常用電機(jī)微控制器之比較

電機(jī)控制是微控制器的一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域。近幾十年來，隨著微電子工藝水平的提高，電機(jī)微控制水平有了飛速的發(fā)展。世界上著名的集成電路芯片制造商紛紛推出各自的產(chǎn)品，使得電機(jī)微控制器種類不斷增多，功能日益增強(qiáng)。常見的有Intel公司的 8CX196MC/MD/MH、TI公司的TMS320C24x系列、 Motorola公司的M68HC08/16、ADI公司的ADMCxxx系列微控制器等等。

對于現(xiàn)代高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)而言，除了要有一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算內(nèi)核外，還需要一些附加的外部電路，如高分辨率的A/D變換器、多路輸入輸出I/O口等，尤其需要一個(gè)用于產(chǎn)生驅(qū)動逆變器功率開關(guān)元件的PWM信號的波形發(fā)生單元和定時(shí)器單元，這也是電機(jī)微控制器共同的重要特片。

1 基本結(jié)構(gòu)

1.1 8XC196MC的基本結(jié)構(gòu)

8XC196MC 是Intel公司專門為電機(jī)高速控制所設(shè)計(jì)的一種16位微控制器，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它有1個(gè)C196內(nèi)核（寄存器-寄存器結(jié)構(gòu)），當(dāng)時(shí)鐘頻率為 16MHz時(shí)，進(jìn)行1次16bit×16bit運(yùn)算需1.75μs；進(jìn)行1次32bit/16bit運(yùn)算需3μs；另外包括488字節(jié)的寄存器RAM、 64KB程序空間、中斷、7個(gè)I/O口共40條I/O口線，PTS工作方式支持串行輸入、輸出（SIO）功能；片內(nèi)外設(shè)有1個(gè)13通道的A/D轉(zhuǎn)換器，可工作在8位或10位模式，采樣保持時(shí)間、轉(zhuǎn)換時(shí)間、閥植檢測方式和零偏補(bǔ)償校正均可編程；2個(gè)16位定時(shí)器；1個(gè)事件處理器陣列（EPA）有4路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的4路比較模塊，它和定時(shí)器共同完成對事件監(jiān)測與控制，具有125ns的事件處理分辨能力；1個(gè)三相波形發(fā)生器（Waveform Generator簡稱WG）和1個(gè)脈寬調(diào)制單元（PWM）。在運(yùn)行中可動態(tài)選擇8位或者16位的總線寬芳，并能通過HOLD/HLDA協(xié)議方便地實(shí)現(xiàn)多處理器通信。

8XC196MD是8XC196MC的改進(jìn)型，引腳兼容且基本結(jié)構(gòu)相同，只是在其基礎(chǔ)上增加了如下功能；

①1路頻率發(fā)生器產(chǎn)生的頻率可編程的方波，適用于紅外遙控通信；

②在EPA中，添加了2路捕捉/比較模塊和獨(dú)立的2路比較模塊；

③增加8個(gè)I/O引腳，2個(gè)數(shù)字輸入引腳及1個(gè)A/D輸入引腳。

1.2 TMS320C240 DSP的基本結(jié)構(gòu)

TI（德州儀器）公司于1997年推出的電機(jī)微控制TMS320C240，是第1片專門為滿足復(fù)雜電機(jī)控制需求而設(shè)計(jì)的單片DSP控制器，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于具有硬件乘法器及多總線結(jié)構(gòu)，TMS320C240支持高速指令周期及單周期乘法，16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核的計(jì)算速度達(dá)20 MIPS（1個(gè)指令周期50ns），片內(nèi)有544字的數(shù)據(jù)/程序RAM和16K字的程序ROM，外設(shè)包括1個(gè)專用于電機(jī)控制的事件管理器（可用于產(chǎn)生三相 PWM信號和捕捉光電編碼器的脈沖信號）、2個(gè)8路10位A/D變換器、1個(gè)看門狗定時(shí)器、1個(gè)串行通信接口（SPI）、1個(gè)串行外設(shè)接口（SCI口）和 4個(gè)8位共32路I/O口。

