嵌入式系统复杂问题解决方案：模拟与数字的智能集成

　　鉴于在性能、成本、功耗、尺寸、新功能和效率等方面宏大的提升目标，未来嵌入式系统的设计面临着复杂的挑战。不过，一种有望解决这些复杂问题的设计选项已开始崭露头角——即模拟元件与ARM微控制器内核的智能集成。

　　这种方案与传统模拟集成的区别在于，新方案具有超高的性能，还经过了多种优化，以解决具体的系统级问题。虽然每个市场对这些提升领域的优选次序都有着自己的认识，但同时满足多个因素的要求实为众望所归，可以通过集成多个分立式元件来实现。从逻辑上讲，组合多个器件可以实现这些嵌入式系统目标中的一大部分，但只是简单地把多个分立式元件与一枚处理器集成到一个封装之中，这并非答案所在；解决方案要复杂得多，需要智能集成。

　　高性能模拟元件（放大器、ADC、DAC、基准电压源、温度传感器、无线收发器等）与ARM32位处理器内核的智能集成，再加上正确的数字外设，这种方式可以实现分立式解决方案无法望尘莫及的目标。为了构造出最佳混合信号控制处理器，不但需要对整个系统有着深入的了解，需要知晓是否有正确的知识产权（IP）可用，同时还具备有关该知识产权的专业知识。

　　毫无疑问，负责为这些集成器件制定功能要求的芯片设计师和系统工程师必须对最终应用需求有着充分的了解。这种领域知识至关重要，包括对电路板级要求的深入了解，包括尺寸、温度范围、制造考虑因素、功耗、成本和信号链中的配套元件。图1所示为智能集成器件中经常用到的模拟和数据IP模块。

　　图1 智能集成：针对目标应用而优化的模数组合式IP

　　有正确的知识产权可用，这是实现系统级目标的有力起点。这个起点是缩短混合信号控制处理器开发周期的必要条件。越来越多地，适用于具体应用的知识产权本身的获取/形成和实施需要由半导体制造商来协调。在此基础上，还需要对这些知识产权进行调整以满足两点具体要求。第一点是基于主要目标应用的需求优化性能和运行，由此实现系统级效益的最大化。第二点是优化知识产权，使其与混合信号控制处理器中的其他补充性知识产权模块良好、方便兼容。最后，在业务层需要有协调机会，将系统制造商与半导体制造商的专长和知识有机地结合起来，从而实现独特的优化设计。

　　有许多应用都可以从集成了高性能模拟和ARM微控制器内核的器件受益，包括温度检测、压力检测、气体检测、太阳能逆变器、电机控制、医疗生命体征监护、汽车监控系统以及水表/电表/气表。本文将重点考察电机控制的应用领域，其中，优化高性能模拟与ARM微控制器内核的集成可在成本、功耗、尺寸和性能四个方面带来极大的优势。

　　电机控制，其目标是提高效率以促进环保事业，以及降低成本。请注意，尽管这些智能集成混合信号器件是针对具体的最终应用而优化的，但它们也可以很好地用于功能要求类似于主要目标应用的关联应用。

　　在关于发电方式的环保担忧之外，人们还十分关心能源的使用效率问题。鉴于电机占全球用电量的40%，所以问题是如何提高这些系统的环保性。答案在于提高其效率，由此减少能耗。通过普及高效电机而节省的能源量十分可观：每年可节省数千亿千瓦时的用电量，可减少大气中二氧化碳排放量数百万吨。显然，高效电机的影响具有十分重要的意义。

　　具体地，有多个关键因素推动着高效电机的应用。其中一个是环保问题推动的政府立法。欧盟已经实施相应的法规，将来还会实施更多法规，强制要求使用更高效的电机系统。另一个关键推动因素是全寿命成本优势。在电机控制系统的成本中，材料约占15%，运行所用能源成本占85%。可见，通过提高效率，降低电机系统全寿命成本的潜力是非常巨大的。

　　提高效率的方式包括特别的电机设计，电机类型的选择，为不具备这种控制的系统添加可调速驱动器（ASD），以及针对效率而优化的控制算法。就特别的电机设计和特定电机类型的选择而言，永磁电机一直是关注重点，其使用呈增长之势。永磁电机的效率最高可达96%，超过了欧洲超高效能效标准（IE3）。

　　智能集成式混合信号控制处理器有可能实现ASD和控制算法的改进。以成本优势明显的方式集成基于ARM的CPU子系统、PWM、ADC和多路复用功能，结果可以在系统层省去ASD的物料成本。

利用转换时间较快的高精度ADC，可以改进控制算法。结果可增进电机系统的总体效率。精度高于12位的ADC可提高精度，用其来控制相位电流。然而，不能用采样转换延迟控制来换取更高的精度。这样就不能选择通过均值或过采样方式提升SNR的ADC。需要以终端机器（比如，贴片机）的运动