。例如，頻譜分析可用于處理電機振動噪聲，以確定系統(tǒng)的健康狀況并估計電機的使用壽命。還提供完整的函數(shù)庫，使編程更加輕松和高效。

實時增強型 MCU 的一個示例是德州儀器 (Texas Instruments) 的 32 位 C2000，它具有四個加速器：浮點單元、實時控制協(xié)處理器、三角數(shù)學(xué)單元和 Viterbi、復(fù)雜數(shù)學(xué), 和 CRC 單元。您可以通過閱讀白皮書“加速器：增強 C2000 MCU 系列的功能”了解更多信息，該白皮書可在“技術(shù)文檔”下找到。

　　審核編輯：湯梓紅