将模拟组件与Arm微控制器内核相结合解决嵌入式系统问题

鉴于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率方面的积极改进目标，未来嵌入式系统的设计提出了复杂的挑战。然而，有一种新兴的设计选项可以解决这些复杂问题 - 模拟组件与ARM微控制器内核智能集成。这种集成与传统模拟集成之间的区别在于现在提供的高性能水平以及为解决特定系统级问题而进行的优化。虽然每个市场都有自己的订单排名来改善这些领域，但同时满足多个因素是非常可取的，并且可以来自众多分立元件的集成。从逻辑上讲，组合器件可以解决许多嵌入式系统目标，但简单地将多个分立元件和一个处理器放在一个封装中并不是答案;该解决方案要复杂得多，需要智能集成。

模拟和数字的智能集成

将ARM的高性能模拟元件（放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器等）和32位处理器内核与合适的数字外设智能集成，可以实现分立式解决方案无法实现的目标。为了创建最佳的混合信号控制处理器，需要对整个系统有深入的了解，以及正确的知识产权（IP）的可用性，以及该知识产权方面的专业知识。毋庸置疑，指定这些集成器件特性的芯片设计人员和系统工程师必须对最终应用要求有非凡的理解。该领域知识至关重要，包括对电路板级要求的深入理解，例如外形尺寸、温度范围、制造考虑因素、功耗、成本和信号链中的互补组件。图1显示了智能集成设备中常用的模拟和数字IP模块。

图1.智能集成：模拟和数字 IP 相结合，针对目标应用进行了优化。

正确 IP 的可用性为满足系统级目标提供了坚实的起点。为了缩短混合信号控制处理器的开发周期，需要这个起点。半导体制造商越来越多地需要为适合应用的IP本身的获取/创建和实施提供便利。然后需要修改此 IP 以满足两个特别的要求。第一种是根据主要目标应用的需求优化性能和操作，从而最大限度地提高系统级优势。其次是优化IP，使其与混合信号控制处理器中的其他互补IP模块很好地和非常容易地工作。

最后，需要在业务层面提供协作机会，将系统制造商和半导体制造商的专业知识和知识结合起来，从而产生优化的独特设计。

混合信号控制处理器应用

将高性能模拟与ARM微控制器内核集成在一起的器件使许多应用受益，包括温度检测、压力检测、气体检测、太阳能逆变器、电机控制、医疗保健生命体征监测、汽车监测系统和燃气表/水表/电表。本文将探讨两个应用领域，其中优化的高性能模拟和ARM微控制器内核的集成在成本、功耗、尺寸和性能方面具有显著优势：

用于太阳能光伏 （PV） 系统的逆变器，其目标是提高效率、降低物料清单 （BOM） 成本以及集成智能以支持与智能电网的接口。

电机控制，其目标是提高效率，实现环境效益和降低成本。

请注意，虽然这些智能集成的混合信号器件针对特定的终端应用进行了优化，但它们也可以很好地适用于与主要目标应用具有相似功能要求的众多相邻应用。

太阳能光伏逆变器：降低成本，实现智能电网的更广泛使用和智能化

虽然太阳能光伏发电系统在过去五年中的年增长率超过50%，但它们仍然只占全球总发电量的很小一部分。尽管在一些地区，太阳能光伏发电的成本已经达到与化石燃料发电相当的水平，但在大多数地区还没有，而且这种平价通常取决于政府补贴。

为了更好地与天然气、煤炭和石油等传统能源竞争，太阳能光伏发电的成本降低最好通过提高效率和降低系统BOM成本来实现。随着电池板本身的成本和效率朝着正确的方向发展，新技术也有望推动太阳能光伏逆变器的发展，太阳能光伏逆变器是太阳能电池板产生的电力与电网之间的接口。这些新技术包括NPC 3电平/5电平/多电平高频开关拓扑，利用基于碳化硅（SiC）和亚硝酸镓（GaN）材料的快速功率晶体管。

