在計(jì)算復(fù)雜、時(shí)間關(guān)鍵的計(jì)算中結(jié)合 DSP 和 MCU 操作

    盡管數(shù)字信號(hào)處理無(wú)處不在，但它并不總是可見(jiàn)，就像數(shù)碼相機(jī)和移動(dòng)電話一樣。傳統(tǒng)上使用模擬電路實(shí)現(xiàn)的越來(lái)越多的功能現(xiàn)在包含在微控制器單元 (MCU) 或數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 上的軟件中，從而節(jié)省了印刷電路板空間和組件，從而降低了成本。
    模擬設(shè)備常見(jiàn)的漂移和容差也可以避免。Fujitsu 的 MB91470/480 系列微控制器展示了這些軟件算法的集成 DSP 單元的優(yōu)勢(shì)。
    當(dāng)今的許多濾波器和算法很難使用模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，至少會(huì)產(chǎn)生不合理的費(fèi)用。如今，開(kāi)發(fā)人員必須決定是使用 MCU、DSP 還是兩者都使用。特別是在信號(hào)處理只是其中一項(xiàng)任務(wù)的應(yīng)用中，這個(gè)問(wèn)題并不總是那么容易回答?？刂坪筒僮髟O(shè)備是 MCU 的典型，而數(shù)字濾波器和調(diào)節(jié)器是 DSP 的典型。
    然而，對(duì)于經(jīng)常采用數(shù)字濾波器來(lái)評(píng)估系統(tǒng)狀態(tài)并執(zhí)行快速循環(huán)的控制單元來(lái)說(shuō)，這種明顯的差異并不總是那么明顯。富士通認(rèn)識(shí)到電機(jī)控制的情況就是如此，因此開(kāi)發(fā)了 MB91470/480 32 位 MCU 系列，該系列具有 ?DSPalias MAC（乘法累加）單元形式的強(qiáng)大外設(shè)。

    DSP 擁有自己的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使其能夠作為獨(dú)立于主處理器 (CPU) 的協(xié)處理器執(zhí)行更長(zhǎng)的計(jì)算，如下圖 1 所示。 這使得 CPU 在濾波器計(jì)算期間也能夠?qū)χ袛嗫焖僮龀龇磻?yīng)，這是工業(yè)控制任務(wù)所必需的功能，而無(wú)需更改濾波器的執(zhí)行時(shí)間。

    圖1：μDSP框圖
    DSP 的結(jié)構(gòu)針對(duì)數(shù)字濾波器和許多其他算法的典型乘法累加指令進(jìn)行了優(yōu)化，它僅在一個(gè)周期內(nèi)以全處理器時(shí)鐘速度（高達(dá) 80MHz）執(zhí)行。72 位寬累加器將值相加，數(shù)字格式選自各種 32 位定點(diǎn)格式。
    特別是對(duì)于數(shù)字濾波器，μDSP 能夠通過(guò)濾波器級(jí)傳輸輸入變量，而無(wú)需 CPU 的幫助。只要 ?DSP 空閑，CPU 就可以完全訪問(wèn) ?DSP 的所有配置和內(nèi)存地址，從而可以與 CPU 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。一旦開(kāi)始計(jì)算，一些狀態(tài)和控制寄存器將保持可訪問(wèn)狀態(tài)以指示其操作狀態(tài)。當(dāng) ?DSP 執(zhí)行程序時(shí)，它可以生成中斷或觸發(fā) DMA（直接內(nèi)存訪問(wèn)）傳輸。
    現(xiàn)代傳動(dòng)系統(tǒng)需要電力
    控制現(xiàn)代三相驅(qū)動(dòng)器是一種應(yīng)用示例，其中需要在固定時(shí)間間隔內(nèi)處理大量子任務(wù)，這些時(shí)間間隔由系統(tǒng)要求決定。通常，使用矢量或場(chǎng)定向控制，由多個(gè)坐標(biāo)變換和級(jí)聯(lián)控制循環(huán)組成。兩個(gè)電流控制器形成內(nèi)層的控制回路，并監(jiān)控定子電流的磁場(chǎng)和扭矩產(chǎn)生分量。
    該控制環(huán)路通常以全 PWM（脈寬調(diào)制）頻率循環(huán)，該頻率可以達(dá)到數(shù)十 kHz。內(nèi)部控制環(huán)路的設(shè)定點(diǎn)由速度調(diào)節(jié)器確定，速度調(diào)節(jié)器控制所需的扭矩，從而通過(guò)電流控制加速度。然后通過(guò)定位控制進(jìn)行預(yù)連接。因此，除了矢量控制的三角變換和應(yīng)用本身之外，還有四個(gè)控制過(guò)程需要掌握。
    如果考慮到這種控制的時(shí)間間隔，一些子任務(wù)可以并行執(zhí)行。例如，掃描實(shí)際電流值和下可能用新目標(biāo)值更新PWM寄存器之間的時(shí)間通常是一個(gè)PWM周期。
    由于 CPU 和DSP 進(jìn)行并行計(jì)算，因此可以輕松實(shí)現(xiàn)附加功能，而無(wú)需增加有效的 CPU 負(fù)載。MAC 單元執(zhí)行典型 PID 算法所需的時(shí)間遠(yuǎn)少于一微秒，這就是 ?DSP 可以承擔(dān)更多職責(zé)的原因，例如在兩次 PWM 更新之間過(guò)濾輸入信號(hào)。與 MCU 的靈活定時(shí)器一起，可以實(shí)現(xiàn)非常動(dòng)態(tài)的三相驅(qū)動(dòng)器。
    MB91480 系列甚至可以為兩個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。在這種情況下，MAC 單元可以接管兩個(gè)電機(jī)的所有 6 個(gè) PID 控制環(huán)路（位置環(huán)路通常具有附加功能，例如防尋機(jī)等，這些功能更容易在 CPU 上實(shí)現(xiàn)），從而在執(zhí)行時(shí)間方面帶來(lái)好處變得更加明顯。
    與 MB91480 系列 MCU 的靈活電機(jī)定時(shí)器和 ADC 功能一起，可以優(yōu)化兩個(gè)電機(jī)控制的時(shí)序，從而限度地減少外設(shè)使用的干擾。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，兩個(gè)電機(jī)的 PWM 相互偏移大約四分之一的 PWM 周期。通過(guò)這種方式，ADC 單元可用于同時(shí)采樣每個(gè)電機(jī)的相電流并與 PWM 同步，從而為每個(gè)控制提供自己的時(shí)隙以使用外設(shè)。
    對(duì)所有電流進(jìn)行采樣后，μDSP 被觸發(fā)并執(zhí)行 PID 計(jì)算。由于執(zhí)行時(shí)間短，控制輸出在個(gè) PWM 需要值之前就被更新得足夠早，因此 PWM 可以以的延遲更新到新的輸出電壓。也就是說(shuō)，個(gè)電機(jī)控制的響應(yīng)時(shí)間不受添加第二個(gè)電機(jī)控制的影響；兩者仍可在 20kHz 的全 PWM 頻率下保持。
    為了將控制回路有效地映射到類似 DSP 的結(jié)構(gòu)上，必須滿足某些要求。首先，大多數(shù)微控制器和DSP都沒(méi)有配備浮點(diǎn)單元，因此采用定點(diǎn)運(yùn)算代替。然而，調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)也可以優(yōu)化。

