有效地关闭您的控制回路中的MCU为基础的设计

控制回路的许多基于MCU的设计进行最根本的任务之一。通常，这些设计未能采取的主要特点和现代MCU的外设提供给最充分利用有效地实现闭环控制系统。定时器和中断控制器通常用在这些系统中，但一些其他功能，如DMA，先进的模拟 - 数字转换器，以及专用数学函数来实现控制系统时，多次忽视。

本文将很快回顾一些高效的基于MCU的闭环控制系统的关键要求。为提高效率的常用技术将使用一些例子的MCU来说明。一旦你了解了一些提高效率，你可以更好地寻找，这将优化关闭你的下一个控制环路的设计实现共同的技术。

控制环路的基本知识

控制回路控制动力系统使用的关键要素。动态系统可以是任何机械或电气系统，其具有输入和输出之间的关系(通常建模为线性关系)。输出通常需要以这样的方式，以留在期望的操作“带”进行控制。例如，在自动巡航控制的车内是这样的系统，其中汽车的速度被设定在所需的水平和控制器保持速度恒定即使汽车遇到的小山。控制该速度的算法利用适用的输入(在加速器中的压力)的控制回路，测量的结果(速度)，并调整，以维持该速度在所需水平的输入。一个简单的单输入单输出控制系统，具有一控制环的框图，示出在下面的图1。

一个简单的动态控制系统控制回路框图

图1：一个简单的动态控制系统的控制回路的框图。

另外，在上述程序框图中输入到动态系统得到的输出。的输出由反馈传感器测量和测得的输出与参考(期望)的输入。如果是有区别的，所使用的系统控制器所产生的误差来修改系统的输入，使系统输出更接近基准输入。系统控制器需要足够的智能，以避免振动和可能导致的不正确的管理控制系统中的其他问题。假定动态系统是线性的(其中输出是正比于输入)不为限制性，因为你可能会认为因为许多机电系统并操作以线性方式，或者可以很容易地“偏向”内的操作一个更复杂的传递函数的线性区域。

用微控制器实现控制环路

这是很容易明白为什么MCU是主力实现控制系统。与感测，计算和控制各种输入和输出，所有在非常高的性能率的能力(特别是在高性能的速率相对于机械系统，如电机)MCU是一种天然的控制元件。除了CPU的能力，许多微控制器提供智能外设使关闭您的控制回路简单，高效。

控制回路通常有动力系统的每次调整之间的时间关系。这种“循环时间”决定了调整的速度有多快可以做。如果循环时间过长在关系到系统动力学(受控系统的时变性质)这将是困难的，如果不是不可能有效地控制该系统的输出。振荡与“失控”的错误可以累积，使系统在失败的危险，也许在一个非常戏剧性的性质。在一般情况下，更快的MCU可关闭循环(处理输出传感器，确定任何参考误差，并调整系统输入)，就更好了。

有效的计时，计数因此需要优化关闭控制环路和MCU具有先进的定时外设可以最佳地实现控制回路的关键功能。例如，Silicon Labs的EFM32LG360F64G-E-CSP81 MCU有一个定时器/计数器外围有几个特点在控制环路的实现是有用的。经常定时和都需要在除了闭环控制器的主循环定时器功能计数。让我们来看看EFM32LG计数器/定时器外设更详细(图2)的方框图，看看它如何帮助实现图1所示的控制回路系统中的其他常用功能。

Silicon Labs公司EFM32LG单片机的定时器/计数器框图

图2：Silicon Labs公司EFM32LG单片机的定时器/计数器框图(Silicon Labs公司提供)。

在T / C中的一个有用的特点是，通过在TIMn_CCn销上图的左侧计数从外部来源转移的能力。观察到产生基于动态系统的测得的输出跃迁传感器时，这些输入可以是有帮助的。例如，基于位置测量旋转测量常常产生对每一圈的过渡。还要注意存在这样可以用于类似测量的图的上部中间的正交解码器块。计数的数目记录的，当他们到达存储在Timern_TOP终端值可以用于触发中断立即采取行动或者可以存储以备将来处理。

定时器/计数器输出，TIMn_CCn销的右侧图中，可以使用脉冲宽度调制(PWM)方案共同用于控制输入到动态系统。这些系统中的时间的信号是有效的涉及用于控制所希望的电压或电流电平。精确地控制信号周期，信号为高电平时，边缘过渡点都是至关重要的，并且可以在定时器/计数器的PWM功能，有效地控制。具有三个独立的PWM输出也方便了通用电机控制应用，其中三个分离绕组用于改变带有纺丝电机相关联的磁场。

