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一、C2000的歷史
TI C2000微控制器（MCU）這個(gè)產(chǎn)品線已經(jīng)存在了近30年，還是立于不敗之地。1995年，C2000出生在所有人的眼前，當(dāng)時(shí)這款主要是用于硬盤(pán)的馬達(dá)控制，時(shí)至今日，這款MCU仍然是應(yīng)用在馬達(dá)控制方面。但與以往不同的是，不僅僅是硬盤(pán)，電動(dòng)汽車(chē)、雙軸伺服馬達(dá)、交流伺服驅(qū)動(dòng)器等方面均有它的身影。
C2000自身集成了豐富的I/O口，A/D采樣接口及PWM輸出接口，馬達(dá)和電源是主要的應(yīng)用場(chǎng)景。它的主業(yè)分為數(shù)字電源控制如光伏、通信和服務(wù)器電源，電機(jī)控制如家電、工業(yè)類(lèi)伺服驅(qū)動(dòng)。迭代到第三代，C2000系列還符合AEC-Q100，系統(tǒng)功能符合ASIL-D和SIL 3等級(jí)，硬件完整性高達(dá)ASIL B級(jí)，所以在電動(dòng)汽車(chē)上也有著廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
C2000一共有三代產(chǎn)品，有人叫它MCU（微處理器），有人叫它DSP（數(shù)字信號(hào)處理器），不過(guò)官方還是把這款產(chǎn)品規(guī)劃到了MCU之下。這款產(chǎn)品更加接近于DSP歸類(lèi)。只是信號(hào)處理不涉及到圖像，聲音等信號(hào)，而模擬量、數(shù)字量、數(shù)字濾波、快速FFT等功能，C2000都可以很好的完成。
TI的C2000架構(gòu)，推出了如TMU與VMU硬體加速單元，前者專職于三角函數(shù)運(yùn)算（偏重馬達(dá)應(yīng)用），后者則負(fù)責(zé)復(fù)數(shù)運(yùn)算（對(duì)應(yīng)通訊與軟體定義無(wú)線電），既有的FPU就負(fù)責(zé)分?jǐn)?shù)與小數(shù)點(diǎn)的運(yùn)算工作，透過(guò)分工合作的方式，來(lái)因應(yīng)客戶不同的運(yùn)算工作需求。就算是馬達(dá)所需要的運(yùn)算工作，因應(yīng)不同的馬達(dá)類(lèi)型，TI也能給予不同的DSP架構(gòu)來(lái)對(duì)應(yīng)。
在電動(dòng)汽車(chē)方面的應(yīng)用，更是不容小覷，這款產(chǎn)品不僅集EtherCAT、以太網(wǎng)和CAN FD于一體、最大程度地提高實(shí)時(shí)控制性能、靈活集成傳感技術(shù)，改善實(shí)時(shí)控制。
二、C2000與STM32的競(jìng)爭(zhēng)
STM32F4與德州儀器C2000相比，價(jià)格低很多，功能類(lèi)似，為何德州儀器C2000還賣(mài)的出去？
C2000還能占據(jù)市場(chǎng)的主要原因是：
1、發(fā)展早，有龐大的用戶基礎(chǔ)
2、自研內(nèi)核架構(gòu)，依賴度高，難替換
3、擁有豐富的周邊生態(tài)及開(kāi)發(fā)資源，極易上手
說(shuō)到用戶基礎(chǔ)，當(dāng)年隨著華為電源業(yè)務(wù)部門(mén)（安圣電氣）出售給艾默生之后，基于華為-艾默生系的不少員工后來(lái)出來(lái)創(chuàng)業(yè)，誕生出一批圍繞電力電子領(lǐng)域的創(chuàng)新企業(yè)，基本上都成為了C2000的用戶。直接導(dǎo)致了在馬達(dá)控制、功率變換領(lǐng)域，C2000成為行業(yè)里的標(biāo)桿，占據(jù)了中國(guó)中高端市場(chǎng)上的大壁江山。
無(wú)論在什么電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合，STM32一定不會(huì)缺席。而STM32和C2000一樣，整個(gè)系列在電機(jī)控制領(lǐng)域都是主流硬通貨。相比C2000 MCU和DSP屬性的難以界定，STM32是純粹的MCU。
