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,電動(dòng)汽車、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)汽車上也有著廣泛的應(yīng)用場景。
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。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,透過分工合作的方式,來因應(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)類型,TI也能給予不同的DSP架構(gòu)來對(duì)應(yīng)。
在電動(dòng)汽車方面的應(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的競爭
C2000還能占據(jù)市場的主要原因是:
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)及開發(fā)資源,極易上手
說到用戶基礎(chǔ),當(dāng)年隨著華為電源業(yè)務(wù)部門(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出來創(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)了中國中高端市場上的大壁江山。
無論在什么電機(jī)應(yīng)用場合,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)布開發(fā)生態(tài)系統(tǒng),與C2000展開競爭,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。
現(xiàn)在ARM內(nèi)核MCU同質(zhì)化嚴(yán)重,價(jià)格也拉得越來越低,而最便宜的C2000芯片都沒有低于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)問題提供新穎的解決方案,例如為保護(hù)觸發(fā)條件編寫應(yīng)用特定的邏輯、增強(qiáng)軟開關(guān) PWM 的類型、或者實(shí)現(xiàn)基于特殊條件的正交編碼器位置捕獲。
工程師們在利用單片DSP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。從一些應(yīng)用實(shí)例來看,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。
在新能源與汽車電機(jī)控制器中,為了保障系統(tǒng)安全,針對(duì)常見的故障,如過流,過壓,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、國產(chǎn)替代的挑戰(zhàn)者
國產(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),有沒有用起來就看各家水平,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,屬于國產(chǎn)里第五種獨(dú)特的技術(shù)路線。
五、結(jié)語
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)控制芯片的國產(chǎn)替代是一個(gè)長期且復(fù)雜的過程,涉及到技術(shù)研發(fā)、市場推廣、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等多個(gè)方面。國家政策的支持和市場需求的增長也是推動(dòng)國產(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、市場認(rèn)可度提升等方面仍面臨挑戰(zhàn)。國產(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)更廣泛的國產(chǎn)替代奠定了基礎(chǔ)。