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具有高分辨率功能和安全狀態(tài)功能的 PWM 引擎

發(fā)布時(shí)間:2023-07-13 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電機(jī)控制(或其他高速控制)系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵功能是能夠在遇到一些災(zāi)難性的外部或內(nèi)部事件(例如過流情況)時(shí)關(guān)閉電機(jī)。這種“終止”功能應(yīng)關(guān)閉 PWM 引擎,將控制信號置于已知的良好狀態(tài),并將 I/O 焊盤配置為已知的良好狀態(tài),以防止損壞外部電路。


通用 32 位微控制器 (MCU) 在我們生活的互聯(lián)、傳感器豐富的嵌入式世界中無處不在。嵌入式智能和連接性幾乎滲透到我們生活的各個(gè)方面,催生了功能日益強(qiáng)大的 32 位 MCU,以及更的板載傳感器。

使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC) 的電機(jī)控制、無線電控制、音頻樣本生成和波形生成是需要具有更高精度模擬功能的 MCU 的典型應(yīng)用。由于 MCU 并不是無線電的天然配套設(shè)備,因此它們通常需要專門的高精度模擬組件或外設(shè),才能在無線電信號存在的情況下“表現(xiàn)良好”。涉及無線電或電機(jī)控制技術(shù)的終產(chǎn)品通常受益于使用具有高精度外設(shè)和系統(tǒng) IP 的 MCU。

例如,具有高精度脈寬調(diào)制(PWM)發(fā)生器的電機(jī)控制器能夠更有效地控制電機(jī),從而節(jié)省電力并延長電機(jī)的使用壽命。具有包含精細(xì)可控鎖相環(huán) (PLL) 的 MCU 的無線電系統(tǒng)需要更少的外部資源來減少信號干擾,從而帶來更好的終用戶體驗(yàn)和更高的價(jià)值。簡而言之,具有一流精密模擬外設(shè)的 32 位 MCU 可以為各種應(yīng)用帶來更高的價(jià)值。

具有高分辨率功能和安全狀態(tài)功能的 PWM 引擎

典型的 MCU 幾乎總是包含 PWM 信號發(fā)生器。這些信號發(fā)生器在與外部電阻電容 (RC) 網(wǎng)絡(luò)結(jié)合使用時(shí)非常有用,可生成音頻音調(diào)或其他正弦波形。 PWM 信號還用于驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制電路。因此,PWM 邊沿的放置對于生成具有更精細(xì)的頻率和相位控制的更平滑的正弦波形以及以更精細(xì)的效率控制電機(jī)至關(guān)重要。

典型的具有電機(jī)控制功能的 PWM 引擎會生成中心對齊和邊緣對齊的 PWM 信號。它還支持具有死區(qū)時(shí)間插入的差模功能,適用于需要“先斷后合”功能的應(yīng)用。典型的 PWM 信號發(fā)生器的分辨率至少應(yīng)為器件的工作頻率。

例如,對于 Silicon Labs 的 SiM3U1xx/SiM3C1xx Precision32 MCU,PWM 發(fā)生器以 50 MHZ 的頻率運(yùn)行,從而允許生成分辨率為 20 ns 的 PWM 邊沿。這些 32 位 MCU 還實(shí)現(xiàn)了一種模式,其中 PWM 邊沿可以放置在器件工作頻率時(shí)鐘的兩個(gè)邊沿上,從而實(shí)現(xiàn) 10 ns 的邊沿分辨率,如圖 1所示。對于大多數(shù)非電源相關(guān)的應(yīng)用來說,這種分辨率已經(jīng)足夠了。


具有高分辨率功能和安全狀態(tài)功能的 PWM 引擎
圖 1. PWM 發(fā)生器的 10 ns 邊沿分辨率


電機(jī)控制(或其他高速控制)系統(tǒng)的另一個(gè)關(guān)鍵功能是能夠在遇到一些災(zāi)難性的外部或內(nèi)部事件(例如過流情況)時(shí)關(guān)閉電機(jī)。這種“終止”功能應(yīng)關(guān)閉 PWM 引擎,將控制信號置于已知的良好狀態(tài),并將 I/O 焊盤配置為已知的良好狀態(tài),以防止損壞外部電路。

SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 包含六個(gè)高驅(qū)動(dòng)焊盤,每個(gè)焊盤能夠驅(qū)動(dòng)高達(dá) 150 mA 的電流,或總共驅(qū)動(dòng)高達(dá) 400 mA 的電流。如果所有焊盤同時(shí)驅(qū)動(dòng)且不受控制,則外部電路可能會損壞。高驅(qū)動(dòng)墊可與 PWM 發(fā)動(dòng)機(jī)配合使用,直接驅(qū)動(dòng)小型電機(jī)。如果收到終止信號,高驅(qū)動(dòng)焊盤具有“安全狀態(tài)”功能,使焊盤恢復(fù)到三種預(yù)編程狀態(tài)之一:三態(tài)、拉高或拉低。這些安全狀態(tài)配置寄存器僅在系統(tǒng)加電時(shí)重置,否則一旦被軟件寫入并鎖定,就保持不受干擾。任何其他重置都不會影響它們。

