當下，MCU應用已經(jīng)滲透到智能家居、工業(yè)自動化、汽車電子、航空航天等多個領域。MCU在從8位到32位，再到64位過程中，處理能力日益強大。并且更多外設和功能與MCU集成到單一芯片上，實現(xiàn)了更高程度的集成化和微型化的MCU。
不過產(chǎn)品性能快速發(fā)展的同時，目前MCU也面臨許多應用上的痛點：隨著應用越來越復雜，對MCU的性能要求越來越高，但也需要尋求MCU性能與成本、MCU算力與功耗的平衡。
同時，隨著網(wǎng)絡安全威脅的增加，MCU需要集成更多的安全特性來保護系統(tǒng)免受攻擊。尤其是在關鍵應用中，如汽車和工業(yè)控制，高可靠性和穩(wěn)定性的MCU是必不可少的。
此外，隨著MCU算法性能的提升，MCU需要處理的數(shù)據(jù)也越來越復雜。提高故障檢測的實時性、準確性，降低復雜性也是集成化MCU應用鎖面臨的重要挑戰(zhàn)。
為了解決以上MCU應用領域的痛點，當下主流MCU廠商陸續(xù)設計了不同角度的方案，例如以開源軟件和開發(fā)工具實現(xiàn)成本降低;或是采用模塊化設計減少開發(fā)和測試成本，等等。
作為全球頭部的半導體廠商，近日德州儀器(以下簡稱“TI”)也發(fā)布了兩款新型C2000TMMCU——TMS320F28P55x系列和F29H85x系列，致力于提高系統(tǒng)效率、安全性和可持續(xù)性。
據(jù)悉，TI的嵌入式產(chǎn)品線涵蓋了從Cortex-M0系列到多核異構處理器，后者在汽車、工業(yè)及人工智能領域廣泛應用，最高算力可達32TOPS。在這一龐大的產(chǎn)品矩陣中，F(xiàn)28P55X與F29H85x僅是其中的兩款代表性產(chǎn)品。
那么這兩款MCU新品，反映出TI在解決MCU應用痛點的哪些思路和方案?
01 | 實時控制MCU：發(fā)展的主要方向
實時控制MCU是面對當下市場趨勢下MCU發(fā)展的一個趨勢和前沿熱點。
隨著MCU主要應用領域工業(yè)和汽車領域對智能化的需求增加，以及消費電子產(chǎn)品性能不斷提升，這些領域需要MCU擁有極高的實時響應能力和強大的運算能力。
在此背景下，高性能、智能化、低延遲、決策更快的實時控制MCU成為MCU發(fā)展的重要方向。
德州儀器中國區(qū)技術支持總監(jiān)師英對實時控制系統(tǒng)做了解釋：實時控制MCU系統(tǒng)的首要之務，便是對真實物理世界進行精密的傳感：通過ADC與采樣電路，將模擬信號采集并轉化為數(shù)字信號。
“以電機控制系統(tǒng)為例，電流與電壓的波形，以及位置傳感器的信號，均被送入實時控制MCU中，經(jīng)過一系列復雜的數(shù)學轉換與運算，最終通過PWM輸出至執(zhí)行機構。在這個電子化的實時控制世界里，MCU或DSP，無疑是整個系統(tǒng)的智慧大腦。而Sensing部分則如同我們的感官，執(zhí)行機構則相當于肌肉系統(tǒng)。此外，通信模塊也是不可或缺的一環(huán)，無論是EtherCAT、以太網(wǎng)、CAN，還是串行通信，均構成了這一基礎實時控制MCU系統(tǒng)的血脈�！�
德州儀器中國區(qū)技術支持總監(jiān)師英
在現(xiàn)實生活中，特別是在工業(yè)與汽車應用領域，馬達驅動與數(shù)字電源變換是最為常見的實時控制MCU系統(tǒng)。這兩種應用均要求處理器具備極高的實時性，不僅要求強大的數(shù)學運算與實時處理能力，還需配備出色的ADC與PWM，并通過一系列聯(lián)動機制，共同構成一個高效、有機的實時控制MCU系統(tǒng)。
02 | 相較于CPU集成方案，MCU+NPU性能提高5-10倍
但是在MCU實際開發(fā)過程中，如何運用高級別實時控制MCU，打造一套既精密又安全，同時性價比極高的實時控制MCU系統(tǒng)，是當前工程師在打造實時控制系統(tǒng)難題。
為了解決這個難題，目前主流產(chǎn)品方案是將MCU與收發(fā)器接口、LDO、AFE等模塊和電路進行集成，或是MCU集成CPU、DSP、AI加速器，以及AI算法和模型，從而提高MCU的算法性能。
而這次新發(fā)布、被TI稱為業(yè)內率先推出的具有集成神經(jīng)處理單元的實時控制MCU的C2000TMMCU——TMS320F28P55x，正是在如今MCU市場需求下，MCU+NPU產(chǎn)品方案集成的一大重要成果。
圖源：TI官網(wǎng)
據(jù)師英介紹，NPU能夠獨立完成AI領域常見的運算算子。雖然普通CPU也能完成這一運算，但效率相對較低。而利用神經(jīng)網(wǎng)絡加速單元，其性能將比使用C2000的CPU提高5-10倍。
