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数字信号控制器的发展和应用

上网日期: 2002年04月27日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:digital signal controller? 数字信号控制器? Microcontroller(MCU)? 微控制器?

数字信号控制器(DSC)综合了MCU面向控制的特性以及DSP的快速计算功能,其混合结构能解决很多以前必须依赖MCU和DSP协同解决的工程难题。本文将介绍DSP和MCU的特点以及融合这些特点的DSC器件的特性。文章最后以摩托罗拉公司56800系列DSC为例,针对DSC电机控制的典型应用进一步深入了解。

DSC的发展如图1所示。DSC是DSP和MCU的混合体,并将在一段时间内与这些器件共存。图1中还出现了MPU,该类器件是不带片上外围器件(如存储器阵列)的高集成度处理器。

DSP是专业化程度很高的微控制器,其结构适合于以尽量快的速度运行数目较少的专用指令和专项操作。高速执行能力是数字环境下对实时模拟信号进行处理所必需的,而数字信号处理算法正适合于这些运算。

数字信号处理功能通常采用硬件模拟滤波器,而不是采用基于软件的数字技术。信号处理功能的一项关键特性是实时性能。由于需要处理的输入信号通常涉及电话、电视、多媒体系统和CD播放器等领域,这些信号必须在瞬间进行处理。如果DSP不能对信号进行快速处理,这些应用将不能实现。

MCU的可编程特性能实现很高的灵活度,但另一方面却较大地牺牲了性能。所有能在DSP上进行的运算均能在MCU(或MPU,这是除去了片上集成外设的MCU)上进行。两者之间的差异在于:MCU处理特定信号的速率较慢,但适合于进行很多其它类型的数据处理。因此MCU适用的应用系统通常有一个控制周期并要求进行各种各样的操作,而非大量的重复数值运算,DSP则擅长于很多重复数据运算的应用。

总之,MCU适合于对不同信息源的输入数据进行各种逻辑、诊断和算术运算处理,而DSP则能有效地执行大量的重复算术运算。

典型的DSP操作

DSP采用什么样的操作能减少重复处理次数来提高效率呢?这主要包括加法、乘法、延迟和阵列处理。图2为一个简单的有限脉冲响应(FIR)滤波器,FIR滤波器是图像和音频处理中最常用的DSP功能。

图中显示了DSP执行的基本操作类型。延迟运算要求处理器将数据存储在数据寄存器,保持数据以便于将来使用。乘积和加法运算则对来自不同位置的数据进行运算,结果存储在临时的结果寄存器中。由于数据代表连续的信号流,因此这些数据将存储在连续的内存空间。可以通过采用有效的寻址方式获取连续地址,并且寻址方式允许通过递增来记录指针指向操作数的内容。

一般的DSP结构经过优化后可以快速完成这些简单的操作,通常在单个周期中可以完成多项“乘积和累加”(或者通常提及的“MAC”)运算。

DSP和MCU的技术特征

DSP的第一个基本要求就是通过专用硬件执行MAC操作以及累器(结果)寄存器中的保护位操作,保护位可防止一系列MAC指令结果溢出。很多MCU也带有MAC指令,但远远不能与高性能专用DSP的并行MAC功能相媲美(在单个周期中可以完成多次运算)。

DSP的另一特性是具有同时访问多个内存空间的能力,通过同时存取数据和指令,可极大地提高数据吞吐量。这种结构称为哈佛(Harvard)结构,该结构采用分离的数据总线和指令总线。尽管很多MCU仍然使用传统的冯诺曼结构(采用单总线存取地址和数据),但越来越多的MCU现在已经开始使用哈佛结构。

DSP第三个性能是在不形成瓶颈的条件下产生地址并提取操作数,该特性一直被视为DSP所特有。为了将地址馈送至DSP的执行单元,在指令执行的同时,地址生成单元也将自动运行。这种寻址模式通过优化可以支持对存储数据的连续内存空间进行反复读取。该特性目前在MCU的寻址模式中应用相当普遍,例如“带后增量的寄存器间接寻址”,这种寻址模式允许MCU访问结构组织形式类似于DSP的数据。

柱式移位器(barrel shifter)是DSP的第四大硬件特征,柱式移位器是为了对寄存器内容进行快速处理的特定电路。定点DSP需要进行数据换算以得到与浮点处理器相同的动态范围。当然,柱式移位器的操作也可用软件实现,但由于需要耗费大量的时间而不适用于实时视频或音频应用。最近,MCU中也逐渐开始采用硬件柱式移位器。

传统MCU区别于DSP的最大特征在于其通用特点,这反映在指令集和寻址模式中。MCU包含丰富的控制指令和位操作指令,并能使用堆栈指针方便地操作数据。专用堆栈指针及其相关寻址极大地简化了编译器操作,并能有效地优化代码,使其尽可能短小。

MCU的另一大特性是包含片上外设。虽然现有的DSP都包含某些外部模块,如存储器和串行通信控制器,但MCU能更多地集成一些电路板上常用的外围器件。与DSP相比,MCU的快速中断功能更强。当芯片上集成了多个外设时,由于控制系统需要处理更多的中断源,因此需要快速的中断处理功能。

