提升嵌入式应用效能，混合信号处理器崭露锋芒
发布时间：2014-5-9 13:28
发布者：eechina
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混合信号处理器行情看俏。整合安谋国际(ARM)架构32位元核心与高效能模拟元件及数字周边的混合信号处理器，可针对不同目标应用需求，调整各项参数设定，以达到最佳的效能表现，并降低整体物料清单(BOM)成本，因而日益受到嵌入式系统开发商青睐。 未来的嵌入式系统在设计上将面临复杂的挑战，因为嵌入式系统对于性能、成本、功率、尺寸、新功能以及效率等方面的改善都具有严苛的要求。然而，有一种新兴的设计选项能够因应这些复杂的难题--将模拟元件巧妙地整合到安谋国际(ARM)微控制器(MCU)核心当中。这种方法与传统模拟整合方案的差别，在于它能提供高水准效能，以及可用来解决特定的系统级问题。虽然每个市场对于须要改善的方面都有其自己的先后顺序，但是同时满足多项因素仍然是受到高度期待的，而且可以藉由数个分离式元件的整合来加以实现。依逻辑来说，将零件加以结合可以达成许多前述的嵌入式系统目标，但是单纯的只是将数个分离式元件与一个处理器放入一个封装当中，此绝非最佳答案；解决方案远比这样复杂多了，我们还须要智能型整合。 开发混合信号处理器 须克服模拟/数字元件IP整合难题 放大器、模拟数字转换器(ADC)、数字模拟转换器(DAC)、电压参考器、温度传感器、无线收发器等高性能模拟元件，与来自ARM的32位元处理器核心，加上适当的数字周边所形成的智能型整合，能够达成分离式解决方案所无法实现的目标。 为了开发出最佳化的混合式信号控制处理器，晶片设计公司必须具备总体系统的广泛知识、适当的硅知识产权(IP)，以及这些IP相关的专业技术。无庸置疑地，为这些整合式元件设定特性的晶片设计者与系统工程师必须要对于终端应用的需求具有相当程度的了解。 这种领域知识相当的重要，而且还包含了对于电路板等级需求--包含外型尺寸、温度范围、生产方面的注意事项、功率消耗、成本以及在信号链中搭配的元件等需求须扎实了解。图1所示为经常被使用于元件当中进行智能型整合的模拟与数字IP区块。 
图1 智能型整合系针对目标应用领域将模拟与数字IP加以结合与最佳化。 适当IP的取得能够为实现系统层级的目标提供一个强而有力的起点。这个起点必须要用来缩短混合信号控制处理器的开发时程。逐渐的，IP本身的搜集/创造以及执行，会越来越须要由半导体生产厂商去推动。接着此项IP必须要加以修改，以便符合两项特殊的需求，第一项是依据主要目标应用领域的需求将性能与运作最佳化，进而使得系统级的优点最大化；其次是将IP最佳化成能够非常轻易地与混合信号控制处理器中其他搭配的IP区块协同工作。 最后，还须有企业层次的合作机会，将系统生产厂商与半导体制造厂商的专业技术与知识加以结合，才能够产生出一个最佳化而且独一无二的设计。 高效率/低耗能/小尺寸优势显 混合信号控制处理器应用层面广 有许多的应用领域能够获益于整合了高性能模拟与ARM微控制器核心的元件，其中包括了温度感测、压力感测、瓦斯侦测、太阳能变频器、马达控制、医疗照护生命征象监视、汽车监测系统，以及瓦斯/水/电力计量表等。 本文将会专注在因为将最佳化的高性能模拟与ARM微控制器核心加以整合，进而在成本、功率、尺寸与性能等方面获得显著利益的两种应用领域。其一为以提高效率、降低物料成本及支援智能型电网连结的智能整合为目标的太阳能光电(PV)系统逆变器；另一个则是针对环境效益与降低成本为目标而改善效率的马达控制。 值得注意的是，虽然这些经过智能型整合的混合信号元件，都已经针对特定终端应用领域而予以最佳化，但是它们依然可以在许多具有与主要目标应用领域相类似功能需求的相似应用领域中，良好的运作。 [@B]．应用实例一：太阳能光电逆变器[@C] ．应用实例一：太阳能光电逆变器 虽然太阳能PV电力生成系统在过去5年内的年成长率已经超过了50%，但是它们仍然只占了全球发电总量当中非常少的百分比。即使在某些地区里的太阳能PV发电已经达到了与燃油发电的成本平价(Cost Parity)，但是大部分地区仍然尚未实现，而且通常这种平价是仰赖政府的补助达成的。 