幫助開(kāi)發(fā)人員實(shí)現(xiàn)最小延遲和最大可靠性 許多行業(yè)依賴(lài)于具有最小延遲和最大可靠性的控制系統(tǒng)。這些行業(yè)，如機(jī)器人、電機(jī)控制、配電、汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、備用電源等，正在穩(wěn)步升級(jí)傳統(tǒng)模擬系統(tǒng)，由微控制器（MCU）和數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）供電的現(xiàn)代實(shí)時(shí)閉環(huán)控制系統(tǒng)。這種現(xiàn)代化工作的優(yōu)勢(shì)包括更高的效率、安全性、增強(qiáng)的功能和面向未來(lái)的環(huán)境。然而，只有當(dāng)配備各種功能外設(shè)的極其可靠的MCU/DSC可用，并且開(kāi)發(fā)資源也可用于減輕嚴(yán)格的功能安全和汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)負(fù)擔(dān)時(shí)，這些優(yōu)勢(shì)才有可能實(shí)現(xiàn)。

MCU/DSC和開(kāi)發(fā)人員在接近實(shí)時(shí)和閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)面臨許多挑戰(zhàn)，Microchip開(kāi)發(fā)了一系列強(qiáng)大的MCU/DSC系列和開(kāi)發(fā)資源，以幫助開(kāi)發(fā)人員克服這些障礙。本文旨在向設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員介紹與這些關(guān)鍵系統(tǒng)相關(guān)的幾個(gè)挑戰(zhàn)，以及Microchip用于緩解這些挑戰(zhàn)的尖端解決方案。

問(wèn)題：實(shí)時(shí)可靠性和閉環(huán)控制 實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制

要求對(duì)可靠性和確定性行為非常嚴(yán)格。具有這些規(guī)格的應(yīng)用往往用于關(guān)鍵的工業(yè)和汽車(chē)系統(tǒng)，因此電子設(shè)備在各種環(huán)境（包括極端環(huán)境）中運(yùn)行的能力至關(guān)重要。大多數(shù)MCU/DSC（以及大多數(shù)電子設(shè)備）在經(jīng)歷極端溫度、大量沖擊/振動(dòng)、高水平的電磁干擾（EMI）或承受重大g力時(shí)，無(wú)法在合理的使用壽命內(nèi)可靠地運(yùn)行。

實(shí)時(shí)可靠性還意味著電子設(shè)備可以以極低的延遲響應(yīng)外部輸入并成功完成計(jì)算/操作，以提供正確的輸出控制和數(shù)據(jù)。MCU/DSC能夠作為閉環(huán)控制器運(yùn)行需要許多因素，包括內(nèi)置冗余、糾錯(cuò)等。這尤其具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@些MCU/DSC通常還承擔(dān)非關(guān)鍵功能的任務(wù)。雖然這些非關(guān)鍵功能可能不是關(guān)鍵任務(wù)，但它們可能需要使產(chǎn)品具有競(jìng)爭(zhēng)力或提供重要的輔助功能。遺憾的是，實(shí)時(shí)MCU/DSC的處理能力有限，尤其是低功耗8位變體，通常關(guān)鍵和非關(guān)鍵功能必須共享資源。這種負(fù)擔(dān)通常意味著嵌入式開(kāi)發(fā)人員必須花費(fèi)大量開(kāi)發(fā)資源來(lái)仔細(xì)平衡處理器資源。

此外，提供實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制所需的復(fù)雜算法和高級(jí)計(jì)算通常已經(jīng)很復(fù)雜，而有效平衡處理器負(fù)載的額外需求加劇了這一挑戰(zhàn)。在極端工作條件和高水平的性能要求下確保系統(tǒng)穩(wěn)定性是一項(xiàng)多方面的挑戰(zhàn)，具有許多關(guān)鍵因素。這些因素之一S在電氣噪聲環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性和系統(tǒng)安全性。噪聲干擾可能存在于電源線、通信線路、內(nèi)部互連，甚至來(lái)自各種外部源的控制/通信輸出上。噪聲源在具有高瞬態(tài)電流/電壓、高功率通信、沖擊/振動(dòng)和其他噪聲貢獻(xiàn)因素的工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境中很常見(jiàn)。

應(yīng)對(duì)實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制嵌入式設(shè)備挑戰(zhàn)

Microchip提供多個(gè)8位MCU和16位MCU/DSC系列，這些系列的設(shè)計(jì)考慮了實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制應(yīng)用。這些 MCU/DSC 配備了多種功能和特性，可減輕處理器負(fù)擔(dān)、確保可靠性/系統(tǒng)穩(wěn)定性、減輕噪聲干擾并實(shí)現(xiàn)在極端環(huán)境中運(yùn)行。此外，Microchip還提供開(kāi)發(fā)工具、軟件庫(kù)、參考設(shè)計(jì)、代碼示例和其他資源的生態(tài)系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化用于嚴(yán)格工業(yè)和汽車(chē)應(yīng)用的實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制設(shè)備的開(kāi)發(fā)，包括有助于關(guān)鍵認(rèn)證和標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性的資源。

