使用最新的开发工具实现实时和闭环控制，减少设计开销

帮助开发人员实现最小延迟和最大可靠性 许多行业依赖于具有最小延迟和最大可靠性的控制系统。这些行业，如机器人、电机控制、配电、汽车、电动汽车、备用电源等，正在稳步升级传统模拟系统，由微控制器（MCU）和数字信号控制器（DSC）供电的现代实时闭环控制系统。这种现代化工作的优势包括更高的效率、安全性、增强的功能和面向未来的环境。然而，只有当配备各种功能外设的极其可靠的MCU/DSC可用，并且开发资源也可用于减轻严格的功能安全和汽车标准的开发负担时，这些优势才有可能实现。

MCU/DSC和开发人员在接近实时和闭环控制系统时面临许多挑战，Microchip开发了一系列强大的MCU/DSC系列和开发资源，以帮助开发人员克服这些障碍。本文旨在向设计人员和开发人员介绍与这些关键系统相关的几个挑战，以及Microchip用于缓解这些挑战的尖端解决方案。

问题：实时可靠性和闭环控制 实时/闭环控制

要求对可靠性和确定性行为非常严格。具有这些规格的应用往往用于关键的工业和汽车系统，因此电子设备在各种环境（包括极端环境）中运行的能力至关重要。大多数MCU/DSC（以及大多数电子设备）在经历极端温度、大量冲击/振动、高水平的电磁干扰（EMI）或承受重大g力时，无法在合理的使用寿命内可靠地运行。

实时可靠性还意味着电子设备可以以极低的延迟响应外部输入并成功完成计算/操作，以提供正确的输出控制和数据。MCU/DSC能够作为闭环控制器运行需要许多因素，包括内置冗余、纠错等。这尤其具有挑战性，因为这些MCU/DSC通常还承担非关键功能的任务。虽然这些非关键功能可能不是关键任务，但它们可能需要使产品具有竞争力或提供重要的辅助功能。遗憾的是，实时MCU/DSC的处理能力有限，尤其是低功耗8位变体，通常关键和非关键功能必须共享资源。这种负担通常意味着嵌入式开发人员必须花费大量开发资源来仔细平衡处理器资源。

此外，提供实时/闭环控制所需的复杂算法和高级计算通常已经很复杂，而有效平衡处理器负载的额外需求加剧了这一挑战。在极端工作条件和高水平的性能要求下确保系统稳定性是一项多方面的挑战，具有许多关键因素。这些因素之一S在电气噪声环境中实现了稳定性和系统安全性。噪声干扰可能存在于电源线、通信线路、内部互连，甚至来自各种外部源的控制/通信输出上。噪声源在具有高瞬态电流/电压、高功率通信、冲击/振动和其他噪声贡献因素的工业和汽车环境中很常见。

应对实时/闭环控制嵌入式设备挑战

Microchip提供多个8位MCU和16位MCU/DSC系列，这些系列的设计考虑了实时/闭环控制应用。这些 MCU/DSC 配备了多种功能和特性，可减轻处理器负担、确保可靠性/系统稳定性、减轻噪声干扰并实现在极端环境中运行。此外，Microchip还提供开发工具、软件库、参考设计、代码示例和其他资源的生态系统，以简化用于严格工业和汽车应用的实时/闭环控制设备的开发，包括有助于关键认证和标准合规性的资源。

减轻处理器负担

Microchip已使用多种方法来减少常见实时/闭环控制应用中的关键MCU/DSC资源使用，即独立于内核的外设（CIP）、智能模拟、外设到外设触发以及资源要求足够高的双核16位MCU/DSC。这些功能可用于Microchip的多个8位MCU和16位MCU/DSC系列，并且所有功能、操作和操作通常需要中央处理器的监督（如果不是直接控制）。

用于 8 位 MCU 和 16 位 MCU/DSC 的 CIP 包括外设，如窗口看门狗定时器、脉宽调制、可配置逻辑单元、高耐久性闪存、数控振荡器、数学加速器、加密认证引擎，以及各种其他控制、通信、安全和执行器功能。其中许多外设（包括定时器、传感器和安全功能）甚至可以触发其他外设的动作，而无需开发复杂的代码或使用中央处理器资源。

此外，许多用于坚固型嵌入式应用的Microchip MCU/DSC还包括智能模拟外设，而不仅仅是模数转换器（ADC）和数模转换器（DAC）。其中一些集成外设包括运算放大器、数字信号调制器、固定基准电压源、零交叉检测功能、斜率补偿和各种比较器，可用于预处理输入并减轻处理器对控制输出进行复杂数学运算和转换的负担。总体而言，这些MCU/DSC功能可以显著降低给定应用所需的处理能力，从而为其他最终产品功能腾出资源。如此大量的资源节省还可以允许使用功耗更低、成本更低的MCU/DSC。