1.3 ADMC331的結(jié)構(gòu)

ADMC3xx 系列是美國ADI（模擬器件）公司生產(chǎn)的單片DSP電機(jī)控制器。它們均以1個(gè)ADSP-2171DSP為基礎(chǔ)內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需要的外設(shè)單元組成，主要包括ADMC300、ADMC328、ADMC330、ADMC331和ADMC401。其中，ADMC 328屬于簡單型控制器，僅有28個(gè)引腳，主要應(yīng)用在家用電器或一般較簡單的業(yè)控制系統(tǒng)中；ADMC300/330/331控制器引腳均為80個(gè)，性能居中，可較好地滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的控制要求；ADMC401為高檔型DSP控制器，引腳多達(dá)144個(gè)，功能豐富，可應(yīng)用于高精度且復(fù)雜的調(diào)速控制系統(tǒng)中。這里以ADMC331為例簡要介紹一下其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

ADMC331集成了1個(gè)26MIPS的16位定點(diǎn)DSP內(nèi)核ADSP2171和一系列電機(jī)控制所需設(shè)備。DSP內(nèi)核并聯(lián)了3個(gè)運(yùn)算單元，ALU（算術(shù)邏輯）、MAC（乘加）和SHIFTER（移位）。ADMC331還提供了2K×24位的程序存儲器（ROM）、2K×24位程序存儲器（RAM）和1K× 16位數(shù)據(jù)存儲器（RAM），程序及數(shù)據(jù)存儲器RAM內(nèi)的存儲內(nèi)部可由其串口從外部ROM中以同步或異步方式裝入，ROM中還固化了一些常用的電機(jī)控制用子程序和常數(shù)，為控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)提供了方便。從圖3的結(jié)構(gòu)框圖中可見，ADMC331的外設(shè)包括1個(gè)16位三相PWM發(fā)生器，能夠靈活編程產(chǎn)生精確 PWM信號以驅(qū)動逆變器的功率開關(guān)；7個(gè)模塊輸入通道，最高分辨率為12位，最高采樣頻率為32.5kHz；2個(gè)輔助8位PWM輸出通道，可用來為被控的功率因數(shù)校正或其它開關(guān)變換器提供開關(guān)信號，亦可通過合適的濾波網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)模轉(zhuǎn)換的輸出；16位的監(jiān)視定時(shí)器和可編程的16位定時(shí)器；每位均可設(shè)置為輸入 /輸出或中斷的24位數(shù)字可編程輸入/輸出（PIO）端口及2個(gè)雙緩沖的串行口。再加上豐富的DSP操作指令的支持，單周期指令執(zhí)行時(shí)間可達(dá) 38.5ns，使之不失為電機(jī)調(diào)速控制的理想器件。

2 PWM信號的形成

對于任何種類的三相電機(jī)控制系統(tǒng)，均要求產(chǎn)生3對完善的PWM信號以驅(qū)動逆變器上下橋臂功率開關(guān)元件，并要求每對PWM信號有適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通延時(shí)，以防止下橋臂功率開關(guān)同時(shí)導(dǎo)通而毀壞系統(tǒng)。這也正是電機(jī)微控制器區(qū)別于其它種類微控制器的重要特征。