減輕處理器負(fù)擔(dān)

Microchip已使用多種方法來(lái)減少常見(jiàn)實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制應(yīng)用中的關(guān)鍵MCU/DSC資源使用，即獨(dú)立于內(nèi)核的外設(shè)（CIP）、智能模擬、外設(shè)到外設(shè)觸發(fā)以及資源要求足夠高的雙核16位MCU/DSC。這些功能可用于Microchip的多個(gè)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處理器的監(jiān)督（如果不是直接控制）。

用于 8 位 MCU 和 16 位 MCU/DSC 的 CIP 包括外設(shè)，如窗口看門(mén)狗定時(shí)器、脈寬調(diào)制、可配置邏輯單元、高耐久性閃存、數(shù)控振蕩器、數(shù)學(xué)加速器、加密認(rèn)證引擎，以及各種其他控制、通信、安全和執(zhí)行器功能。其中許多外設(shè)（包括定時(shí)器、傳感器和安全功能）甚至可以觸發(fā)其他外設(shè)的動(dòng)作，而無(wú)需開(kāi)發(fā)復(fù)雜的代碼或使用中央處理器資源。

此外，許多用于堅(jiān)固型嵌入式應(yīng)用的Microchip MCU/DSC還包括智能模擬外設(shè)，而不僅僅是模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）。其中一些集成外設(shè)包括運(yùn)算放大器、數(shù)字信號(hào)調(diào)制器、固定基準(zhǔn)電壓源、零交叉檢測(cè)功能、斜率補(bǔ)償和各種比較器，可用于預(yù)處理輸入并減輕處理器對(duì)控制輸出進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)運(yùn)算和轉(zhuǎn)換的負(fù)擔(dān)。總體而言，這些MCU/DSC功能可以顯著降低給定應(yīng)用所需的處理能力，從而為其他最終產(chǎn)品功能騰出資源。如此大量的資源節(jié)省還可以允許使用功耗更低、成本更低的MCU/DSC。

增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗噪性

確保整體系統(tǒng)穩(wěn)定性包括ES 一組復(fù)雜的因素，具體取決于合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)、操作條件和特定于應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)在起作用。對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，一些最關(guān)鍵的因素是存儲(chǔ)器穩(wěn)定性、壽命和無(wú)差錯(cuò)操作，以及抗噪性、可靠的通信和功能安全操作。Microchip通過(guò)為MCU和DSC提供高耐用性存儲(chǔ)器、糾錯(cuò)碼（ECC）存儲(chǔ)器、強(qiáng)大的通信協(xié)議、出色的抗噪性、高（5V）電源軌以及符合多個(gè)行業(yè)和汽車(chē)標(biāo)準(zhǔn)的功能安全來(lái)滿(mǎn)足這些需求。

高耐用性和 ECC 存儲(chǔ)器通過(guò)最大限度地減少與內(nèi)存衰減和轉(zhuǎn)錄錯(cuò)誤相關(guān)的錯(cuò)誤來(lái)提供可靠性。Microchip的高耐用性閃存允許比典型閃存更多的讀/寫(xiě)周期（即數(shù)十萬(wàn)個(gè)）。對(duì)于實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制應(yīng)用，存儲(chǔ)器每天可能經(jīng)歷數(shù)百個(gè)讀/寫(xiě)周期，集成或外部存儲(chǔ)器的耐用性可能是器件使用壽命的限制因素。對(duì)于 16 位 MCU/DSC，可以使用集成 ECC 存儲(chǔ)器，它可以實(shí)時(shí)捕獲和糾正存儲(chǔ)器錯(cuò)誤。這種類(lèi)型的內(nèi)存以非常小的延遲執(zhí)行校正，并防止內(nèi)存錯(cuò)誤影響實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。

通信是實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制系統(tǒng)的另一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，其中可靠的傳感器信息輸入和控制信號(hào)輸出對(duì)于適當(dāng)和安全的功能是必要的。強(qiáng)大的通信協(xié)議，如CAN、CAN FD和SENT，是為汽車(chē)行業(yè)設(shè)計(jì)的，以可靠地傳輸傳感器信息并傳遞控制信號(hào)。這些協(xié)議現(xiàn)在廣泛用于各行各業(yè)，用于類(lèi)似目的，Microchip的許多實(shí)時(shí)MCU/DSC都包含能夠?qū)崿F(xiàn)這些協(xié)議的集成接口。

功能安全是源自汽車(chē)行業(yè)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，符合功能安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備配備了即使在故障或其他系統(tǒng)故障的情況下也能強(qiáng)制安全操作的功能。這些標(biāo)準(zhǔn)中有幾個(gè)功能安全標(biāo)準(zhǔn)和級(jí)別，合規(guī)性涉及用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的硬件、軟件庫(kù)和代碼。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，如系統(tǒng)監(jiān)控、冗余、備份振蕩器、GPIO引腳ESD保護(hù)等。

