MCU+NPU集成迎来新突破？

随着MCU主要应用领域工业和汽车领域对智能化的需求增加，高性能、智能化、低延迟、决策更快的实时控制成为MCU发展的重要方向。基于此，作为全球头部半导体厂商的TI提供了怎样的产品方案？

当下，MCU应用已经渗透到智能家居、工业自动化、汽车电子、航空航天等多个领域。MCU在从8位到32位，再到64位过程中，处理能力日益强大。并且更多外设和功能与MCU集成到单一芯片上，实现了更高程度的集成化和微型化的MCU。

不过产品性能快速发展的同时，目前MCU也面临许多应用上的痛点：随着应用越来越复杂，对MCU的性能要求越来越高，但也需要寻求MCU性能与成本、MCU算力与功耗的平衡。

同时，随着网络安全威胁的增加，MCU需要集成更多的安全特性来保护系统免受攻击。尤其是在关键应用中，如汽车和工业控制，高可靠性和稳定性的MCU是必不可少的。

此外，随着MCU算法性能的提升，MCU需要处理的数据也越来越复杂。提高故障检测的实时性、准确性，降低复杂性也是集成化MCU应用锁面临的重要挑战。

为了解决以上MCU应用领域的痛点，当下主流MCU厂商陆续设计了不同角度的方案，例如以开源软件和开发工具实现成本降低;或是采用模块化设计减少开发和测试成本，等等。

作为全球头部的半导体厂商，近日德州仪器(以下简称“TI”)也发布了两款新型C2000TMMCU——TMS320F28P55x系列和F29H85x系列，致力于提高系统效率、安全性和可持续性。

据悉，TI的嵌入式产品线涵盖了从Cortex-M0系列到多核异构处理器，后者在汽车、工业及人工智能领域广泛应用，最高算力可达32TOPS。在这一庞大的产品矩阵中，F28P55X与F29H85x仅是其中的两款代表性产品。

那么这两款MCU新品，反映出TI在解决MCU应用痛点的哪些思路和方案?

01 | 实时控制MCU：发展的主要方向

实时控制MCU是面对当下市场趋势下MCU发展的一个趋势和前沿热点。

随着MCU主要应用领域工业和汽车领域对智能化的需求增加，以及消费电子产品性能不断提升，这些领域需要MCU拥有极高的实时响应能力和强大的运算能力。

在此背景下，高性能、智能化、低延迟、决策更快的实时控制MCU成为MCU发展的重要方向。

德州仪器中国区技术支持总监师英对实时控制系统做了解释：实时控制MCU系统的首要之务，便是对真实物理世界进行精密的传感：通过ADC与采样电路，将模拟信号采集并转化为数字信号。

“以电机控制系统为例，电流与电压的波形，以及位置传感器的信号，均被送入实时控制MCU中，经过一系列复杂的数学转换与运算，最终通过PWM输出至执行机构。在这个电子化的实时控制世界里，MCU或DSP，无疑是整个系统的智慧大脑。而Sensing部分则如同我们的感官，执行机构则相当于肌肉系统。此外，通信模块也是不可或缺的一环，无论是EtherCAT、以太网、CAN，还是串行通信，均构成了这一基础实时控制MCU系统的血脉。”

德州仪器中国区技术支持总监师英

在现实生活中，特别是在工业与汽车应用领域，马达驱动与数字电源变换是最为常见的实时控制MCU系统。这两种应用均要求处理器具备极高的实时性，不仅要求强大的数学运算与实时处理能力，还需配备出色的ADC与PWM，并通过一系列联动机制，共同构成一个高效、有机的实时控制MCU系统。

02 | 相较于CPU集成方案，MCU+NPU性能提高5-10倍

但是在MCU实际开发过程中，如何运用高级别实时控制MCU，打造一套既精密又安全，同时性价比极高的实时控制MCU系统，是当前工程师在打造实时控制系统难题。

为了解决这个难题，目前主流产品方案是将MCU与收发器接口、LDO、AFE等模块和电路进行集成，或是MCU集成CPU、DSP、AI加速器，以及AI算法和模型，从而提高MCU的算法性能。

而这次新发布、被TI称为业内率先推出的具有集成神经处理单元的实时控制MCU的C2000TMMCU——TMS320F28P55x，正是在如今MCU市场需求下，MCU+NPU产品方案集成的一大重要成果。

