Acest articol va trata noua categorie de controlere electronice hibride care combină cele mai folositoare atribute ale microcontrolerelor (MCU) şi ale procesoarelor de semnal digital (DSP). Această nouă categorie de produse se potriveşte foarte bine la sistemele electro-mecanice care necesită atât funcţionalităţi numerice cât şi capacitatea de control a actuatuarelor precum controlul motoarelor în timp real. Industria auto şi sistemele de comandă sunt exemple de astfel de sisteme despre care noi vom discuta.
Evoluţia controlerelor hibride este prezentată în figura 1. Controlerul hibrid mai este numit uneori şi Controler de Semnal Digital (DSC). Circuitul DSC este un hibrid de DSP-uri şi MCU-uri şi va exista alături de aceste dispozitive. Diagrama ilustrează de asemenea, unitatea microprocesorului (MPU); un procesor înalt integrat care nu conţine periferie integrată “on-chip” precum ariile de memorie.
DSP-ul este un tip de microprocesor foarte specializat.
Arhitectura a fost dezvoltată pentru a executa un număr mic de instrucţiuni foarte specifice şi tipuri de operaţii la viteze cât se poate de mari. Cerinţa de execuţie foarte rapidă a apărut datorită nevoii de operare a semnalelor analogice în timp real în medii digitale unde calculele matematice şi procesarea semnalelor digitale este posibilă. Această funcţie a fost realizată tradiţional cu folosirea unor filtre analogice hardware. Un aspect important al capacităţi i de procesare a semnalului este performanţa în timp real. Datorită faptului că semnalele de intrare care cer procesare sunt folosite în aplicaţii precum telefonia, televiziunea, sistemele multimedia şi player-ele CD, acestea trebuie să fie manipulate instantaneu. Dacă DSP-urile nu pot procesa atât de repede, aplicaţia nu poate avea loc; (gândiţi-vă să vorbiţi la telefon şi să recepţionaţi cuvintele interlocutorului cu foarte mare întârziere).
Microcontrolerele au fost dezvoltate să livreze foarte multă flexibilitate prin programabilitate. Toate operaţiile care pot fi realizate cu un DSP pot fi de asemenea efectuate cu un microcontroler (sau un microprocesor, care este acelaşi lucru minus periferia integrată “on-chip”). Diferenţa este că microcontrolerul va fi mai lent pentru anumite tipuri de procesări de semnal, dar va fi capabil de multe alte tipuri de operaţii de date. Aplicaţiile în care un microcontroler este tipic folosit sunt cele de control în buclă care obişnuiesc să ceară un număr de sarcini diverse decât acei algoritmi intens repetaţi care reprezintă o sarcină uşoară pentru un DSP.
Rezumând, microcontrolerele sunt optimizate să lucreze cu operaţii logice, aritmetice de diagnosticare, în aproape orice combinaţie de date de intrare provenite din diverse surse, în timp ce un DSP este foarte eficient în rezolvarea sarcinilor repetitive, numerice intense. Privind caracteristicile specifice care definesc DSP-urile şi microcontrolerele, este clar că acelaşi hardware evoluează cu ambele tipuri de dispozitive. DSC-urile reprezintă un progres logic în evoluţia acestor categorii de produse. Circuitele DSC au evoluat datorită cerinţelor de dispozitive care să reprezinte o soluţie de cost şi să corespundă aplicaţiilor care cer atât operaţii DSP cât şi MCU. Circuitele DSC vor înlocui ambele chipuri. Controlul motoarelor este un astfel de exemplu. Din acest motiv, o bună parte din periferia integrată în DSC-uri precum timmer-ele PWM şi convertoarele analog / digitale (ADC) sunt de asemenea cerute pentru controlul efectiv al motoarelor.
Avantajele integrării într-un singur chip DSC – lucru ce s-a realizat în ultimii ani – sunt micşorarea costurilor generate de numărul componentelor, reducerea spaţiului pe placa de circuit, reducerea logisticii controalelor şi creşterea fiabilităţii. Beneficiul introducerii tuturor acestor caracteristici într-o singură arhitectură faţă de utilizarea unui coprocesor (punând de fapt pe aceeaşi placă un MCU şi un DSP pe post de coprocesor) îl reprezintă dezvoltarea doar unui singur software. Astfel se simplifică dezvoltarea sarcinilor şi a kit-urilor suplimentare cerute de microcontrolere sau DSP-uri precum sculele de dezvoltare. Ambele părţi, cea de control orientat şi cea de procesare de semnal sunt incluse într-un singur algoritm.