    通過(guò)一些改造，典型的離散 PID 調(diào)節(jié)器可以轉(zhuǎn)換為 IIR（無(wú)限脈沖響應(yīng)）濾波器式結(jié)構(gòu)。該實(shí)現(xiàn)還避免了積分項(xiàng)的求和。它具有數(shù)字濾波器典型的“乘積和”形式，并且 ?DSP 已針對(duì)該形式進(jìn)行了優(yōu)化。

    圖2：FIR8濾波器
    DSP 代替 RC
    在許多應(yīng)用中，有必要評(píng)估模擬讀數(shù)，但噪聲等干擾可能會(huì)成為一個(gè)問(wèn)題。這通?？梢酝ㄟ^(guò)模擬低通濾波器來(lái)減少，但也可以通過(guò)數(shù)字方式實(shí)現(xiàn)。原則上，模擬抗混疊濾波器對(duì)于幾乎所有 AD 轉(zhuǎn)換都是必需的，但數(shù)字濾波可以通過(guò)過(guò)采樣來(lái)壓平對(duì)模擬預(yù)濾波器的要求。
    為了實(shí)現(xiàn)必要的帶寬，這使用了比根據(jù)奈奎斯特定理所需的采樣頻率（避免混疊所需的采樣率，等于信號(hào)頻率的兩倍）更高的采樣頻率。因此，可以使用具有低邊緣陡度的更簡(jiǎn)單的濾波器，其中對(duì)目標(biāo)頻率范圍的限制以及采樣率的降低是數(shù)字的，從而避免額外的電路復(fù)雜性。
    常用過(guò)濾器。FIR（有限脈沖響應(yīng)）或 IIR 是常用的濾波器。FIR 濾波器是非遞歸的，因?yàn)闆](méi)有輸出到輸入的反饋。因此它們總是穩(wěn)定的，產(chǎn)生有限長(zhǎng)的輸出信號(hào)。相比之下，IIR 濾波器可能會(huì)諧振并變得不穩(wěn)定，但通常需要更少的濾波器級(jí)才能實(shí)現(xiàn)指定的行為。由于 ?DSP 自行執(zhí)行濾波器計(jì)算，因此通常可以使用易于使用的 FIR 濾波器，而無(wú)需增加 CPU 負(fù)載（上圖 2）。
    “移動(dòng)平均”濾波器是典型的簡(jiǎn)單 FIR 濾波器。它通常用作簡(jiǎn)單的低通濾波器，提供平滑的測(cè)量讀數(shù)。所有濾波器系數(shù)都具有相同的值，并且通常以濾波器系數(shù)之和（表示濾波器的 DC 增益）等于 1 的方式進(jìn)行縮放（歸一化）。MB91470 的 ?DSP 可以在大約 1.2 微秒內(nèi)計(jì)算出具有 64 級(jí)的濾波器。因此，MB91F479 中兩個(gè) 12 位 ADC 的完整采樣率都可以與該濾波器一起使用，或者可以同時(shí)計(jì)算多個(gè)較短的濾波器。