增强系统稳定性和抗噪性

确保整体系统稳定性包括ES 一组复杂的因素，具体取决于合规性标准、操作条件和特定于应用程序的标准在起作用。对于许多应用来说，一些最关键的因素是存储器稳定性、寿命和无差错操作，以及抗噪性、可靠的通信和功能安全操作。Microchip通过为MCU和DSC提供高耐用性存储器、纠错码（ECC）存储器、强大的通信协议、出色的抗噪性、高（5V）电源轨以及符合多个行业和汽车标准的功能安全来满足这些需求。

高耐用性和 ECC 存储器通过最大限度地减少与内存衰减和转录错误相关的错误来提供可靠性。Microchip的高耐用性闪存允许比典型闪存更多的读/写周期（即数十万个）。对于实时/闭环控制应用，存储器每天可能经历数百个读/写周期，集成或外部存储器的耐用性可能是器件使用寿命的限制因素。对于 16 位 MCU/DSC，可以使用集成 ECC 存储器，它可以实时捕获和纠正存储器错误。这种类型的内存以非常小的延迟执行校正，并防止内存错误影响实时控制系统。

通信是实时/闭环控制系统的另一个薄弱环节，其中可靠的传感器信息输入和控制信号输出对于适当和安全的功能是必要的。强大的通信协议，如CAN、CAN FD和SENT，是为汽车行业设计的，以可靠地传输传感器信息并传递控制信号。这些协议现在广泛用于各行各业，用于类似目的，Microchip的许多实时MCU/DSC都包含能够实现这些协议的集成接口。

功能安全是源自汽车行业的另一个标准，符合功能安全标准的设备配备了即使在故障或其他系统故障的情况下也能强制安全操作的功能。这些标准中有几个功能安全标准和级别，合规性涉及用于实现控制系统的硬件、软件库和代码。因此，Microchip提供具有功能安全特性的MCU和DSC，其中包括一系列可靠性特性，如系统监控、冗余、备份振荡器、GPIO引脚ESD保护等。

Microchip 硬件和软件库促进的标准合规性包括 IEC 60730（A、B 和 C 级）、IEC 61508/SIL（1、2、3 和 4 级）以及 ISO 26262/ASIL（A、B、C、D 级），其中包括符合 ISO 26262 标准的编译器、故障模式影响和诊断分析 （FMEDA） 报告、设备级安全手册、 诊断软件、MISRA 插件和第三方 LDRA 工具套件，用于实现功能安全合规性。

例如，Microchip的8位实时/闭环控制产品包括四个MCU系列：PIC18F Q10、PIC16F1386、ATtiny1607和ATmega4809，它们都配备了集成CIP、智能模拟、鲁棒通信和其他功能。这些 MCU 非常适合工业控制应用l 和汽车、物联网 （IoT） 和消费电子产品。这些系列中的几种型号增加了稳定性和抗噪性（5V 电源轨）功能。其中一些型号的额定工作温度还高达150ºC，远远超过了大多数嵌入式MCU的环境要求，并为极端系统中的设备放置开辟了广阔的可能性。

还有许多其他16位MCU/DSC具有功能安全特性，例如此处列出的特性，以及使其非常适合稳健应用的其他特性。这些附加功能包括 RAM BIST、非法操作码检测、窗口看门狗定时器、PWM 故障管理和其他故障管理/预防功能。

支持开发

除了强大的硬件外，功能强大的软件开发工具和其他资源还有助于实现实时/闭环设备。通常，这些类型的系统由具有高学习曲线的软件支持，并且非常特定于所使用的应用程序和技术。然而，借助Microchip的开发资源，软件工具与Microchip MCU，DSC和微处理器（MPU）广泛兼容。它们的功能足以支持几乎所有嵌入式电子应用和开发人员。例如，MPLAB® 代码配置器 （MCC） 是一种图形编程环境，可供希望节省时间的经验丰富的开发人员使用，也可以由希望缩短实时应用程序代码开发学习曲线的没有经验的开发人员使用。

MCC可以通过MPLAB X集成开发环境（IDE）或基于云的MPLAB Xpress IDE自由访问，并且可以通过几个关键的应用工具进行扩展，即motorBench®开发套件和数字电源设计套件［16，17］。这些套件附带了从事电机和电源应用的设计人员熟悉的开发工具，使确定和编码算法变得高效而简单。

此外，Microchip还为非常具体的应用提供了大量专业开发的代码示例和参考设计。虽然开发人员通常需要梳理成堆的研究文档、手册和书籍，或者花费宝贵的开发资源来试验多种方法，但使用 Microchip 参考设计和代码示例的开发人员可以获得易于集成的工作代码以及必要的背景，以快速开始开发工业级解决方案。

实时的实际应用 电子的实时或闭环控制对于各种工业应用至关重要，包括重型电机控制、

实时处理、机器人控制和各种大功率应用。考虑到所涉及的环境、费用和监管因素，需要实时控制的电子产品必须非常谨慎地设计。实现工业级实时控制系统的主要挑战包括CPU负担过重、克服软件系统复杂性、增强系统抗噪能力以及确保系统稳定性。Microchip提供多种独特的硬件和软件解决方案，有助于实时控制签署人减轻这些挑战，并实现有竞争力的工业电子产品的开发。

审核编辑：郭婷