Familia produsă de Motorola – 56F8300 – este un bun exemplu în ceea ce priveşte noua generaţie de controlere de semnal digital – DSC. A fost adaptată să lucreze în timp real în sistemele electro-mecanice care cer înaltă performanţă a capabilităţilor de control, aşa cum se prezintă nivelul de performanţă al DSP-urilor în procesarea semnalelor. Două aplicaţii tipice sunt sistemele de frânare prin fire şi sistemele electronice de comandă a puterii. Aceste sisteme avansate au început să fie adoptate de industria automobilelor.
Există o tendinţă de implementare a sistemelor de comandă directă a motoarelor electrice ale sistemelor electro-hidraulice de putere convenţionale.
Pe măsură ce acest sistem de comandă devine mai complex, sunt adăugate capabilităţi rapide de calcul matematic ce pot fi cerute în plus de funcţionalităţile micro-controlerelor.
Controlerele algoritmice trebuie acum să furnizeze capabilităţi precum instrucţiuni de control orientate, înaltă densitate de cod, programare uşoară utilizând limbaje de nivel înalt. Câţiva proiectanţi au considerat că DSP-urile trebuie să furnizeze aceste capabilităţi, dar şi-au dat seama până la urmă că aceste micro-controlere mai integrate capabile să ofere ambele cerinţe de procesare de semnal sunt mult mai potrivite.
Circuitele 56F8300 au fost special dezvoltate să se adreseze nevoilor unor astfel de sisteme precum aplicaţiile de control al motoarelor. O arhitectură stil Harvard a fost implementată să utilizeze ambele magistrale, una de încărcare/stocare date, iar cealaltă pentru instrucţiuni furnizând trei magistrale de date de 16 biţi şi trei magistrale de adrese de 16 biţi. Multe microcontrolere utilizează o arhitectură Von Neumann ce implementează o singură magistrală pentru adrese şi date. Arhitectura Harvard este mai puternică datorită paralelismului folosit în aducerea datelor şi instrucţiunilor.
Se aşteaptă foarte mult ca sistemele standard de frecare folosite astăzi şi care utilizează lichid hidraulic să fie înlocuite în viitorul apropiat cu sistemele complet electrice. Deşi este nevoie de câteva schimbări majore pentru a se ajunge aici, nu sunt de neglijat avantajele oferite de aceste noi sisteme. Iată câteva dintre acestea:
• Fără lichid de frânare. Sunt ecologice şi reduce întreţinerea;
• Mult mai uşoare;
• Economice;
• Performanţe ridicate (frânele răspund mai repede);
• Minimizarea uzurii frânelor;
• Mai simple / asamblare şi testare rapidă (structură modulară);
• Interfaţa electrică mai robustă;
• Nu există contacte mecanice (creşte siguranţa)
• Arhitectura electronică este uşor de actualizat;
• Consistenţa caracteristicilor pedalei, cursă constantă;
• Mai puţine părţi folosite decât în sistemul hydraulic.
Fiecare disc ar putea fi controlat de un circuit asociat de control. Datorită cerinţelor privind acurateţea sistemelor de control al motoarelor, comunicaţiilor dintre diferitele noduri şi a algoritmilor sofisticaţi, 56F8300 a fost identificat ca o parte importantă a sistemului. Câteva dintre caracteristicile acestui circuit utile în cazul aplicaţiei “frânare prin fire” ţin de caracteristicile I/O şi sunt decodor în cvadradură şi controlerul PWM. Suplimentar, un controler de reţea CAN este disponibil pentru comunicaţia dintre modulele de control ale autoturismului.
Există un număr de derivate ale circuitului 56F8300 disponibile fiecare în diferite combinaţii cu periferii specifice. Fiecare dintre acestea include module de comunicaţie seriale sincrone (SPI) sau asincrone (SCI) precum şi reţea CAN şi timmere avansate ce optimizează precizia controlului motorului. Tabelul prezentat în figura 2 ilustrează aceste caracteristici principale.
Ross Bannatyne, Motorola Semiconductor Products Sector
rbannatyne@austin.rr.com