若想要在与传统能源像是天然瓦斯、煤及石油的竞争上占有优势，太阳能PV发电的成本必须藉由效率的提升与物料成本的降低来加以实现。随着面板的成本与效率朝着正确的方向发展，新的技术也会为太阳能PV转换器带来进步--在太阳能面板所生成之电力与电网间的介面。这些新的技术包括有NPC3级/5级/多级、高频率切换拓扑、利用以碳化硅(SiC)与氮化镓(GaN)材料为基础的快速功率电晶体。 图2所示为一组两级的太阳能PV转换器系统。来自于面板的电力(基本上为DC来源)被转换成AC后就可以馈入电网当中。第一级是直流对直流(DC-DC)的转换，将电压位准提高使其与电网中的峰值电压相容。第二级是直流对交流(DC-AC)的转换。框起来的区域所代表的是做为控制之用的低电压元件，当其结合至单一混合信号控制处理器当中时，会以系统层级提供其优点。成本的节省是透过将多重元件整合至单一元件当中，以及改善新的高速切换拓扑的效率来实现。获得的结果就是更低价的每仟瓦(kW)安装成本。假如使用更小的电感器，那么新拓扑还能够更进一步地节省总体物料成本，并且缩小逆变器的尺寸。 
图2 两级太阳能PV转换器系统的方块图，框起来的区域代表锁定智能型整合的区块。 高速连续近似暂存器(SAR)ADC非常适用于这种应用领域，因为它们能够提供适当的精确度位准(13ENOB)、快速的转换速度以便支援更高的频率控制回路，以及支援多重输入通道与低延迟(<1微秒(μs))的多工传输能力。这个系统具有两组ADC做为对GRID上电流与电压的同步取样；此外也需要大量进入ADC的输入通道，以便监测系统中的多点--在部分应用中会出现高达二十四个模拟通道。以缓冲方式进行的特殊多工传输被设计出来并且与ADC连结，藉以支援此项需求。 为了支援多级转换与高速控制回路，必须要选择具有正确架构性能与高速运作能力的处理器。在这个案例当中，专为在温度范围内超过200MHz运作所设计的ARM Cortex-M4核心将能够符合所需。 图2中所示的SINC滤波器被用来与隔离ADC连结。这使得电网上的AC电流与DC电流注入能够加以量测，目的是为了避免变压器的饱和。传统的方法是采用一组霍尔效应(Hall Effect)电流传感器，但是相较于隔离ADC而言是很昂贵的。这是假定SINC滤波器被整合至混合信号控制处理器当中，以避免在物料清单中额外出现可编程逻辑晶片。隔离ADC-SINC滤波器的结合也能够提供额外的优点，藉以改善在霍尔效应传感器上的线性度，这将可以使谐波失真降低。 随着电网变得越来越聪明，太阳能PV逆变器将须要有更多的智慧来协助处理电网的失调。有时候会发生获得多处来源的过多电力，因而超出需求的情况。为了这个原因，PV系统必须要有一项机制能够专注在电网的整合上，每个对于电网的贡献者都必须合作以便稳定供电。 电网整合须对送入电网的能源品质有更好的量测、控制与分析。谐波分析引擎是为了监测注入电网的电力品质而特别设计的，其有助于因应这项需求。以许多的变数包括了谐波失真、电力、电压有效值(RMS Voltage)、电流有效值、无功伏安(VAR)、伏安(VA)，以及功率因数等进行计算，电力的品质也就能够加以监测。一个专门用来执行这些计算的引擎能够提供非常高的精确度，并且让ARM Cortex-M4核心不须要担负运行这项任务的责任。 太阳能逆变器使用针对此项终端应用领域而谨慎设计的混合信号控制处理器，因而能够显著地获得系统层级的优点。对于市场趋势的了解以及扎实的系统知识，能够产生出以低晶片数量支援次世代拓扑的智能型整合晶片，而且同时也加入了支援连结智能型电网的特点。 ．应用实例二：节能马达控制 除了以环境问题考量能源是如何产生之外，同时也应该思考如何有效率的使用能源。假设马达占了全世界用电的40%，那么随之而起的问题就是这些系统要如何更节能。答案就是让它们更具有效率，如此就会使用较少的能源。广泛使用更具效能的马达，能够节省庞大数量的能源：节省数千亿仟瓦小时(kWh)的电力以及每年减少数百万吨排放至大气中的二氧化碳。较具效率的马达所带来的影响是显而易见的。 更具效率马达的使用有两项特定的关键性诱因。第一项推动力就是基于对环境考量而做的政府立法。