MCU和DSP的融合

回顾上述DSP或MCU产品的主要特性,显然,在这两类器件上都逐渐开始集成了一些相同的硬件,而DSC只是在这种发展中出现的一类产品。

由于应用中需要既具备MCU和DSP的功能,又具有低成本的特点,而DSC就是这类器件,因此DSC得到了迅速发展。DSC最终将取代这两种芯片,电机控制是其应用的一个实例。为了实现电机的有效控制,还需要很多集成至DSC的外围器件,如脉宽调制(PWM)定时器和ADC等。

在单个DSC芯片上集成这些器件具有以下优点:降低器件的整体成本、减小线路板空间、提高逻辑控制的可靠性。这些优势也促进了DSC器件的发展。

将所有这些特性融合在单个结构中,而不采用协处理器(即在线路板上,采用一个MCU和一个DSP协处理器)的方法只需开发一套软件程序,这样极大地简化了开发工作并降低了额外的开销,如简化了开发工具、不需要太多的开发经验等等,这样,控制部分和信号处理部分都包含在单个算法中。

应用实例

摩托罗拉56800系列是新一代数字信号控制器,其内部集成了传统DSP和MCU的所有主要硬件组成部分,其内核如图3所示,构成56800内核的四个功能单元分别为:程序控制器、地址生成单元、数据算术逻辑单元和位处理单元。由于每个功能块均自带寄存器组和控制逻辑,因此都能独立于其它三个模块进行工作。这四个功能单元并行工作,增大了数据吞吐量。每个功能单元都通过内部地址和数据总线与其它功能块和内存映射外设进行接口。

图中的另两个主要模块分别是片上仿真(OnCE)单元和时钟生成电路。OnCE模块用于调试设备,可经由专用引脚直接通过PC进行访问。时钟生成电路用来协调各单元与外设之间的同步。

56800算术逻辑单元(ALU)要利用寄存器,而非累加器,因此,运算结果可以回写至数据ALU五个寄存器中的任意一个。这增强了寄存器组的性能,因为特定算法中经常访问的变量可直接驻留在寄存器中,而中间结果则不需要临时存储在内存中,从而加快了数据处理速度。此外,基于寄存器的内核还有助于减小程序代码的长度。56800带有支持单周期乘法累加功能的DSP内核、16位双向柱式移位器以及进行快速位操作和其它典型MCU运算类型的独立处理单元。

56800带有基于软件的堆栈,这是MCU的通用特性,软件堆栈指针也是MCU的通用特性。这类堆栈指针具有允许无限制嵌套子程序和中断的优点,并能很方便地将参数传递给子程序和局部变量。

图4为56807 DSC,该芯片专为电机控制应用而开发。电机控制单元的通用外围器件包括ADC、PWM定时器和CAN控制器。

PWM模块产生控制电机速度和方向的信号波形,该模块具有PWM波形空载时间(dead time)失真校正功能。当DSP PWM输出对电机半桥电路进行驱动时,顶部和底部两个输出必须保证不同时有效,否则将导致Vdd短路到地,空载时间可确保两个有效PWM输出之间保持一定的时延。空载时间失真校正的效果如图5所示。

图5左侧的波形图是理想正弦波形从PWM模块应用到驱动感性负载的功率级得到的,失真是通过软件插入空载时间产生的。空载时间与PWM之比越大,失真就越明显。因此当使用需要较大空载时间的低功率器件,或者需要较高的PWM频率时,问题就尤为显著。

在空载时间间隔中监控负载电压可解决空载时间的失真问题。PWM模块获取有关负载电流方向的信息,并在两个PWM寄存器之间选取其中一个用来驱动输出进行波形解调。这消除了失真,得到与理想正弦波形更一致的电机波形,如图5右侧部分所示。此外,这还降低了电机谐波损耗,减少甚至消除了不必要的热损耗和转矩扰动。

DSC上另一经过优化的外围模块是ADC。在电机控制应用中,经常会用到向量控制算法,该算法需要在ADC的输入信道上同时进行两个转换。两个同时进行的相电流(Ia和Ib)转换有助于获取电机电流的瞬态取样,如图6所示。由诺顿电流定律可推导出第三相电流Ic,因为流入A相和B相的电流之和必须等于流出C相的电流。

56800系列芯片上的ADC专为精确的向量测量而设计,具有高分辨率(12位)、快速采样(采样时间2uS)和同时采样的性能特点。

本文小结

数字信号控制器的出现具有必然性,这是数字信号处理技术的迅猛发展所决定的。DSC的主要优势在于能够提供信号处理引擎和控制器单元。过去这些功能由MCU和DSP器件实现,但其成本高得难以接受,DSC能降低芯片组成本;另外,由于DSC只在一个可编程器件中进行软件设计,其调试快捷也是一大优势。

DSC的可用性将使信号处理算法在嵌入式控制系统设计中获得更大的应用,进一步降低那些以前需要高成本器件、大量开发工作的产品成本。

作者:Ross Bannatyne

摩托罗拉公司半导体产品部







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