智能外设控制

实现快速，高效的闭环反馈的时候经常需要使用的智能外设，从高功耗CPU和程序存储器块卸载处理。如果外围设备可以从CPU独立地进行操作，这可以让CPU执行其它更复杂的处理任务或甚至在低功率状态，以等待，直到处理是必需的。一些先进的微控制器具有可以使用的外围设备连接在一起，使没有来自CPU干预要求配置自主操作的特殊的外围控制系统。例如，瑞萨MCU R5F52108CDFM的RX210 MCU组的成员，有一个事件链路控制器(ELC)，用于连接和控制外围设备输出到外设投入自主操作。在ELC的框图显示在下面的图3。

瑞萨RX210群单片机事件链路控制器框图

图3：瑞萨RX210群单片机事件链路控制器框图(瑞萨提供)。

内部外围总线，在图的左侧，用于互连的外围设备，在右侧的图所示。所有的外设，包括DMA控制器，数据传送控制器(DTC)，和中断控制器单元(ICU)可以用专门的控制，以自主启动基于中断的外设连接，定时器比较的结果，或电平变化。多达59种的事件信号，可以连接到外设启动转换，启动计时器，并开始DMA或DTC传送或任何其他所需的外围设备。当已设定作为触发事件发生时，启动所选择的模块的动作集。

多个操作的链可以启动，这样复杂的操作，无需CPU干预来完成。例如，一个计时器可以发起一个模拟 - 数字转换，并存储在存储器中的转换后的值。计数器可以保持的转换次数的轨道，当计数指示一个完整的数据集可进行处理的CPU可能被中断。时钟振荡器可以被CPU处理过程中，并自动完成切换到更快的模式。通过使用ELC以最充分，许多在公共控制环路所需的感测功能可以非常迅速地完成，有效地使其易于实现快速循环时间，同时保持功率降至最低。

高效的计算

正如我们所看到的，使用智能和自主计数器/定时器和外设可以改善循环时间，降低功耗 - 无论是在控制系统设计的重要方面。通常情况下，计算是需要在每个主控制系统块来处理检测时，比较，控制和操作被控制的系统所需要的数据。实际上，计算要求显着地增加作为控制系统的效率，精度和长的运行寿命已成为重要的系统要求。先进的算法用于实现控制回路现在使用的地方，往往需要增加精度浮点计算比例积分微分算法。如果高级计算中不支持的硬件，控制环路闭合，在所需的频率变得非常难以实现。

MCU厂家理解需要先进的处理能力，并已包括数字处理能力，即使在低端的MCU，可以加速所需复杂的计算闭环控制设计。高端微控制器通常包括专用硬件来加速所需的最精确控制应用程序的浮点计算。飞思卡尔的Kinetis K60 MK61FN1M0VMD15 MK61FN1M0VM类的MCU采用32位ARM Cortex-M处理器与DSP指令和单精度浮点运算单元，以加速所需的最复杂的控制算法，先进的计算。 DSP的指令包括用于快速处理的较低分辨率的信号扩展进行快速处理的高精度信号，并且单指令多数据(SIMD)指令的单周期多累加(MAC)指令。硬件除法模块，在短短2至12个周期运行，加快普通缩放操作。

对于甚至更高的性能，一个双核CPU可以使用，以便处理任务可以并行进行。例如，德州仪器协奏曲微控制器，如F28M35H52，同时具有ARM Cortex-M3的32位CPU和德州仪器的TMS320C28x 32位CPU浮点性能。这款双核微控制器的框图如下图4。

德州仪器的框图F28M35x协奏曲MCU(点击查看全尺寸)

图4：德州仪器F28M35x协奏曲MCU框图(德州仪器提供)。

基于ARM的MCU，在该图的上部，可用于管理外设在协奏曲CPU可以被用于处理数据和控制管理系统。请注意，PWM定时器是紧密联系在一起的协奏曲子系统因此很容易产生被输入到控制系统所需的复杂波形。这种类型的双核CPU之间的专业化可能是重要的寻找，当你的应用程序易于分离算法。如果你只是需要更多的处理能力为一个单一的算法或要求双CPU步调一致运行的可靠性更高，均匀的双CPU，具有相同的处理子系统，如德州仪器大力神令吉的ARM Cortex-R4 MCU可能是更好的选择。闭环控制系统用于高可靠性应用程序可以使用的非均相双CPU执行的内置冗余一种更有效和可靠的设计。

结论

有效地关闭您的控制环在基于MCU的设计不一定是充满了审判和错误的方法寻找最佳的实现。使用现代MCU的所有先进功能正常可以帮助您创建更高效​​，更快速更系统的方式，更低的功耗和更具成本效益的控制系统解决方案。