“關于MCU集成NPU，已有若干實際應用案例嶄露頭角，例如，在太陽能及供電系統(tǒng)中的電弧檢測應用。當接觸發(fā)生時，高壓導線或觸點間常常會產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，這一潛在危險源可能引發(fā)火災，因此，對電弧的有效檢測與預防顯得尤為重要;此外，在馬達驅動領域，對馬達運行狀態(tài)的預測同樣關鍵，旨在預判其未來可能出現(xiàn)的故障�！�
通過F28P55XMCU的運算機制，故障檢測的準確率可高達99%。F28P55XMCU是在C2000系列MCU中融入了NPU內核，這意味著，只需通過單一芯片，F(xiàn)28P55XMCU能夠用單一型號完成原本需要額外故障檢測MCU的功能，從而提供更緊湊、更小尺寸、更低成本的MCU設計方案。
圖源：TI官網(wǎng)
師英介紹，該MCU內置的Flash memory最高可達1.1MB。對于實時系統(tǒng)而言，ADC與高精度PWM是兩大核心外設。具體而言，F(xiàn)28P55X提供了24個高精度PWM通道以及最多39個ADC通道。
“之所以C2000MCU一直被行業(yè)內的工程師認可和青睞，就是因為它切中了實時控制的這個點。對于實時控制來講，它有高性能的數(shù)學運算單元和協(xié)處理器單元，ADC和PWM兩個關鍵外設，從sensing到accusation execution的鏈路整個的一個優(yōu)化，這是C2000 MCU實時處理核心的競爭力�！�
03 | MCU與邊緣AI：實現(xiàn)高精度檢測性能的發(fā)展方向?
在當前工業(yè)及汽車領域的實時控制MCU系統(tǒng)中，一個顯著趨勢是：越來越多的任務傾向于采用更為智能、基于AI的方法來完成。從運算單元的位置來看，AI可分為云端AI與邊緣AI兩類。對于嵌入式系統(tǒng)或實時控制系統(tǒng)而言，邊緣AI無疑是一個必然選擇。
邊緣AI下的實時性得到顯著提升，無需將數(shù)據(jù)上傳至云端，從而避免了傳輸延遲;其次，通過算法優(yōu)化及NPU的加入，系統(tǒng)整體功耗得以降低。另外，從安全性與可靠性的角度來看，避免了數(shù)據(jù)采集與傳輸至云端的過程，有助于提升設備的安全性。
在傳統(tǒng)的非NPU方案中，主要是通過對直流母線電壓與電流進行采樣，并設置一系列觸發(fā)閾值或規(guī)則來判斷電弧是否發(fā)生。這種方法存在諸多限制，檢測準確率往往難以提升，一般僅能達到85%左右。這便是現(xiàn)有或傳統(tǒng)解決方案所面臨的問題。
F28P55X這一創(chuàng)新解決方案的過程中，原有的DC/DC轉換器、逆變器以及MPPT系統(tǒng)均繼續(xù)沿用了C2000系列的核心技術，這意味著原始的實時控制拓撲結構與硬件配置基本保持不變，特別是軟件算法層面無需做出調整。
師英介紹，唯一的變化在于利用F28P55X內置的NPU來專門執(zhí)行電弧檢測任務。
那么，如何實現(xiàn)99%的高檢測準確性呢?
“這得益于我們先進的離線邊緣AI工具——TI Edge AI Tools。該工具能夠針對大量電弧發(fā)生時的電流與電壓數(shù)據(jù)進行深度訓練，從而構建一個精準的CNN模型。模型訓練完成后，通過專用的軟件開發(fā)工具，即可輕松部署至F28P55X的NPU上。由于這一過程基于龐大的數(shù)據(jù)集進行訓練，而非依賴傳統(tǒng)的軟件設計規(guī)則與觸發(fā)閾值來判斷電弧情況，因此其檢測準確率能夠高達99%�！�
04 | MCU+NPU如何實現(xiàn)功耗與成本控制?
德州儀器中國區(qū)技術支持總監(jiān)師英也介紹了目前F28P55X的使用案例，“我們的合作伙伴已成功開發(fā)出基于F28P55X的電弧檢測模塊。該模塊單次電弧判斷時間可縮短至5毫秒，且在檢測到電弧后的0.2秒內即可迅速自動切斷電路，其誤報率近乎為零�！�
當MCU集成邊緣AI等算法性能后，功耗也會相應提高。性能與功耗的相對平衡也是如今許多MCU集成化下遇到的難題之一。
TI供圖
“從功耗優(yōu)化的角度來看，執(zhí)行相同卷積運算時，CPU所需時間可能是NPU的5到10倍。在評估功耗時，需綜合考慮電流峰值與工作時間。盡管NPU啟動時的電流峰值可能較高，但由于其任務完成時間大約只有原本用時的1/10，從而能夠有效降低整體功耗。
在成本控制方面，師英介紹，C2000系列的邊緣AI一般是在工業(yè)控制領域或者汽車功能控制領域，“針對不同的應用，我們會去匹配相應的算力與功能配置，這是很重要控制成本的一點�！�
05 | 實時控制MCU，如何實現(xiàn)運算效率提升?