图2显示了一个两级太阳能光伏逆变器系统。来自面板的电力（本质上是直流电源）被转换为交流电，因此可以馈送到电网。第一级是DC-DC转换，可提高电压电平，使其与电网上的峰值电压兼容。第二阶段是DC-AC转换。红色轮廓区域显示了用于控制的低压组件，当它们组合到单个混合信号控制处理器中时，可以在系统级别上带来好处。通过将多个组件集成到单个器件中以及通过提高新型高速开关拓扑的效率，可以节省成本。结果是降低了每千瓦的安装成本。由于可以使用更小的电感器，因此使用新拓扑还可以节省成本。这节省了BOM成本，并允许减小逆变器的尺寸。

图2.台式太阳能光伏逆变器系统框图;红色区域显示用于智能集成的目标 D 块。

高速逐次逼近寄存器（SAR）ADC非常适合此应用，因为它们提供适当的精度水平（13 ENOB）、支持更高频率控制环路的快速转换速度、支持多个输入通道多路复用的能力以及低延迟（<1μS）。该系统具有两个ADC，用于同时对电网上的电流和电压进行采样。为了监控系统中的多个点，ADC需要大量输入通道，在某些情况下多达24个模拟通道。为了满足这一要求，设计了带缓冲的特殊多路复用器并与ADC接口。

为了支持多级转换和高速控制环路，需要选择具有适合高速运行的架构性能和能力的处理器内核。在这种情况下，ARM Cortex™-M4，设计用于在温度范围内大于200MHz的工作，将满足需求。

sinc滤波器（如图2所示）与隔离ADC结合使用。这允许测量电网上的交流和直流注入，以避免变压器饱和。传统方法是使用霍尔效应电流传感器，但与隔离 ADC 相比，这很昂贵。这假设sinc滤波器集成到混合信号控制处理器中，避免了BOM中以可编程逻辑形式增加芯片。与霍尔效应传感器相比，ADC sinc滤波器组合的隔离还具有改善线性度的额外优势，从而降低了谐波失真。

随着电网变得更加智能，太阳能光伏逆变器将需要具有更多的智能来帮助解决电网不平衡问题。也就是说，从多个来源获得的功率超过所需功率的情况。出于这个原因，人们关注光伏系统智能，着眼于电网整合，其中电网的每个贡献者必须合作以稳定电网。电网整合需要更好地测量、控制和分析馈入电网的能源质量。专门设计用于监测注入电网的电能质量的谐波分析引擎有助于满足这一需求。通过计算许多变量，包括谐波失真、功率、均方根电压、均方根电流、VAR、VA和功率因数，可以监控电源质量。执行这些计算的专用引擎可以提供非常高的精度，同时减轻 ARM Cortex-M4 内核执行此任务的负担。

太阳能逆变器可以在系统层面显著受益，使用混合信号控制处理器，这些处理器的设计考虑了这种最终应用。对市场趋势的理解和扎实的系统知识可以带来智能集成的芯片，能够支持芯片数量较少的下一代拓扑，同时还增加支持与智能电网接口的功能。

电机控制：提高效率，改善环境并节省终身成本

除了对能源如何产生的环境问题外，还存在对能源使用效率的担忧。鉴于电机占全球用电量的40%，提出的问题是如何使这些系统更加环保。答案是使它们更有效率，从而减少能源的使用。广泛使用更高效的电机所节省的成本是巨大的：电力节省数千亿千瓦时，一氧化碳减少2 每年释放到大气中的数百万吨。更高效的电机的影响显然非常显著。

具体来说，使用更高效的电机有几个关键驱动因素。一个推动力是政府立法，由环境问题驱动。欧盟已经制定了法规，未来还会有更多法规要求使用更高效的电机系统。另一个关键驱动因素是终身成本优势。电机控制系统成本的近似值为材料的15%和基于运行所用能源的85%。因此，以更高的效率降低电机系统的生命周期成本具有巨大的潜力。