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2.1 8XC196MC的PWM信號的形成

片內(nèi)波形發(fā)生器（WG）是8XC196MC的特色設(shè)計(jì)之一。這一片內(nèi)外設(shè)簡化了產(chǎn)生PWM波形的控制軟件和外部硬件，通過編程可產(chǎn)生獨(dú)立的、具有相同頻率和工作方式的3對PWM波形，并由P6口直接輸出6路PWM信號給逆變器，且三相互補(bǔ)不重疊。在使用 16MHz的晶振時(shí)，輸出信號頻率可達(dá)8MHz。在采用邊沿觸發(fā)方式時(shí)，分辨能力為125ns；中心觸發(fā)時(shí)，分辨能力為250ns。WG具有多種可編程頻率、占空比和消隱時(shí)間，每路波形輸出的驅(qū)動能力很強(qiáng)，輸出極性可編程，并能夠制為高或低電平。為防止同一橋臀上的2個(gè)功率開關(guān)器件發(fā)生直通現(xiàn)象，還可編程來設(shè)置互鎖時(shí)間。在使用16MHz的晶振時(shí)，互鎖最短時(shí)間為0.125μs，最長為125μs。此外，還具有保護(hù)功能，當(dāng)發(fā)生意外事件時(shí)，響應(yīng)外部事件而立即停止輸出。

2.2 TMS320C240的PWM信號的形成

TMS320C240的事件管理器（EV）可產(chǎn)生PWM信號，直接控制電機(jī)功率驅(qū)動器，如圖4所示。

由圖4可見，3個(gè)全比較單元中任一個(gè)均可與EV模塊中的GP定時(shí)器死區(qū)單元和輸出邏輯一起用于產(chǎn)生一對有可編程死區(qū)和輸出極性的PWM信號。對應(yīng)于EV模塊中的3個(gè)全比較單元共有6個(gè)這樣的PWM輸出。

圖5 給出了當(dāng)GP定時(shí)器工作在單個(gè)或連續(xù)加/減計(jì)數(shù)模式時(shí)產(chǎn)生的對稱PWM波形。當(dāng)GP定時(shí)器工作在這兩種模式中的任一種時(shí)，波形發(fā)生器的輸出狀態(tài)變化如下：計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，到第1個(gè)比較匹配發(fā)生時(shí)刻前輸出狀態(tài)保持不變，第1個(gè)比較匹配時(shí)輸出狀態(tài)切換。隨后保持不變到第2個(gè)比較匹配發(fā)生時(shí)刻，在第2個(gè)比較匹配時(shí)輸出狀態(tài)切換，周期結(jié)束前輸出狀態(tài)保持不變。如果沒有第2個(gè)比較匹配發(fā)生而且下一個(gè)周期的新比較值不為0，則在周期結(jié)束時(shí)輸出復(fù)位為0；若比較值為 0，則在周期開始輸出為1，并在第2個(gè)比較匹配發(fā)生之前輸出狀態(tài)保持不變。如果周期的其余時(shí)間內(nèi)比較值不為0，在從0到1的第1個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻之后，輸出一直保持為1到周期結(jié)束。當(dāng)發(fā)生以上這種情況時(shí)，如果下一個(gè)周期的比較值仍舊為0，輸出仍舊為1，實(shí)現(xiàn)了PWM脈沖的占空比連續(xù)無突變地在0～100%之間變化。

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2.3 ADMC331的PWM信號的形成

與傳統(tǒng)的單片機(jī)查表方法不同，ADMC331的PWM信號的產(chǎn)生是由其內(nèi)部的靈活可編程的三相PWM 控制器來完成的。通過對PWM單元進(jìn)行合適的編程并利用 PWM單元中的專用函數(shù)，可使其產(chǎn)生滿足不的電機(jī)調(diào)速用逆變器開關(guān)觸發(fā)模式的數(shù)字PWM波形。圖6為ADMC331三相PWM控制器的功能框圖。

輸出PWM信號的開關(guān)頻率、死區(qū)時(shí)間和最小脈沖寬度均可分別設(shè)置，并且允許用高頻斬波信號對PWM輸出波形進(jìn)行調(diào)制，以便利用變壓器進(jìn)行隔離和驅(qū)動。16位精度的三相PWM發(fā)生器能產(chǎn)生高達(dá)38.5ns的邊緣分辨率。