Microchip 硬件和軟件庫(kù)促進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)合規(guī)性包括 IEC 60730（A、B 和 C 級(jí)）、IEC 61508/SIL（1、2、3 和 4 級(jí)）以及 ISO 26262/ASIL（A、B、C、D 級(jí)），其中包括符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的編譯器、故障模式影響和診斷分析 （FMEDA） 報(bào)告、設(shè)備級(jí)安全手冊(cè)、 診斷軟件、MISRA 插件和第三方 LDRA 工具套件，用于實(shí)現(xiàn)功能安全合規(guī)性。

例如，Microchip的8位實(shí)時(shí)/閉環(huán)控制產(chǎn)品包括四個(gè)MCU系列：PIC18F Q10、PIC16F1386、ATtiny1607和ATmega4809，它們都配備了集成CIP、智能模擬、魯棒通信和其他功能。這些 MCU 非常適合工業(yè)控制應(yīng)用l 和汽車(chē)、物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 和消費(fèi)電子產(chǎn)品。這些系列中的幾種型號(hào)增加了穩(wěn)定性和抗噪性（5V 電源軌）功能。其中一些型號(hào)的額定工作溫度還高達(dá)150oC，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了大多數(shù)嵌入式MCU的環(huán)境要求，并為極端系統(tǒng)中的設(shè)備放置開(kāi)辟了廣闊的可能性。

還有許多其他16位MCU/DSC具有功能安全特性，例如此處列出的特性，以及使其非常適合穩(wěn)健應(yīng)用的其他特性。這些附加功能包括 RAM BIST、非法操作碼檢測(cè)、窗口看門(mén)狗定時(shí)器、PWM 故障管理和其他故障管理/預(yù)防功能。

支持開(kāi)發(fā)

除了強(qiáng)大的硬件外，功能強(qiáng)大的軟件開(kāi)發(fā)工具和其他資源還有助于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)/閉環(huán)設(shè)備。通常，這些類(lèi)型的系統(tǒng)由具有高學(xué)習(xí)曲線的軟件支持，并且非常特定于所使用的應(yīng)用程序和技術(shù)。然而，借助Microchip的開(kāi)發(fā)資源，軟件工具與Microchip MCU，DSC和微處理器（MPU）廣泛兼容。它們的功能足以支持幾乎所有嵌入式電子應(yīng)用和開(kāi)發(fā)人員。例如，MPLAB? 代碼配置器 （MCC） 是一種圖形編程環(huán)境，可供希望節(jié)省時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)豐富的開(kāi)發(fā)人員使用，也可以由希望縮短實(shí)時(shí)應(yīng)用程序代碼開(kāi)發(fā)學(xué)習(xí)曲線的沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)人員使用。

MCC可以通過(guò)MPLAB X集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）或基于云的MPLAB Xpress IDE自由訪問(wèn)，并且可以通過(guò)幾個(gè)關(guān)鍵的應(yīng)用工具進(jìn)行擴(kuò)展，即motorBench?開(kāi)發(fā)套件和數(shù)字電源設(shè)計(jì)套件［16，17］。這些套件附帶了從事電機(jī)和電源應(yīng)用的設(shè)計(jì)人員熟悉的開(kāi)發(fā)工具，使確定和編碼算法變得高效而簡(jiǎn)單。

此外，Microchip還為非常具體的應(yīng)用提供了大量專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)的代碼示例和參考設(shè)計(jì)。雖然開(kāi)發(fā)人員通常需要梳理成堆的研究文檔、手冊(cè)和書(shū)籍，或者花費(fèi)寶貴的開(kāi)發(fā)資源來(lái)試驗(yàn)多種方法，但使用 Microchip 參考設(shè)計(jì)和代碼示例的開(kāi)發(fā)人員可以獲得易于集成的工作代碼以及必要的背景，以快速開(kāi)始開(kāi)發(fā)工業(yè)級(jí)解決方案。

實(shí)時(shí)的實(shí)際應(yīng)用 電子的實(shí)時(shí)或閉環(huán)控制對(duì)于各種工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要，包括重型電機(jī)控制、

實(shí)時(shí)處理、機(jī)器人控制和各種大功率應(yīng)用。考慮到所涉及的環(huán)境、費(fèi)用和監(jiān)管因素，需要實(shí)時(shí)控制的電子產(chǎn)品必須非常謹(jǐn)慎地設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)包括CPU負(fù)擔(dān)過(guò)重、克服軟件系統(tǒng)復(fù)雜性、增強(qiáng)系統(tǒng)抗噪能力以及確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。Microchip提供多種獨(dú)特的硬件和軟件解決方案，有助于實(shí)時(shí)控制簽署人減輕這些挑戰(zhàn)，并實(shí)現(xiàn)有競(jìng)爭(zhēng)力的工業(yè)電子產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

審核編輯：郭婷