BF50x处理器助力工程师轻松实现嵌入式信号处理

BF50x处理器助力工程师轻松实现嵌入式信号处理

2009年9月18日，敏锐的国内媒体记者在秋季国际集成电路展的一个展台上发现了当时尚未正式发布的BF50x信息——业界领先的汇聚式处理器Blackfin家族新成员，并对该处理器在电机控制等应用的独特优势进行了简单介绍分析。然而，其后长达四个月并无任何相关信息发布，该处理器的独具特色的优化设计和功能特性吊足了工业控制应用工程师的胃口。在整整四个月后的2010年1月18日，ADI官方正式向全球发布了这款新产品，全面揭开了BF50x的“神秘”面纱。

Blackfin处理器自推出以来因为其独特的MCU+DSP的汇聚式架构而受到业界广泛关注，并得到大量应用，无论是汽车电子、工业控制、医疗设备还是消费电子产品领域，无处不见Blackfin的踪迹。高成本和技术门槛曾经让很多企业对于使用DSP处理器心存疑虑，而Blackfin汇聚式处理器的独特架构、性能优势以及全面的技术支持很大程度上克服这个问题，特别是ADI近年来不断推出了更多针对特定应用领域进行优化设计的Blackfin处理器系列，在性能特性得到更强优化的同时，大幅度地降低了产品的价格（BF50x万片批量的最低报价低至4.5美元，独立评估机构BDTI按照对定点处理器的每美元速度比（speed-per-dollar ratio）评估，BF50x的BDTIsimMark2000/$得分高达498，远超同类竞争性器件）。

BDTI对BF50x的BDTIsimMark2000/$测试分析得分高达498
 

BF50x独特的功能特性组合
BF50x以通常150MHz~200MHz处理器的价格提供高达400MHz的性能，将高性能数字信号处理能力扩展到更广泛的应用中，包括之前采用高端微控制器的那些应用。这种性能裕量使得设计工程师能实现更强的系统功能，利用更多的复杂算法实现更高的精度，以及实现优化系统界面和控制功能的更高灵活性。设计工程师还可以使用更先进的软件工具和库来生成代码，这有助于进一步缩短开发周期，加速产品上市。

BF50x具有可实现更复杂的算法以及更高精度和更低功耗的控制能力，从而可实现更精密的控制（如运动控制）、更高功效 (如功耗更低)、可靠性(如更高的电能质量）和强大功能(如电力线通信)。与同类竞争性产品相比，BF50x片上内置的以下特性大大增强了该处理器的竞争优势：更大的L1 SRAM和可执行并行闪存，对于超过 64 KB的代码/数据规模，BF504F的 4MB可执行闪存能省去外部 SDRAM，相比竞争产品可进一步节省成本；业界最高的12位精度ADC可以解决很多客户在采用其他竞争产品时所遇到的精度问题；400MHz的时钟速度使BF50x比同样价格水平的竞争产品具有更高的处理器性能；具有针对CAN的外设支持，以及脉冲波形调制和移动存储选项，如SD、e/MMC、CE-ATA；等等。本文将对其中的三相PWM单元、内置ADC和ACM的特性进行简要介绍。

BF50x优化的系统集成
 

1. 三相PWM单元
BF50x内置的每个PWM模块都集成了一个灵活可编程的三相PWM波形发生器，通过编程设置以产生针对 交流感应电机(ACIM)或者永磁同步 电机(PMSM)控制所需要的开关模式来驱动三相电压源逆变器。此外，PWM模块还包含可以大大简化电子换向电机（ECM）或无刷直流电机控制所需的PWM开关模式的产生。通过软件设计可以实现针对开关磁阻电机(SRM)的一种独特模式。

BF50x的两个片上三相PWM单元具有以下特性：真正的16位分辨率；可编程PWM脉宽；单/双刷新模式；可编程死区时间（dead time）和开关频率；二进制补码实现，允许在全开和全关状态之间平滑转换；可以将PWM信号发生与内部或外部产生的同步脉冲进行同步；针对BDCM电机的独特设置（交迭和输出使能功能）；广泛的各种特殊开关磁阻运行模式；输出极性与时钟选通控制；专用异步PWM关断信号。

每个PWM单元的6个PWM输出信号由三个高端（high-side）驱动信号(PWMx_AH、PWMx_BH和PWMx_CH)和三个低端驱动信号组成(PWMx_AL、PWMx_BL和PWMx_CL)。所产生的PWM信号的极性可以通过软件编程进行设置，因此既可以产生高有效的PWM波形，也可以产生低有效的PWM波形。

2. 真正的12位精度的ADC及ACM模块
BF506F利用了ADI公司在ADC器件上的全球领先技术优势，内置的ADC为高速低功耗逐次逼近型ADC，实现了真正的业界最高12位精度，吞吐率高达2MSPS。BF506F包含两个ADC，每个ADC前置一个三通道复用器，以及一个低噪声宽带宽的跟踪保持放大器（可以处理超过30MHz的输入信号频率）。