在實際應用層面，除了更實時和精準的MCU控制外，隨著工業(yè)與汽車領域執(zhí)行效率的提升速度日益加快，電機轉速也隨之提高。在此背景下，新一代功率半導體的應用使得開關調制頻率同步增高，這也要求實時運算處理器MCU的運算效率需要實現(xiàn)大幅度提升。
TI此次發(fā)布的另一款新品F29H85x 系列，正是致力于提供工業(yè)與汽車領域下高算力MCU需求的產(chǎn)品方案。
師英介紹，F(xiàn)29H85x MCU搭載了新型C29內核，這是C2000系列CPU多年來的一次重大迭代升級，其處理位寬從32位躍升至64位，并配備了超長指令級架構，使得單個指令周期最多能并行完成8條指令。
“與上一代C28內核相比，C29在信號鏈性能上可實現(xiàn)2至3倍的提升。對于馬達驅動的數(shù)學運算與實時運算而言，其性能可提升2倍;而在電源變換方面，C29的性能則可提升約3倍。若僅就FFT運算而言，C29的運算速度相較于C28可提升5倍。C29的CPU版本在數(shù)學運算能力上實現(xiàn)了極為顯著的提升。此外，與C28相比，C29的中斷響應速度也提升了4倍。”
圖源：TI官網(wǎng)
具體到集成方案設計上，由于F29H85x的中斷效率得到提升，并支持功能安全與信息安全，因此僅需一顆MCU便能實現(xiàn)OBC+DC/DC+主機MCU的三合一功能。這不僅提升了效率，還減小了尺寸并降低了成本。
F29H85x能夠更快地進行運算和中斷響應，因此對于第三代半導體功率半導體的支持也得以大幅度提升PWM的開關頻率，從而提高系統(tǒng)的效率。更高的開關頻率意味著磁性元器件的尺寸可以減小，進而使得整個系統(tǒng)的尺寸也相應減小。
06 | F29H85x如何實現(xiàn)汽車控制應用的集成化方案?
得益于CPU性能的提升，F(xiàn)29H85x可廣泛應用于眾多實時控制領域。
例如，汽車中的牽引電機控制往往不僅限于一個電機，而是可能涉及多個電機的協(xié)同控制，最常見的配置是雙電機應用。
在傳統(tǒng)的雙電機系統(tǒng)中，每個牽引電機都需要一個獨立的電機驅動控制環(huán)路，同時還需要一個主機來負責功能安全和AUTOSAR的運行。此外，還需要昂貴的旋變解碼器電路來檢測驅動牽引電機的轉子位置。雙電機系統(tǒng)則需要兩個這樣的控制器和兩份旋變解碼器電路。
師英介紹，采用F29H85x時，可以利用CPU1和CPU2的鎖步運行來完成功能安全和AUTOSAR的任務，同時用CPU3來控制兩路電機。值得一提的是，F(xiàn)29H85x內部集成了旋變解碼器功能，或者使用TI提供的另一種磁性位置傳感解決方案，都可以實現(xiàn)用一個芯片完成所有功能，并集成到整個系統(tǒng)中。
另外，在高壓一體化電動汽車中，傳統(tǒng)上完成OBC+HVLV DCDC(高低壓直流轉換器)+主機的功能通常需要三個MCU。
然而，采用F29H85x時，由于其內部集成了一對鎖步運行的CPU，以及一個獨立的C29內核，因此僅需一顆MCU即可完成整套系統(tǒng)的功能。CPU1和CPU2的鎖步運行能夠很好地支持ASIL-D級別的功能安全需求，同時兩者均可運行AUTOSAR，這是幾乎所有設備都需要的。而CPU3則可以獨立承擔OBC和DCDC的控制環(huán)路，實現(xiàn)單芯片系統(tǒng)的高效運行。
07 | 小結
隨著應用范圍越來越廣、應用程度越來越深，具有極高實時響應能力和強大運算能力MCU成為了當下市場主要的需求。
在這種背景下，MCU與TMU、CLA、CPU、NPU等組件進行更深程度的集成和搭配，以實現(xiàn)更高性能的算力和更精準的功能。
發(fā)展過程中，集成方案下的性能達成度、功耗與性能的平衡、邊緣AI應用下的成本控制等成為MCU集成化發(fā)展下的諸多應用難題。這些也將是未來MCU集成化方案下提升的主要方向。
正如德州儀器中國區(qū)技術支持總監(jiān)師英所說，未來還將推出更多不同配置的新產(chǎn)品，以滿足基于應用需求的更高性價比要求。MCU集成化下的應用難點，也將隨著技術與方案的優(yōu)化，不斷取得突破與升級。 |