图源：TI官网

据师英介绍，NPU能够独立完成AI领域常见的运算算子。虽然普通CPU也能完成这一运算，但效率相对较低。而利用神经网络加速单元，其性能将比使用C2000的CPU提高5-10倍。

“关于MCU集成NPU，已有若干实际应用案例崭露头角，例如，在太阳能及供电系统中的电弧检测应用。当接触发生时，高压导线或触点间常常会产生电弧现象，这一潜在危险源可能引发火灾，因此，对电弧的有效检测与预防显得尤为重要;此外，在马达驱动领域，对马达运行状态的预测同样关键，旨在预判其未来可能出现的故障。”

通过F28P55XMCU的运算机制，故障检测的准确率可高达99%。F28P55XMCU是在C2000系列MCU中融入了NPU内核，这意味着，只需通过单一芯片，F28P55XMCU能够用单一型号完成原本需要额外故障检测MCU的功能，从而提供更紧凑、更小尺寸、更低成本的MCU设计方案。

图源：TI官网

师英介绍，该MCU内置的Flash memory最高可达1.1MB。对于实时系统而言，ADC与高精度PWM是两大核心外设。具体而言，F28P55X提供了24个高精度PWM通道以及最多39个ADC通道。

“之所以C2000MCU一直被行业内的工程师认可和青睐，就是因为它切中了实时控制的这个点。对于实时控制来讲，它有高性能的数学运算单元和协处理器单元，ADC和PWM两个关键外设，从sensing到accusation execution的链路整个的一个优化，这是C2000 MCU实时处理核心的竞争力。”

03 | MCU与边缘AI：实现高精度检测性能的发展方向?

在当前工业及汽车领域的实时控制MCU系统中，一个显著趋势是：越来越多的任务倾向于采用更为智能、基于AI的方法来完成。从运算单元的位置来看，AI可分为云端AI与边缘AI两类。对于嵌入式系统或实时控制系统而言，边缘AI无疑是一个必然选择。

边缘AI下的实时性得到显著提升，无需将数据上传至云端，从而避免了传输延迟;其次，通过算法优化及NPU的加入，系统整体功耗得以降低。另外，从安全性与可靠性的角度来看，避免了数据采集与传输至云端的过程，有助于提升设备的安全性。

在传统的非NPU方案中，主要是通过对直流母线电压与电流进行采样，并设置一系列触发阈值或规则来判断电弧是否发生。这种方法存在诸多限制，检测准确率往往难以提升，一般仅能达到85%左右。这便是现有或传统解决方案所面临的问题。

F28P55X这一创新解决方案的过程中，原有的DC/DC转换器、逆变器以及MPPT系统均继续沿用了C2000系列的核心技术，这意味着原始的实时控制拓扑结构与硬件配置基本保持不变，特别是软件算法层面无需做出调整。

师英介绍，唯一的变化在于利用F28P55X内置的NPU来专门执行电弧检测任务。

那么，如何实现99%的高检测准确性呢?

“这得益于我们先进的离线边缘AI工具——TI Edge AI Tools。该工具能够针对大量电弧发生时的电流与电压数据进行深度训练，从而构建一个精准的CNN模型。模型训练完成后，通过专用的软件开发工具，即可轻松部署至F28P55X的NPU上。由于这一过程基于庞大的数据集进行训练，而非依赖传统的软件设计规则与触发阈值来判断电弧情况，因此其检测准确率能够高达99%。”

04 | MCU+NPU如何实现功耗与成本控制?

德州仪器中国区技术支持总监师英也介绍了目前F28P55X的使用案例，“我们的合作伙伴已成功开发出基于F28P55X的电弧检测模块。该模块单次电弧判断时间可缩短至5毫秒，且在检测到电弧后的0.2秒内即可迅速自动切断电路，其误报率近乎为零。”

当MCU集成边缘AI等算法性能后，功耗也会相应提高。性能与功耗的相对平衡也是如今许多MCU集成化下遇到的难题之一。

TI供图

“从功耗优化的角度来看，执行相同卷积运算时，CPU所需时间可能是NPU的5到10倍。在评估功耗时，需综合考虑电流峰值与工作时间。尽管NPU启动时的电流峰值可能较高，但由于其任务完成时间大约只有原本用时的1/10，从而能够有效降低整体功耗。

在成本控制方面，师英介绍，C2000系列的边缘AI一般是在工业控制领域或者汽车功能控制领域，“针对不同的应用，我们会去匹配相应的算力与功能配置，这是很重要控制成本的一点。”

05 | 实时控制MCU，如何实现运算效率提升?