欧盟对于更具效率马达系统的使用，有提出适当的规范，而且未来还会有更多。另一项关键的推动力则是终身成本的优点。马达控制系统的成本大约有15%是物料，85%是使用于作业上的能源。因此具有更高效率马达系统，在产品寿命成本的降低上有相当大的潜力。 更高的效率可以透过特殊的马达设计、马达类型的挑选，替没有这类型控制的系统增加可调速驱动器(ASD)，以及利用演算法使效率最佳化来加以实现。就特殊的马达设计与挑选特殊的马达类型来说，永磁马达已经成为注目焦点，而使用率也在上升中。永磁马达的效率可以高达96%，远超过欧洲的优质效率标准(IE3)。 经过智能型整合的混合信号控制处理器，可进一步优化调速驱动马达与控制演算法的操作。将以ARM为基础的中央处理器(CPU)次系统、脉冲宽度调变(PWM)、ADC及多工传输，透过具有成本效益的方式整合，能够为调速马达带来系统级物料成本的降低。 控制演算法能够透过使用具有快速转换时间的高精确ADC来加以改善，这将会为整个马达系统带来有效率的增益。具有超过12位元精确度的ADC，可以改善用以控制相位电流的精密度，但是取样转换延迟无法针对更高的精确度加以权衡。这将会消去ADC为了改善讯噪比(SNR)而进行平均或是超取样的选项。变数必须要以终端机器正在移动的速率(例如：拾起与放置机器)进行量测。以快速ARM微控制器核心补足的快速转换时间，让控制回路能够更快速的运作，进而获得更好的响应与稳定时间。其次这将可以提高生产产品线系统的总处理能力与效率，进而降低生产成本。 就如同相对于太阳能PV应用领域一样，SAR ADC对于马达控制来说也是个良好的选择。在马达控制的情况下，高性能SAR ADC可以不须要为了符合需求而选择平均或是超取样即可进行设计。 图3中的不同IP区块是经过非常谨慎的设计，使它们可以非常良好的协同运作。所需要的结果是一个非常灵敏的仪器次系统，能够搜集多重、精密排程的取样，并且有效率的将它们传送到ARM的主要记忆体当中。对于马达控制器而言，相绕组电流与其他的量测都能够在PWM周期中经过精密设定的点上进行同步取样。接着经过取样的资料就可以有效率的被移动(没有间接消耗)到微控制器的记忆体当中进行处理。在混合信号控制处理器当中的五个不同区块必须要协同运作，以便执行这项任务。 
图3 马达控制系统方块图 以PWM脉冲开始的周期会被传送至触发路由单元(TRU)，此单元具有连结主要触发器与从属触发器的职责。在这个情况当中，PWM是主要触发器，而ADC控制器(ADCC)计时器则是从属触发器。ADCC必须要能够管理大量的事件与使用计时器(TMR0/TMR1)，以便追踪从PWM触发器到起始一个特殊ADC事件需要多长的时间。利用计时器与一项特殊事件相匹配，对ADC输入多工传输(M0 & M1)与通道进行挑选。接着转换器起始信号会被传送至ADC。取样资料会被从ADC移动至ADCC，然后再从ADCC经由DMA移动到微控制器静态随机存取记忆体(SRAM)。图4所展示的是PWM脉冲、PWM同步、以及由ADCC所控制的ADC事件之间的相对时序。 
图4 使用ADC五项不同马达控制变数进行取样的时序 适合PWM、TRU、多工传输、缓冲、SAR ADC、以及DMA的良好基本IP已经可以取得，并做为专用于马达控制的混合信号控制处理器设计之用。然而，为了达成在PWM期间内ADC取样的精密时序所需的协调位准，将这些区块加以特定的设计修改是有其必要的。之所以需要ADCC区块是因为其他的IP区块要被整合至单晶片当中，而且须加以协调。ADCC是专为此一需求并可完整运用两组ADC引擎(具有380奈秒(ns)快速转换器时间)的高速度所设计。 先进的基础技术只是起始点而已--晶片设计者必须具有对客户系统的广泛知识，以及在设计、应用，与精密模拟和数字元件的最佳化方面有深入的专业技术。 此外，晶片厂商必须愿意并且能够直接地与系统生产厂商互动与合作，以开发出新的产品。最为适合的元件被挑选出来之后，就会针对目标终端应用领域进行最佳化，而IP区块则会被加以修改，使其能够良好的协同运作，接着只有经过最佳化的元件能够加以整合。 来源：新电子 |
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