工業級特性在嵌入式處理中至關重要

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，因而能為工業應用所接受。另一方面，有些重要的外設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系統。本文將就網絡和電機控制應用討論兩個增強功能的例子。

以太網接口

對于傳統工業應用，以太網控制器可提供基本網絡連接。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MAC/PHY組合芯片的價格持續下降，已達到幾乎與獨立PHY芯片相當的程度，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，內部MAC通常與系統DMA通道相連，可以設置為發送或接收數據，與內核處理器的交互極少。內部MAC控制器一般可以實現接近于線路速度的性能，具體取決于協議。

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

在工業型網絡中，以太網可利用網絡時間協議(NTP)提供基本系統時間。對于基于NTP的系統，整個受控網絡的同步通過“人機接口”時間尺度衡量。雖然該協議適合一般系統定時信息，但它不夠精確，不適合許多要求更精密同步的工業控制系統。

為改善精度，業界制定了IEEE 1588精密時間協議(PTP)標準，與以太網控制器和網絡堆棧配合使用，以利用主時鐘同步網絡上的“本地”時鐘。也就是，各處理或控制節點與驅動系統的主參考時間同步。

通過使整個工業網絡保持精密定時關系，時間事件便可以同步到亞毫秒水平。時間事件包括：模擬/數字轉換器何時采樣，何時驅動數字/模擬轉換器，以及何時激活I/O線路以執行系統控制等。

IEEE 1588 PTP要求交換特定數據包，以便從兩個節點提供時間信息。這些數據包用于計算各節點時鐘之間的時間和頻率差。此外，該協議提供一種連續調整時鐘的途徑，使各時鐘保持同步。

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

PWM單元

微處理器和DSP的一個標準外設是通用定時器，它基于芯片內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功能，以及單端脈沖寬度調制(PWM)輸出波形。這些PWM輸出通常具有可編程脈沖寬度和周期，可以用在許多任務業控制應用中，包括直流電平產生和抗噪模擬信號傳輸(利用適當的低通濾波)。

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輸出以差分方式驅動高端和低端電源器件，從而調節電機的扭矩和速度。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系統中管理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動高端和低端電源開關。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。因此，一些PWM單元提供柵極驅動單元，便于輸出與高頻斬波信號混合，從而連接到脈沖變壓器;同時還配有引腳驅動器，以足夠的源電流和吸電流驅動大多數光耦合器。

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”。否則，電源開關可能發生直流短路。

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。

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。可以利用內部或外部施加的“PWM同步”信號產生一個中斷(有時每個周期不止一次)，以便處理器能夠根據控制算法調整占空比，并且ADC能夠獲取和傳輸下一個電流測量結果。

至此，顯而易見，雖然許多任務業應用可能會選用具有通用外設集的處理器，但首先考慮哪些“工業升級”對當前應用有利是明智之舉。本文中，我們只選擇討論了網絡連接和PWM功能兩個例子，但同樣的道理也適用于其它許多子系統，包括存儲器結構和數據轉換接口。利用擴增外設和系統模塊帶來的增值，可以提高工業產品的穩定性和系統控制能力。