在实际应用层面，除了更实时和精准的MCU控制外，随着工业与汽车领域执行效率的提升速度日益加快，电机转速也随之提高。在此背景下，新一代功率半导体的应用使得开关调制频率同步增高，这也要求实时运算处理器MCU的运算效率需要实现大幅度提升。

TI此次发布的另一款新品F29H85x 系列，正是致力于提供工业与汽车领域下高算力MCU需求的产品方案。

师英介绍，F29H85x MCU搭载了新型C29内核，这是C2000系列CPU多年来的一次重大迭代升级，其处理位宽从32位跃升至64位，并配备了超长指令级架构，使得单个指令周期最多能并行完成8条指令。

“与上一代C28内核相比，C29在信号链性能上可实现2至3倍的提升。对于马达驱动的数学运算与实时运算而言，其性能可提升2倍;而在电源变换方面，C29的性能则可提升约3倍。若仅就FFT运算而言，C29的运算速度相较于C28可提升5倍。C29的CPU版本在数学运算能力上实现了极为显著的提升。此外，与C28相比，C29的中断响应速度也提升了4倍。”

图源：TI官网

具体到集成方案设计上，由于F29H85x的中断效率得到提升，并支持功能安全与信息安全，因此仅需一颗MCU便能实现OBC+DC/DC+主机MCU的三合一功能。这不仅提升了效率，还减小了尺寸并降低了成本。

F29H85x能够更快地进行运算和中断响应，因此对于第三代半导体功率半导体的支持也得以大幅度提升PWM的开关频率，从而提高系统的效率。更高的开关频率意味着磁性元器件的尺寸可以减小，进而使得整个系统的尺寸也相应减小。

06 | F29H85x如何实现汽车控制应用的集成化方案?

得益于CPU性能的提升，F29H85x可广泛应用于众多实时控制领域。

例如，汽车中的牵引电机控制往往不仅限于一个电机，而是可能涉及多个电机的协同控制，最常见的配置是双电机应用。

在传统的双电机系统中，每个牵引电机都需要一个独立的电机驱动控制环路，同时还需要一个主机来负责功能安全和AUTOSAR的运行。此外，还需要昂贵的旋变解码器电路来检测驱动牵引电机的转子位置。双电机系统则需要两个这样的控制器和两份旋变解码器电路。

师英介绍，采用F29H85x时，可以利用CPU1和CPU2的锁步运行来完成功能安全和AUTOSAR的任务，同时用CPU3来控制两路电机。值得一提的是，F29H85x内部集成了旋变解码器功能，或者使用TI提供的另一种磁性位置传感解决方案，都可以实现用一个芯片完成所有功能，并集成到整个系统中。

另外，在高压一体化电动汽车中，传统上完成OBC+HVLV DCDC(高低压直流转换器)+主机的功能通常需要三个MCU。

然而，采用F29H85x时，由于其内部集成了一对锁步运行的CPU，以及一个独立的C29内核，因此仅需一颗MCU即可完成整套系统的功能。CPU1和CPU2的锁步运行能够很好地支持ASIL-D级别的功能安全需求，同时两者均可运行AUTOSAR，这是几乎所有设备都需要的。而CPU3则可以独立承担OBC和DCDC的控制环路，实现单芯片系统的高效运行。

07 | 小结

随着应用范围越来越广、应用程度越来越深，具有极高实时响应能力和强大运算能力MCU成为了当下市场主要的需求。

在这种背景下，MCU与TMU、CLA、CPU、NPU等组件进行更深程度的集成和搭配，以实现更高性能的算力和更精准的功能。

发展过程中，集成方案下的性能达成度、功耗与性能的平衡、边缘AI应用下的成本控制等成为MCU集成化发展下的诸多应用难题。这些也将是未来MCU集成化方案下提升的主要方向。

正如德州仪器中国区技术支持总监师英所说，未来还将推出更多不同配置的新产品，以满足基于应用需求的更高性价比要求。MCU集成化下的应用难点，也将随着技术与方案的优化，不断取得突破与升级。

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审核编辑 黄宇