STM32F4在2013年投入量產(chǎn)，并發(fā)布開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，與C2000展開(kāi)競(jìng)爭(zhēng)，STM32與C2000系列有著很多相似的地方，不論是PWM控制，閃存與SRAM，還是模擬模塊功能。C2000的運(yùn)算、執(zhí)行速度普遍比同級(jí)別的ARM內(nèi)核MCU要快很多，雖然主頻及內(nèi)存要小一點(diǎn)，但實(shí)時(shí)控制應(yīng)用場(chǎng)景并不對(duì)主頻有很高的要求。除了計(jì)算速度外，C2000的ADC的采樣精度和轉(zhuǎn)換速度也更有優(yōu)勢(shì)。
現(xiàn)在ARM內(nèi)核MCU同質(zhì)化嚴(yán)重，價(jià)格也拉得越來(lái)越低，而最便宜的C2000芯片都沒(méi)有低于1.5美金的。
三、CLB可定制邏輯
C2000 的可配置邏輯塊 (CLB, Configurable Logic Block)，這是C2000在系統(tǒng)架構(gòu)上值得稱道的一大創(chuàng)新點(diǎn)。在C2000芯片的內(nèi)部創(chuàng)建了一種靈活的自定義邏輯機(jī)制，用戶可以利用其在MCU內(nèi)部的硬件中添加個(gè)性化的定制邏輯電路。
有些應(yīng)用利用 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)序關(guān)鍵型功能或特殊功能，例如電機(jī)應(yīng)用中的編碼器。為了滿足這種需求，TI 開(kāi)發(fā)了可配置邏輯塊 (CLB) 解決方案。使用 CLB 實(shí)現(xiàn)不同的編碼器，例如絕對(duì)編碼器、T-format 等。C2000 在 CLB 中提供了許多編碼器示例，同時(shí)允許客戶創(chuàng)建自己的解決方案，還使用 CLB 實(shí)現(xiàn)有源 EMI 濾波器等創(chuàng)新解決方案，從而減少數(shù)字電源應(yīng)用中的 EMI。
CLB 將一個(gè)經(jīng)優(yōu)化的高速可編程邏輯集成到 C2000 MCU 等實(shí)時(shí)控制器中，為增強(qiáng)型脈寬調(diào)制器 (PWM)、增強(qiáng)型捕捉、增強(qiáng)型正交編碼器和通用 I/O 等關(guān)鍵外設(shè)提供智能的信號(hào)輸入/輸出 (I/O) 路由功能，最終成為具有系統(tǒng)級(jí)差異化特性的增強(qiáng)版知識(shí)產(chǎn)權(quán) (IP) 模塊。
如圖中所示，CLB 工具包括兩個(gè)、四個(gè)或八個(gè)邏輯塊，每個(gè)邏輯塊內(nèi)是一整套經(jīng)優(yōu)化的可編程邏輯單元，其中包含：? 三個(gè) 4 輸入查找表 (LUT4)? 三個(gè) 32 位計(jì)數(shù)器 (Ctr32)? 三個(gè) 4 狀態(tài)有限狀態(tài)機(jī) (FSM)? 八個(gè) 3 輸入輸出查找表 (L3)? 一個(gè)高級(jí)控制器 (HLC)
通過(guò)單獨(dú)配置并將這些單元塊連接在一起，您可以生成自定義邏輯方案，為復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題提供新穎的解決方案，例如為保護(hù)觸發(fā)條件編寫(xiě)應(yīng)用特定的邏輯、增強(qiáng)軟開(kāi)關(guān) PWM 的類(lèi)型、或者實(shí)現(xiàn)基于特殊條件的正交編碼器位置捕獲。
工程師們?cè)诶脝纹珼SP的情況下，有更大的自由度去實(shí)現(xiàn)一些復(fù)雜的邏輯，減少外圍的邏輯門(mén)。從一些應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，CLB可以直接支持市面上大多數(shù)編碼器的接口協(xié)議，包括EnDat2.2，BiSS， 多摩川T-format，其余的，比如尼康、松下，還是要自己去開(kāi)發(fā)。使用CLB可以省去少一塊解碼芯片，可以從整個(gè)BOM上節(jié)省成本。
在新能源與汽車(chē)電機(jī)控制器中，為了保障系統(tǒng)安全，針對(duì)常見(jiàn)的故障，如過(guò)流，過(guò)壓，IGBT 驅(qū)動(dòng)故障等，采取實(shí)時(shí)的保護(hù)方案（一般從故障發(fā)生，到識(shí)別，并采取保護(hù)措施，需要在幾百納秒以內(nèi)完成)，PWM 進(jìn)入對(duì)應(yīng)的安全狀態(tài)。
