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围攻C2000的国产实时控制MCU派系

07/29 10:20
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C2000在新能源(含汽车,光伏,储能,充电等应用)有着领先的占有率,本文在23年4月份文章 "实时微控制器的关键技术及国产玩家"基础做的更新;

一年时间,又多了几家冲着实时控制(如C2000)去的国产芯片发布,有的确实让人眼前一亮;

1、实时控制器概览‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍‍

如下图,是摘自TI的交流感应电机的控制流程图,数字控制其实原理非常简单,分三步:

感知:通过ADC采样需要被控制的信号:如电压,电流,转速等

计算:结合控制目标及控制算法,计算当前需要输出的PWM占空比

执行:PWM输出

图1,2 TI,环路控制概览

在介绍大功率直流充电桩时候,针对设计小二都有特别标注一个参数:开关频率

比如PFC在40kHz~150kHz,LLC: 130kHz~250kHz,电机一般10kHz以下

而太阳能逆变器,有的频率会到500kHz的高频

传送门:大功率充电桩系列

这里就引出了实时微控制器的一个核心,环路控制的周期,就是图1中完成感知,计算及执行的时间;

10khZ,一个环路控制周期是100us;

100kHz,一个环路控制周期10us;

500kHz,一个环路控制周期2us;

环路时间是一个综合性的指标,如下图是TI针对环路做的分析

图3 TI,环路控制概览

2、实时控制器的关键点

接着第一节的图,看采集,信号处理,执行涉及到的一些IP

ADC,

转换时间,1Msps采样率的ADC的采样时间是1us,如果是500kHz开关频率,只剩下1us给CPU处理明显是不够的;目前主流的12bit ADC,基本都在4Msps以上,一个采样转换的时间在0.25us

ADC的通道及转换单元,一般控制的采样信号是多路,比如2/3路电流,而且为了保证控制效果,需要同时采样;

小二画了两个对比示意图,分别是3采样保持单元+1转换单元,和三个采样保持单元+3个转换单元的输出结果示意;应该容易计算,如果1Msps的ADC,他们输出3个采样结果的时间分别是<3us(三通道一起采样保持,会省一些时间)和1us;

转换精度,这个影响到控制精度,和控制对象的范围,一般12bit很多场景足够,部分是到14bit;

中断响应时间,看图

CPU,

计算大脑,影响信号处理的时间;我们假设完成一个计算需要300条指令,比考虑浮点运算及乘除法运算情况下,假设RAM里面执行,100MHz的CPU,完成需要3个us,我们把影响展开具体分析下:

主频率,这个很好理解,执行指令的周期,目前随着工艺的提高,主频也提升了,国产M4F级别的MCU,一般40nm工艺下,跑200MHz

CPU架构,不同的CPU架构,流水线的级数,不一样,同一工艺级别可以支持的主频率差别会很大,同40nm情况下,M0级别可能是64MHz,M4F是200MHz,M7就可以到300MHz以上了;

此外,CPU是否支持DSP,FPU,乘法除法器也是非常关键,比如M3和M4都是1.25DMIPS/MHz,但是CM3不支持DSP和SIMD,FPU,处理能力比M4就弱上一大截了;

CM3和CM4对DSP指令的支持

CPU小二发现了一款亮眼的, ARM基于V8架构推出的Cortex-M52 (ARM中国团队研发的STAR-MC2同款),回头有时间再介绍

Flash的取指速度,TCM,I/D Cache,一般程序都存储在Flash里面,但是程序的执行是在CPU里面的,可能不少工程师还吃过这个亏,有的CPU主频太快,Flash慢,这里就需要配置Flash的Wait Cycle,如果配置错误,可能导致芯片跑飞;

为了解决Flash慢的问题,从而提出了Instruction Cache和Data Cache的设计,以及Tightly Coupled Memory的设计,保证没有系统存储没有短板;

目前的MCU,有部分是XIP的Flash,为了保障程序快速运行,就加入了TCM,然后取了一个名字:Zero-Wait State Flash,零等待,跑更快;有些大厂的Flash直接取指速率可以做到接近100MHz,让人敬佩;

当然,运算的效率还和系统的部分IP,诸如DMA,这里就不展开了;

PWM,

聊到这里,相信大家已经理解,PWM是重要的一个,但是不是唯一的;

PWM作为控制器里面的重要单元,负责对外输出控制,也负责环路控制的触发(触发ADC采样)

我们先了解HRPWM和PWM单元;

HRPWM,High Resolution,顾名思义,就是高分辨率,多高算高?一般ps级别的分辨率算高;HRPWM和PWM最主要的区别也在这里;

那么,这个HRPWM难吗?我们算一个数字,德州仪器TI的高端C2000,支持150ps的分辨率,150ps,对应的时钟等效 1000,000/150MHz,即6.66GHz;而主频只是200MHz,应该说难度确实高;

TI实现HRPWM采用了其自主的MEP设计,如下图,在传统的PWM的边缘,增加对边缘做细微修整,比如PWM是46%占空比,通过MEP的调整,可以增加到46.XX%

高精度PWM只是PWM的一个特性,PWM的通道同步方式,和外设的互相触发方式,保护方式都是细节

3、几大派系简介

如文章开篇的图,小二盘点下各大派系的特点:

国防科大:最大特点是hex兼容/bin兼容,里面进芯因为做的时间早,目前是唯一一家营收破亿的,其他家应该都在1000万营收内;因为是完全兼容,因此是否存在专利风险,是否可以出口,会是商务层面的一个关键问题;

中科大派:这个派系基本是采用RISC-V内核+C2000兼容的外设,RISC-V内核本身的灵活性为CPU扩展自主指令提供了基础,有没有用起来就看各家水平;中科大派走的最快的应该是中科昊芯,宣传的很热闹,行业内有不少客户有评估,至于口碑...

海思系:开始没想到海思系的实时控制MCU创业公司如此多,而且走的技术路线如此一致;特点是资源管够,外设兼容TI,TI F28377D (1MB Flash,204KB SRAM),华太的是(2MB Flash,768KB SRAM);目前两家都开始了市场推广;


华太 HS32F7D377结构框图

翌创微 ET6001结构框图

通用MCU系:

目前国内头部的MCU厂家都已经完成了实时控制的产品线布局:兆易,国民,极海,小华

小华参考STM32F334规格,凭借用40nm工艺优势,把主频提升到了120MHz,奇怪的是没有专门的硬件计算加速单元(类似三角函数加速等);

国民参考STM32G4规格,凭借40nm工艺优势,把主频提升到了200MHz,应该说是G4的升级;

兆易围绕E5x系列和H7系列,丰富了应用参考设计;

极海是通用MCU大厂里面唯一一家走C2000技术路线的,小二也是从这颗芯片了解到Cortex-M52内核

小二也做个调研,请终端应用公司工程师投票,芯片公司请围观...

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