TI C2000的國產(chǎn)替代路線

一、C2000的歷史

TI C2000微控制器（MCU）這個產(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)時這款主要是用于硬盤的馬達(dá)控制，時至今日，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，電動汽車、雙軸伺服馬達(dá)、交流伺服驅(qū)動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。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，硬件完整性高達(dá)ASIL B級，所以在電動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。只是信號處理不涉及到圖像，聲音等信號，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)來對應(yīng)。

在電動汽車方面的應(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、最大程度地提高實時控制性能、靈活集成傳感技術(shù)，改善實時控制。

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，STM32一定不會缺席。而STM32和C2000一樣，整個系列在電機(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)行速度普遍比同級別的ARM內(nèi)核MCU要快很多，雖然主頻及內(nèi)存要小一點，但實時控制應(yīng)用場景并不對主頻有很高的要求。除了計算速度外，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。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)部的硬件中添加個性化的定制邏輯電路。

有些應(yīng)用利用 FPGA 來實現(xiàn)時序關(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 實現(xiàn)不同的編碼器，例如絕對編碼器、T-format 等。C2000 在 CLB 中提供了許多編碼器示例，同時允許客戶創(chuàng)建自己的解決方案，還使用 CLB 實現(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 將一個經(jīng)優(yōu)化的高速可編程邏輯集成到 C2000 MCU 等實時控制器中，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)提供智能的信號輸入/輸出 (I/O) 路由功能，最終成為具有系統(tǒng)級差異化特性的增強(qiáng)版知識產(chǎn)權(quán) (IP) 模塊。

如圖中所示，CLB 工具包括兩個、四個或八個邏輯塊，每個邏輯塊內(nèi)是一整套經(jīng)優(yōu)化的可編程邏輯單元，其中包含：? 三個 4 輸入查找表 (LUT4)? 三個 32 位計數(shù)器 (Ctr32)? 三個 4 狀態(tài)有限狀態(tài)機(jī) (FSM)? 八個 3 輸入輸出查找表 (L3)? 一個高級控制器 (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，針對常見的故障，如過流，過壓，IGBT 驅(qū)動故障等，采取實時的保護(hù)方案（一般從故障發(fā)生，到識別，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 則用來實現(xiàn)不同故障下的 PWM 快速保護(hù)功能。因為CPLD獨(dú)立于MCU運(yùn)行，這種架構(gòu)下，即使MCU發(fā)生故障，CPLD也可以第一時間識別并控制系統(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)計復(fù)雜度的同時，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)芯片有很多家針對實時控制領(lǐng)域，目標(biāo)是替代C2000，主要分為幾個技術(shù)路線：

1、海思系的實時控制MCU創(chuàng)業(yè)公司比較多，技術(shù)路線基本一致，特點是資源管夠，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是hex兼容/bin兼容，里面進(jìn)芯因為做的時間早，規(guī)模還可以，因為是完全兼容，因此是否存在專利風(fēng)險，是否可以出口，會是商務(wù)層面的一個關(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)，這個就不評論了。

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，人們對于實時控制的訴求越來越高，這也在推動技術(shù)供應(yīng)商提供更優(yōu)秀的平臺化解決方案，對包括感知、處理、驅(qū)動控制，以及通信接口在內(nèi)的完整的實時信號鏈及其相關(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)動應(yīng)用的技術(shù)基石。

實時控制芯片的國產(chǎn)替代是一個長期且復(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)同等多個方面。國家政策的支持和市場需求的增長也是推動國產(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)芯片在實時控制芯片領(lǐng)域正逐步形成自主研發(fā)和創(chuàng)新的能力，為實現(xiàn)更廣泛的國產(chǎn)替代奠定了基礎(chǔ)。