精細(xì) PLL 調(diào)整能力

在典型的 MCU/無線電集成器件中,噪聲抑制是有效使用無線電的關(guān)鍵考慮因素。在這些集成應(yīng)用中,當(dāng)無線電處于接收模式時(shí),通常會發(fā)現(xiàn)微控制器完全關(guān)閉,具體取決于發(fā)送模式下的使用情況,以避免來自 MCU 的噪聲污染。如果無線電是經(jīng)常使用的設(shè)備,則對 MCU 性能的影響可能會很嚴(yán)重。

減輕這種影響的一種方法是改變 MCU 的工作頻率,以確保其時(shí)鐘生成的任何噪聲雜散出現(xiàn)在感興趣的無線電頻段之外。這意味著 MCU 的 PLL 具有微調(diào)粒度,以便可以修改其頻率,將這些噪聲雜散置于無線電感興趣的頻帶之外。

Precision32 MCU 中使用的 PLL 能夠以大約 200 kHz 的步長在 23 至 80 MHz 之間移動(dòng)其工作頻率。這種精細(xì)的分辨率簡化了 SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 與任何無線電設(shè)備的集成,而不會因工作頻率或事件循環(huán)大幅降低而造成性能損失。

DMA 無所不在

直接內(nèi)存訪問 (DMA) 是一種常用于在內(nèi)存和外設(shè)之間移動(dòng)數(shù)據(jù)的機(jī)制。該技術(shù)使 CPU 不再承擔(dān)這項(xiàng)瑣碎的任務(wù),并釋放更多的 MIPS 來完成其他有用的工作。

MCU 上的典型 DMA 實(shí)現(xiàn)在設(shè)備上具有固定數(shù)量的源和目標(biāo),從而限制了 DMA 引擎的實(shí)用性。鑒于通用 MCU 的性質(zhì),很難預(yù)測哪些外設(shè)需要 DMA。一般規(guī)則是將 DMA 應(yīng)用于高帶寬外設(shè)并忽略所有其他外設(shè)。然而,在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,無論帶寬如何,提供對機(jī)器上所有地址的 DMA 訪問都是有益的。

例如,SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 就實(shí)現(xiàn)了這樣的系統(tǒng)。雖然只有一定數(shù)量的外設(shè)具有顯式 DMA 支持(即,它們可以配置為具有 FIFO 和中斷邏輯的 DMA 主設(shè)備,以支持詳細(xì)的帶寬管理),但所有外設(shè)都可以通過 DMA 訪問。那些沒有顯式 DMA 支持的外設(shè)必須通過軟件進(jìn)行帶寬管理,并且在出現(xiàn)緩沖區(qū)錯(cuò)誤情況時(shí)沒有向 CPU 發(fā)送信號的機(jī)制。例如,端口脈沖發(fā)生器可以由這樣一個(gè)具有一些軟件開銷的系統(tǒng)來控制,從而使得可以更地控制任意波形發(fā)生器。

該 DMA 引擎還可用于使用基于無線電流量的 DMA 鏈接來控制 MCU 的 PLL。例如,如果無線電通知 MCU 即將發(fā)送數(shù)據(jù)包,則可以使用軟件 DMAtrigger 發(fā)出 DMA 請求,該請求將向 PLL 加載改變其頻率的相關(guān)參數(shù),從而減少其無線電干擾足跡。

更高精度的電流 DAC

ADAC 在提供數(shù)字代碼時(shí)生成模擬電壓。非典型 DAC 將具有可以達(dá)到的一定位精度,具體取決于設(shè)計(jì)。因此,10 位 DAC 會將 10 位數(shù)字代碼轉(zhuǎn)換為給定范圍內(nèi)的電壓(或電流)。

MCU 上集成的 DAC 可用于多種用途,例如偏置電流發(fā)生器、任意波形發(fā)生器,或者在電流 DAC(也稱為 IDAC)的情況下,用作相對抗噪聲的通信介質(zhì)。

考慮到 DAC 的波形生成能力,典型的實(shí)現(xiàn)方式允許 DAC 具有 DMA 可訪問性,并可用作具有伴隨的 FIFO 的 DMA 主設(shè)備。例如,這種布置允許使用 DMA 從存儲器中定義的波形生成波形。

SiM3U1xx/SiM3C1xx MCU 將這一 DAC 概念更進(jìn)一步。 FIFO 結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了循環(huán)功能,通過在相鄰 10 位值之間進(jìn)行插值而無需 DMA 干預(yù),可將 IDAC 的精度以四分之一的數(shù)據(jù)速率從 10 位擴(kuò)展到 12 位。例如,如果 IDAC 輸出三個(gè)相同的值“x”和第四個(gè)值“x+1”,則在封裝引腳處測量的 IDAC 輸出將是 12 位精度值,如圖 2所示。此功能可用于生成 12 位偏置電流。

結(jié)論

擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)模擬功能精度的技術(shù)提高了 32 位混合信號 MCU 在涉及無線電和電機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用中的價(jià)值。高精度 PWM 引擎、精細(xì) PLL 調(diào)整和高精度 IDAC 體現(xiàn)了擴(kuò)展精度功能,可提供32 位 MCU 在應(yīng)用中具有這些設(shè)備無法提供的更多功能。 DMA 至一切功能可為 MCU 提供更精細(xì)的控制和外設(shè)使用,以進(jìn)一步提升價(jià)值。當(dāng)今 32 位 MCU 中實(shí)現(xiàn)的更高精度幾乎總是會通過更好的可用性和適用性帶來更高的價(jià)值。


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