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作者：Chris Clearman，德州儀器 C2000 應用產品部

長期用于手機的數字信號處理器已推廣用于較大型重型設備中，處理更加繁重的工作任務。

我們看到，重型設備控制需要集成系統自動調節整部機器的工作。操作人員只需操作一組控制桿，就能同時調節引擎動力、傳動裝置、液壓動力傳輸、車輛運動和方向以及抓舉角度和力度等。

從前人們認為，DSP 僅適用于高速數值運算和電信任務，但德州儀器 (TI) 推出的 DSP 目前已經用于傳統上一般由普通 MCU 所處理的任務。

重型移動設備制造商以前一直將控制系統視為不得不處理的難題，而不是競爭優勢。早期設備包含了多套控制系統，分別用于處理各種特定的子系統，如引擎、傳動、液壓等。通常由子系統制造商提供這些控制機制，或是由機器制造商根據需要開發。

隨著人們對性能、操作安全性以及環保條款的要求更加嚴格，設備制造商必須升級其控制機制。新型方案的特點之一是在不同子系統之間進行更全面的協調。兩大因素有利于實現這種協調：一是微控制器 (MCU) 不斷改善，二是子系統制造商采用 CANbus 等標準連接協議。

不過，集成控制系統的成本更高。一些越野系統制造商將已經開發出來的高端控制系統應用于相對較低端的產品中，以降低成本。這顯然會造成性能浪費，因為有些控制特性在低端設備中用不上。

控制系統開發人員能夠找到更好的辦法來降低開發成本。他們設計出的模塊化系統可提供混合搭配(mixandmatch) 的構建塊。通過選擇某種移動設備必需的模塊，我們可為機器量身定做控制系統。當然，關鍵在于確保提供足夠的處理能力，以滿足所有所選模塊的要求。

Sauer-Danfoss 是一家領先的移動設備控制廠商，其移動電子設備產品線經理 Dan Ricklefs 指出：“重型設備領域一般認為，控制系統的性能并不重要，因為相關機制的工作速度較為緩慢。實際上，機器每次運動都涉及大量數值運算工作。說到底，控制器的功能將決定能否順利開關閥門，從而控制設備的加速或減速。”

順利運行要求對小的變動（根據測量得出的值來確定）作出快速響應。模塊化控制需要能夠快速處理模擬和數字信號的處理器。數字信號處理器 (DSP) 能滿足控制整體移動機器所需的靈活性和處理能力要求。基于 DSP 的控制機制能夠廣泛應用于各種設備，如在農業、建筑業、林業以及道路建設等領域普遍使用的起重機、裝載機和鏟土機等。

與傳統 MCU 的處理能力相比，基于 DSP 的控制機制要高出 10 倍乃至更多。這種高性能大幅減少了控制環路時間，并大大加快了各種一般任務的速度。舉例來說，割草系統能將回路時間從 20 毫秒縮短到不足 10 毫秒，也就是說，割草任務的處理時間能縮短 40% 以上，即從 3.66 分鐘減少至 2 分多一點。換言之，工作效率將凈增 75%。

Sauer-Danfoss Plus 1 就是最新的模塊化集成移動控制系統的實例之一，該產品在同一個集成式環境中集成了眾多組件，如編程與開發工具、MCU、I/O 模塊、圖形終端以及操縱桿等。對于諸如引擎防失速系統、負載限制或速度控制等各種典型應用，我們均在控制系統中預封裝了子例行程序 (Subroutine)。軟件控制對象庫使開發人員能夠定制控制任務。OEM 工程師只需將軟件模塊“拖放”到車輛管理系統，就能實現定制控制。

處理器內核的選擇

Sauer-Danfoss 選用 DSP 的決策充分說明了 DSP 技術的優越性。以前的控制系統采用 8 位和 16 位 MCU 來驅動。前一代技術的環路時間約為 20 至 40 毫秒，在此時間內需要在控制系統、受控設備和傳感器之間完成一個通信周期，以實現閉環反饋。隨著控制系統的復雜性不斷提高，環路時間成為主要的瓶頸。