ADMC331 的PWM單元建立在一個(gè)獨(dú)立的三相定時(shí)單元基礎(chǔ)上，由3個(gè)確定的周期寄存器控制，分別控制3對PWM輸出。根據(jù)應(yīng)用的具體要求及所需PWM方案來編制 DSP程序6。路PWM信號的極性可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中門極驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和邏輯由PWMPOL引腳進(jìn)行設(shè)置，每路PWM信號的輸出均可通過獨(dú)立的使能寄存器 PWMSEG來決定。PWM控制信號計(jì)算見本刊網(wǎng)站補(bǔ)充版。

3 性能比較

目前，越來越多的集成電路芯片制造商紛紛致力于電機(jī)微控制器的研制與生產(chǎn)，因而擴(kuò)大了對對類芯片的選擇空間。在此僅將上文所列舉的三種具有代表性的芯片性能加以比較，如表1所列。

8XC196MC 單片機(jī)片內(nèi)外設(shè)豐富。通過對WG的特殊功能寄存器（WG_RELOAD、WG_COM_Px、WG_CON、WG_OUTPUT和WG_PROTECT）進(jìn)行編程，并利用WG中斷就可產(chǎn)生各種PWM信號，驅(qū)動各種電機(jī)和其它由電力電子器件構(gòu)成的設(shè)備，它把必需的外接芯片和元件降低最低限度。因此，價(jià)格與 DSP器件相比便宜得多。在一些控制要求不太高的場合，它是理想的選擇。

與典型單片機(jī)相比，DSP器件集成度高，CPU速度快，存儲容量大。DSP采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，獨(dú)立的程序空間和數(shù)據(jù)空間使之允許同時(shí)存取程序和數(shù)據(jù)。內(nèi)置高速的硬件乘法器，增強(qiáng)的多級流水線，使DSP器件具有高速的數(shù)據(jù)處理能力。單片機(jī)采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，程序和數(shù)據(jù)在同一空間，同一時(shí)刻只能單獨(dú)訪問指令或數(shù)據(jù)。ALU只能作加法，乘法需要用軟件來實(shí)現(xiàn)。對一些復(fù)雜的運(yùn)算如sin、cos等，需采用查表方式，因而需要較多的時(shí)間和空間。結(jié)構(gòu)差異使DSP 器件比16位的單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8～10倍，完成1次乘加運(yùn)算快16～30倍。TMS320C240和ADMC331都具有DSP內(nèi)核，從而將 DSP的高速運(yùn)算能力與面向電機(jī)的高效控制能力集于一體，應(yīng)用于交流電機(jī)控制系統(tǒng)中均可獲得較好的控制效果，因而更具有競爭力，但它們價(jià)格較為昂貴。

由于ADMC331比TMS320C240出現(xiàn)得晚，所以ADMC331采用了一些新的技術(shù)，使其性能更好。如ADMC331的DSP內(nèi)核為并行的體系結(jié)構(gòu)，加快了程序執(zhí)行速度?？稍?個(gè)處理周期內(nèi)完成乘加運(yùn)算；它的PWM發(fā)生單元的靈活性和可編程性，使之能夠產(chǎn)生多種PWM信號；其內(nèi)部程序存儲器固化了許多電機(jī)系統(tǒng)矢量控制所必需的子程序，方便了控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)，大大減少了控制系統(tǒng)的開發(fā)時(shí)間。 TMS320C240擁有4路捕獲單元，捕獲單元被用于高速I/O的自動管理，它監(jiān)視輸入引腳上信號的變化，記錄輸入事件發(fā)生時(shí)的計(jì)數(shù)器值，即記錄下所發(fā)生事件的時(shí)刻。該部件的工作由內(nèi)部定時(shí)器同步，不用 CPU干預(yù)；而ADMC331沒有設(shè)計(jì)這種捕獲單元，這也是造成它的A/D轉(zhuǎn)換速度較慢的重要原因。