許多通用信號處理器具有良好的計算性能和基本連接特性，因而能為工業(yè)應(yīng)用所接受。另一方面，有些重要的外設(shè)增強功能可以顯著改進處理器的能力，使其適合要求更高的工業(yè)系統(tǒng)。本文將就網(wǎng)絡(luò)和電機控制應(yīng)用討論兩個增強功能的例子。

以太網(wǎng)接口

對于傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用，以太網(wǎng)控制器可提供基本網(wǎng)絡(luò)連接。控制器(MAC)與處理器通常位于同一芯片上。它一般與一個外部PHY芯片配合使用，構(gòu)成完整的接口。

也可以使用外部MAC/PHY芯片，常常將這種芯片直接連到處理器的異步存儲器接口。雖然以太網(wǎng)MAC/PHY組合芯片的價格持續(xù)下降，已達到幾乎與獨立PHY芯片相當?shù)某潭?，但其傳輸速率無法與集成MAC加外部PHY解決方案相比。這是因為，內(nèi)部MAC通常與系統(tǒng)DMA通道相連，可以設(shè)置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，與內(nèi)核處理器的交互極少。內(nèi)部MAC控制器一般可以實現(xiàn)接近于線路速度的性能，具體取決于協(xié)議。

性能的另一個重要方面是實現(xiàn)給定吞吐速率所需的處理器負荷。這是整體性能的一部分，也是內(nèi)部MAC解決方案與外部MAC解決方案的最大不同之處。

在工業(yè)型網(wǎng)絡(luò)中，以太網(wǎng)可利用網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)提供基本系統(tǒng)時間。對于基于NTP的系統(tǒng)，整個受控網(wǎng)絡(luò)的同步通過“人機接口”時間尺度衡量。雖然該協(xié)議適合一般系統(tǒng)定時信息，但它不夠精確，不適合許多要求更精密同步的工業(yè)控制系統(tǒng)。

為改善精度，業(yè)界制定了IEEE 1588精密時間協(xié)議(PTP)標準，與以太網(wǎng)控制器和網(wǎng)絡(luò)堆棧配合使用，以利用主時鐘同步網(wǎng)絡(luò)上的“本地”時鐘。也就是，各處理或控制節(jié)點與驅(qū)動系統(tǒng)的主參考時間同步。

通過使整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持精密定時關(guān)系，時間事件便可以同步到亞毫秒水平。時間事件包括：模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器何時采樣，何時驅(qū)動數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器，以及何時激活I(lǐng)/O線路以執(zhí)行系統(tǒng)控制等。

IEEE 1588 PTP要求交換特定數(shù)據(jù)包，以便從兩個節(jié)點提供時間信息。這些數(shù)據(jù)包用于計算各節(jié)點時鐘之間的時間和頻率差。此外，該協(xié)議提供一種連續(xù)調(diào)整時鐘的途徑，使各時鐘保持同步。

IEEE 1588 PTP協(xié)議既可以完全通過軟件實現(xiàn)，也可以通過硬件與軟件的組合實現(xiàn)。基于硬件的解決方案可提供最佳精度，因而節(jié)點之間可實現(xiàn)最佳同步。采用硬件解決方案時，數(shù)據(jù)包的時間戳可以盡可能靠近它與PHY的交互點。這樣，節(jié)點之間的抖動更低。

PWM單元

微處理器和DSP的一個標準外設(shè)是通用定時器，它基于芯片內(nèi)部或外部的一個或多個時鐘參考提供標準定時器功能。在引腳接口上，它也可提供寬度捕捉或脈沖計數(shù)功能，以及單端脈沖寬度調(diào)制(PWM)輸出波形。這些PWM輸出通常具有可編程脈沖寬度和周期，可以用在許多任務(wù)業(yè)控制應(yīng)用中，包括直流電平產(chǎn)生和抗噪模擬信號傳輸(利用適當?shù)牡屯V波)。

然而，為使其真正能夠用于交流電機控制，需要從幾個方面對基本PWM功能進行升級。圖1顯示了電機控制示意框圖，其中來自處理器的PWM輸出以差分方式驅(qū)動高端和低端電源器件，從而調(diào)節(jié)電機的扭矩和速度。ADC用于向處理器提供電流測量反饋，這樣就可以在具有時序緊密的閉環(huán)系統(tǒng)中管理PWM占空比，以便控制電機。

圖1：電機控制信號鏈示意圖。

與通用處理器的PWM模塊相比，用于電機控制的PWM單元具有多項增強功能。如上文所述，電機控制PWM成對使用，以便在給定電機相位交替驅(qū)動高端和低端電源開關(guān)。對于三相交流電機，需要采用3對PWM單元。

如圖1所示，在處理器的PWM控制單元與功率晶體管的柵極驅(qū)動器件之間一般必須提供隔離。這種隔離通常利用光耦合器或脈沖變壓器實現(xiàn)。因此，一些PWM單元提供柵極驅(qū)動單元，便于輸出與高頻斬波信號混合，從而連接到脈沖變壓器;同時還配有引腳驅(qū)動器，以足夠的源電流和吸電流驅(qū)動大多數(shù)光耦合器。

重要的是，電機控制PWM必須在一個電源器件聲明結(jié)束與另一個互補的電源器件聲明開始之間提供一定的保證“死區(qū)”。否則，電源開關(guān)可能發(fā)生直流短路。

此外，必須始終存在能夠立即異步禁用PWM輸出的途徑，避免發(fā)生多個輸出相位同時啟動的錯誤狀況。這種“PWM跳變”特性允許利用外部異步信號禁用所有PWM輸出，無論處理器時鐘處于何種狀態(tài)。

最后，雖然讓通用定時器同步啟動是常見做法，但PWM定時器同步對于電機控制具有更重要的意義。可以利用內(nèi)部或外部施加的“PWM同步”信號產(chǎn)生一個中斷(有時每個周期不止一次)，以便處理器能夠根據(jù)控制算法調(diào)整占空比，并且ADC能夠獲取和傳輸下一個電流測量結(jié)果。

至此，顯而易見，雖然許多任務(wù)業(yè)應(yīng)用可能會選用具有通用外設(shè)集的處理器，但首先考慮哪些“工業(yè)升級”對當前應(yīng)用有利是明智之舉。本文中，我們只選擇討論了網(wǎng)絡(luò)連接和PWM功能兩個例子，但同樣的道理也適用于其它許多子系統(tǒng)，包括存儲器結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。利用擴增外設(shè)和系統(tǒng)模塊帶來的增值，可以提高工業(yè)產(chǎn)品的穩(wěn)定性和系統(tǒng)控制能力。