傳統(tǒng)方案中，控制及保護(hù)的系統(tǒng)典型搭配為 MCU + CPLD，MCU 跑電機(jī)控制算法(如FOC)，系統(tǒng)控制和通訊等功能 ，CPLD 則用來(lái)實(shí)現(xiàn)不同故障下的 PWM 快速保護(hù)功能。因?yàn)镃PLD獨(dú)立于MCU運(yùn)行，這種架構(gòu)下，即使MCU發(fā)生故障，CPLD也可以第一時(shí)間識(shí)別并控制系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)。
Ti的MCU在芯片內(nèi)部集成CLB，可以替代用于監(jiān)測(cè)及保護(hù)的片上CPLD，降低系統(tǒng)成本及設(shè)計(jì)復(fù)雜度的同時(shí)，保障了系統(tǒng)安全控制的需求。
四、國(guó)產(chǎn)替代的挑戰(zhàn)者
國(guó)產(chǎn)芯片有很多家針對(duì)實(shí)時(shí)控制領(lǐng)域，目標(biāo)是替代C2000，主要分為幾個(gè)技術(shù)路線：
1、海思系的實(shí)時(shí)控制MCU創(chuàng)業(yè)公司比較多，技術(shù)路線基本一致，特點(diǎn)是資源管夠，外設(shè)兼容TI，TI F28377D (1MB Flash，204KB SRAM），華太的是(2MB Flash，768KB SRAM)。
2、中科大系基本是采用RISC-V內(nèi)核+C2000兼容的外設(shè)，RISC-V內(nèi)核本身的靈活性為CPU擴(kuò)展自主指令提供了基礎(chǔ)，有沒(méi)有用起來(lái)就看各家水平，中科大派走的最快的應(yīng)該是中科昊芯。
3、國(guó)防科大系最大特點(diǎn)是hex兼容/bin兼容，里面進(jìn)芯因?yàn)樽龅臅r(shí)間早，規(guī)模還可以，因?yàn)槭峭耆嫒?，因此是否存在專利風(fēng)險(xiǎn)，是否可以出口，會(huì)是商務(wù)層面的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
4、通用MCU系走的是ARM兼容路線，以兼容STM32G4為目標(biāo)，這個(gè)就不評(píng)論了。
5、半定制MCU系，AG32（RISC-V+CPLD二合一），用以挑戰(zhàn)CLB可定制模塊，屬于國(guó)產(chǎn)里第五種獨(dú)特的技術(shù)路線。
五、結(jié)語(yǔ)
在當(dāng)今的電力電子領(lǐng)域，人們對(duì)于實(shí)時(shí)控制的訴求越來(lái)越高，這也在推動(dòng)技術(shù)供應(yīng)商提供更優(yōu)秀的平臺(tái)化解決方案，對(duì)包括感知、處理、驅(qū)動(dòng)控制，以及通信接口在內(nèi)的完整的實(shí)時(shí)信號(hào)鏈及其相關(guān)要素進(jìn)行優(yōu)化，以減少延遲并提供足夠的控制精度。這也是高效率、高性能、高可靠電源管理和電機(jī)驅(qū)動(dòng)應(yīng)用的技術(shù)基石。
實(shí)時(shí)控制芯片的國(guó)產(chǎn)替代是一個(gè)長(zhǎng)期且復(fù)雜的過(guò)程，涉及到技術(shù)研發(fā)、市場(chǎng)推廣、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多個(gè)方面。國(guó)家政策的支持和市場(chǎng)需求的增長(zhǎng)也是推動(dòng)國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)程的重要因素，但在技術(shù)追趕、生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)建、市場(chǎng)認(rèn)可度提升等方面仍面臨挑戰(zhàn)。國(guó)產(chǎn)芯片在實(shí)時(shí)控制芯片領(lǐng)域正逐步形成自主研發(fā)和創(chuàng)新的能力，為實(shí)現(xiàn)更廣泛的國(guó)產(chǎn)替代奠定了基礎(chǔ)。
下載ECAD模型