通过特殊的电机设计、电机类型的选择、为没有这种控制的系统添加可调速驱动器 （ASD） 以及优化效率的控制算法，可以实现更高的效率。在特殊电机设计和特定类型电机的选择方面，永磁电机一直是焦点，并且使用量一直在上升。永磁电机的效率可高达96%，超过了欧洲的超高效率标准（IE3）。

智能集成的混合信号控制处理器为 ASD 和控制算法提供了潜在的改进。经济高效地集成基于 ARM 的 CPU 子系统、PWM、ADC 和多路复用器，从而减少 ASD 的系统级 BOM。

通过使用具有快速转换时间的高精度ADC，可以改进控制算法。这提高了整个电机系统的效率。精度大于12位的ADC可提高相电流的控制精度。但是，不能用采样转换延迟来换取更高的精度。这样就消除了ADC为改善SNR而进行平均或过采样的选项。变量需要以终端机器的移动速率进行测量（例如，拾取和放置机器）。快速转换时间与快速ARM微控制器内核相辅相成，使控制环路运行得更快，从而获得更好的响应和建立时间。反过来，这可以提高制造生产线系统的吞吐量和效率，从而降低生产成本。

与太阳能光伏应用一样，SAR ADC是电机控制的不错选择。在电机控制情况下，高性能SAR ADC扫描设计无需平均或过采样即可满足要求。

图 3 中的各种 IP 模块经过精心设计，因此它们可以很好地协同工作。期望的结果是一个非常敏捷的仪器子系统，可以采集多个精确调度的样本，并将它们有效地传送到ARM的主存储器中。对于电机控制，相位绕组电流和其他测量值都可以在PWM周期中精确指定的点同步采样。然后，采样数据可以有效地移动到微控制器的存储器中进行处理，没有开销。混合信号控制处理器中的五个不同模块需要协同工作才能完成此任务。

图3.电机控制系统框图。

该周期从发送到触发路由单元 （TRU） 的 PWM 脉冲开始，该路由单元的任务是将触发主机连接到触发从机。在这种情况下，PWM是触发主机，ADC控制器（ADCC）定时器是触发从机。ADCC需要能够管理大量事件，并使用定时器（TMR0/TMR1）来跟踪从PWM触发到启动特定ADC事件的时间。当定时器与特定事件匹配时，选择ADC输入多路复用（M0和M1）和通道（ADC0和ADC1）。转换开始信号随后被发送到ADC。样本数据从ADC移动到ADCC，然后通过DMA从ADCC移动到微控制器SRAM。

下面的图4显示了PWM脉冲、PWM同步和ADCC控制的ADC事件之间的相对时序。

图4.使用ADC对五个不同电机控制变量进行采样的时序。

PWM、TRU、多路复用、缓冲、SAR ADC和DMA提供了良好的基本IP起点，用于设计针对电机控制的混合信号控制处理器。然而，为了在PWM周期内实现ADC采样的精确时序所需的协调水平，有必要对这些模块进行特定的设计修改。对ADCC模块的需求是基于这样一个事实，即其他IP模块集成到单个芯片中并且需要协调。ADCC专为满足这一要求而设计，并充分利用了两个ADC引擎的高速，其快速转换时间为380 ns。

结论

先进的基础技术只是起点，芯片设计人员必须对客户的系统有广泛的了解，并在精密模拟和数字组件的设计、应用和优化方面拥有深厚的专业知识。此外，芯片制造商必须愿意并且能够直接与系统制造商互动和协作，以创造新产品。选择最合适的组件，针对目标终端应用进行优化，并修改IP模块以很好地协同工作。只有这样，优化的部分才能被集成。ADI公司提供了这些智能集成产品的示例，包括ADuCM360，这是一款完全集成的3.9 kSPS24位数据采集系统，以及集成了双通道高精度403位ADC和ARM Cortex-M408处理器内核的ADSP-CM16F和ADSP-CM4F混合信号控制处理器。

审核编辑：郭婷