BF50x还首次在Blackfin处理器系列中引入了新的外设——ADC控制模块（ACM），它提供了同步ADC采样与外部事件的一种低开销、精确的方法。ACM允许灵活调度采样实例，并向ADC提供精确的采样信号。ACM负责同步ADC转换过程，产生ADC控制、ADC转换开始信号以及其他信号。ADC的实际数据采集由SPORT外设执行，所有的内部ADC信号都被连接到封装引脚以在混合信号应用中获得最大的灵活性。

针对工业应用优化的Blackfin处理器
工业应用的突出特点是密集的信号处理需求，而这是Blackfin系列处理器的优势所在。Blackfin系列由于结合了DSP和MCU的功能，它允许同一颗处理器能同时进行复杂的控制和算法处理，这对于机器人、供电控制等复杂的工业应用来说是一个巨大的优势。

BF50x作为ADI面向工业应用优化设计的最新款Blackfin处理器，其高性能让工程师能开发出更高性能的工业控制和自动化应用系统，包括逆变器控制、不间断电源（UPS）和电机控制以及计量和高级感应应用（电能计量、流量计量等）。BF50x的性能裕量使得工程师可以在先进的系统建模中实现先进的理论和算法，从而实现任何实时系统的最优化的功效和控制效率。

1.电机控制应用
BF50x处理器的卓越性能和特性使电机控制系统设计工程师能实现执行更复杂的算法，确保适应系统行为的实时变化，从而获得平稳的运行性能，并降低功耗。利用无传感器的矢量控制可以实现更高的电机控制效率，利用先进的建模方法可以准确地确定电机位置和/或者速度。设计工程师可以不用位置/速度传感器，从而系统的尺寸更小，降低成本并实现更大的系统可靠性。BF50x 集成的12位ADC提供了准确对电机状态进行建模所需要的准确数据转换，从而可以准确估计电机的准确位置/速度。

基于BF50x的电机控制系统硬件功能框图。
 

2. UPS应用
BF50x处理器的优化设计确保能实现UPS系统的准确、无波动的电源控制，提供对负载变化准确分析、负载瞬时改变以及失载事件进行准确预测。BF50x所内置的3相PWM单元可以实现先进的电源切换，因而UPS系统能动态地对各种负载条件下的非线性负载做出动态响应。同时，BF50x处理器本身还具有控制功能，可以实现启动/关断控制和电压调整。

基于BF50x处理器的UPS应用功能框图
 

3. 可再生能源逆变器应用
在将太阳能发电和风能发电的电能接入到商业电网中或者提供给本地电网时，BF50x处理器是执行复杂算法使逆变器能将可变的直流输出转换成“干净”的电流和稳压源的理想之选。BF50x在设计中针对可再生能源应用和智能电网应用进行过优化，其强大的处理能力可以确保实现非常高效率的能量转换和传输，能实现先进的能源切换控制功能，并支持反孤岛技术以及最大功率点跟踪功能。

BF50x用于可再生能源系统
 

友好的设计生态系统让您无后顾之忧
BF50x处理器继承了Blackfin处理器的独特架构优势，并针对工业应用进行了诸多功能和性能优化设计。然而，作为复杂的工业应用系统优秀的解决方案而言，硬件平台本身的性能和特性仅是一个方面，能否提供全面的设计技术支持也十分关键，这其中包括评估工具、设计工具、仿真平台、软件模块等。

ADI针对BF50x系列新推出了低成本的EZ-KIT Lite评估套件，包括ADI VisualDSP++集成开发和调试环境（IDDE）。此外，ADI还在中国全面上市最新款超低价、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B，该仿真器度身为使用Blackfin的客户定制，使其帮助客户实现更理想的高性能、低成本的目标。除了低至150美元的震撼价格，ADZS-ICE-100B的诸多创新功能也为JTAG仿真器带来更高性能、使用便捷性的全新体念。

加强第三方合作伙伴的技术生态系统建设是ADI的一贯策略，而BF50x系列在关键技术开发合作方面更具前瞻性。从2008年8月份开始，ADI就与上海交通大学合作，基于BF548、FPGA、ADC等核心器件仿真设计完整的BF50x电机控制系统的硬件参考平台和软件，目前可以提供针对马达控制应用的软硬件参考设计及相关文档，可以大大加快马达控制系统设计进程。此外，ADI还与以下业界领先企业就BF50x的开发应用建立了广泛合作：提供专注于工业平台设计服务的Schmid Engineering公司；Boston Engineering公司，该公司在硬件、软件和机械设计方面拥有专业经验，专注于工业和医疗应用，是电机控制参考设计的领先价值提供商；Advanced Energy Conversion公司在电力电子方面拥有专业经验，是替代换能源逆变器参考设计的领先价值提供商；Mathworks公司基于MATLAB® 和Simulink®的嵌入式系统开发和验证，提供针对Blackfin的Embedded IDE Link™ 和Target Support Package™自动化项目开发工具。针对BF50x处理器应用的广泛技术支持生态系统将帮助客户缩短实现工业控制系统开发的时间，并降低整体系统实现成本。