系統工程師起初認為 DSP 并不適用。Sauer-Danfoss 的硬件開發工程師 Joe Schottler 指出：“人們過去一般認為，DSP價格過于昂貴，只適合高要求的數值運算，且其輸入／輸出功能也不適用于工業控制。從事我們這一行業的主要廠商全都使用微控制器。人們普遍認為，MCU 的功能遠遠超過了所需的性能要求。”不過，進一步研究發現，DSP 系統能夠支持行業使用的所有外設，如閃存存儲器、CANbus、計時器通道 (timer channel) 以及馬達控制功能等。

Sauer-Danfoss 對內核的選擇非常嚴格，但最終決定采用 DSP，這確實讓眾多團隊成員大吃了一驚。“第一，我們發現 TI 的 TMS320F2810 與 F2812 數字信號控制器從整體系統價格來說非常有競爭力。當然，就單位部件來說，DSP 的成本要高一些，但其信號處理功能精簡了材料清單的數量，與采用微控制器的方法相比，單位模塊的成本要更具競爭力。”舉例來說，系統工程師在 DSP 中只需采用軟件過濾器，而不必在每個印刷電路板上添加 4 至 10 個硬件過濾器。

另一問題是，嵌入式控制系統中的 MCU 需要集成大量的閃存存儲器。系統工程師發現，TI DSP 提供的功能足以滿足最大型集成控制系統的需求。

由于使用控制對象和模塊化的軟件庫，因此我們能夠根據特定要求進行系統擴展。軟件定制的控制機制使 OEM 廠商能設計出靈活的機器設備。Plus 1 模塊中采用的基于 DSP 的 C2000 控制器形成了能夠控制傳輸、動力傳動系統和閥門等的集成內核。對此功能加以擴展，就能控制諸如刀片、抓舉器 (gripper)、鏟斗 (bucket) 以及液壓和電子轉向系統(electronic steering)等其他設備。

采用一體化控制架構 (just-one-control architecture) 可實現成本最小化。我們可根據特定機器的功能要求增加或去除相應模塊。編程決定工作參數。舉例來說，如果輪式裝載機的操作員通過控制操作桿來提高輪的速度，那么控制系統將決定是否打開引擎的油門，降低靜液壓傳動的齒輪速比，或同時進行兩種操作。

控制模塊能夠處理多種尺寸和配置的要求。例如，Plus 1 系統可采用三種不同的封裝尺寸，并提供九種配置方案以及多種可選接口，其中包括 CAN 總線、攝像頭連接 (camera input)、USB 端口以及 RS-232 接口等。這樣，設計工程師不僅能夠控制微調和診斷的程度，而且維修技術人員還能用膝上型電腦或 PDA 進行操作。圖形終端可顯示油壓和機器角度等相關功能。

我們應根據法規的變化不斷調整控制機制，而這只需對有關參數進行再編程即可。這里不妨舉一個實例來說明如何符合 EPA 制定的越野引擎的有關規定。相關規定分為三個階段實施，每個階段需要幾年的過渡時間，然后才進入下一階段。

一級標準的有效期從 1996 年至 2000 年。較嚴格的二級標準目前已經生效，有效期至 2006 年。更嚴格的三級標準將于明年開始實施直至 2008 年，不過這三級標準僅適用于 37 到 560 kW 的引擎。我們采用高級引擎設計以符合一級到三級的有關規定。

去年，EPA 簽署了最終規則，將于 2008 年開始實施四級排放標準，有關標準的適用期至 2015 年。四級標準要求顆粒物和一氧化二氮的排量在目前的基礎上再降低90%。只有采用先進的控制技術并進行嚴格的廢氣排放處理，工程師們才能滿足上述目標的要求。