對電子產(chǎn)品設(shè)計工程師來說，市場對產(chǎn)品提出的低功耗、高性能、低成本、高集成度這些近乎苛刻的要求像緊箍咒一樣讓人頭痛。而對于工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師來說，還面臨惡劣的工作環(huán)境和高可靠性要求，同時還必須應(yīng)對當(dāng)前廣泛存在的諸如高精度、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和集成化等發(fā)展趨勢提出的設(shè)計新挑戰(zhàn)。此外，低功耗的設(shè)計要求過去還只是便攜式產(chǎn)品設(shè)計工程師所必須面對的，而今低功耗相關(guān)的低碳概念已經(jīng)深入人心，提高工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施的能效已成為一項全球化運(yùn)動。
對于工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計來說，所有這些都幾乎與核心處理器分不開：核心處理器的低功耗特性決定了系統(tǒng)的運(yùn)行功耗水平；高精度要求處理器具有高處理能力；智能化和網(wǎng)絡(luò)化對處理器的處理能力及資源配置提出了新的要求；核心處理器更決定了系統(tǒng)方案的集成度、成本……選擇恰當(dāng)?shù)暮诵奶幚砥魇枪I(yè)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計工程師完成設(shè)計目標(biāo)的關(guān)鍵首要步驟。
多種選擇各具優(yōu)勢，匯聚式處理器受青睞
當(dāng)前嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中，基于MCU、DSP、 FPGA及ASIC的解決方案占據(jù)了超過90%的市場份額，這些方案各自在成本、功耗、集成度以及開發(fā)環(huán)境支持上分別具有不同的特點(diǎn)。毋庸置疑，在嵌入系統(tǒng)應(yīng)用中，微控制器占據(jù)大部分的市場份額。MCU憑借其強(qiáng)大的控制功能、通用性、豐富的外設(shè)集成、成本優(yōu)勢和應(yīng)用便利性，廣泛地用于消費(fèi)類電子、通信、汽車、工業(yè)等領(lǐng)域；FPGA以其設(shè)計靈活性著稱，利用FPGA可以實(shí)現(xiàn)任何數(shù)字器件的功能；DSP則以其卓越的數(shù)據(jù)處理能力以及優(yōu)秀的算法，成為數(shù)字信號處理應(yīng)用的首先核心引擎。
然而，MCU在系統(tǒng)需要進(jìn)行多功能擴(kuò)展時通常面臨處理能力不足的尷尬，特別是在當(dāng)前工業(yè)系統(tǒng)中越來越多的需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力、通信能力的條件下尤其如此。FPGA始終在功耗和芯片成本上難以實(shí)現(xiàn)更大的突破，即便是該陣營的廠商也不得不承認(rèn)難以在規(guī)模應(yīng)用中推廣的現(xiàn)實(shí)。DSP的卓越數(shù)據(jù)處理能力同時意味著在系統(tǒng)控制功能上的短板，與MCU在工業(yè)應(yīng)用中的尷尬類似，MCU+DSP通常成為滿足系統(tǒng)控制功能與數(shù)據(jù)處理能力需求的不得已的選擇。現(xiàn)實(shí)的需求促進(jìn)了DSP和MCU融合產(chǎn)品的出現(xiàn)——兼具DSP和MCU在數(shù)據(jù)處理及系統(tǒng)控制中各自優(yōu)點(diǎn)，其中由ADI推出的Blackfin處理器是目前市場唯一的匯聚式架構(gòu)DSP產(chǎn)品。
Blackfin 處理器基于ADI和Intel聯(lián)合開發(fā)的微信號架構(gòu)，將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加信號處理功能，與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。Blackfin處理器包含一個10級RISC MCU/DSP流水線和一個專為實(shí)現(xiàn)最佳代碼密度而設(shè)計的混合16/32位指令集架構(gòu)。這種處理特征的組合使Blackfin處理器能在工業(yè)應(yīng)用中的信號處理和控制處理應(yīng)用中均能發(fā)揮出色作用。Blackfin處理器提供單內(nèi)核高達(dá)750MHz/1,512MMACS的性能(在雙內(nèi)核BF561中更高達(dá) 3,000MMACS)，在許多任務(wù)業(yè)應(yīng)用中無需增設(shè)單獨(dú)的MCU，從而簡化了硬件和軟件設(shè)計和實(shí)現(xiàn)難度。具有豐富特性的Blackfin處理器非常適合各種工業(yè)應(yīng)用，包括從低端電力計量、馬達(dá)控制到高端聯(lián)網(wǎng)的電力控制系統(tǒng)等應(yīng)用，各種型號涵蓋了低成本以及高性能，設(shè)計工程師可以針對其特定的工業(yè)應(yīng)用選擇更具優(yōu)化特性的Blackfin處理器。
選擇符合您目標(biāo)設(shè)計的處理器
處理器作為系統(tǒng)的核心器件，其自身的功能特性將對系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計產(chǎn)生重要影響：越豐富的片上資源將給系統(tǒng)設(shè)計帶來更大的便利性，縮短開發(fā)時間并降低開發(fā)成本；在相近的成本條件下，更高的處理能力將給系統(tǒng)帶來更強(qiáng)的擴(kuò)展性，方便產(chǎn)品的升級；包括開發(fā)平臺、第三方設(shè)計資源在內(nèi)的開發(fā)環(huán)境將能有效降低技術(shù)門檻……沒有最好，只有最適宜，任何一款微處理器都不可能盡善盡美，仔細(xì)評估您的產(chǎn)品特性需求、目標(biāo)處理器的功能特性，選擇一款最適合的處理器。
對于工業(yè)應(yīng)用而言，環(huán)境條件是首要的考慮因素，包括環(huán)境溫度、電磁干擾、可靠性，等等。選擇具有擴(kuò)展的工業(yè)溫度范圍的處理器是基本要求，Blackfin處理器各個系列均提供了從-40℃到80℃的擴(kuò)展工業(yè)溫度范圍以及0℃到70℃的兩種選擇。更高的集成度通常是提高抗電磁干擾特性、可靠性的有效手段，近年來ADI針對各種主要的工業(yè)應(yīng)用推出了多個系列優(yōu)化的 Blackfin處理器，有效地集成了目標(biāo)應(yīng)用的主要外設(shè)特性，例如針對電機(jī)控制應(yīng)用集成了PWM單元、ADC的BF50x，集成PWM單元、內(nèi)置 116kB RAM、4Mb可選擇串行閃存的BF51x等。
近年來，對于幾乎所有的行業(yè)來說，所用的產(chǎn)品技術(shù)、功能及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的更新?lián)Q代都在不斷加快，工業(yè)應(yīng)用也不例外。在進(jìn)行方案選擇時，考慮產(chǎn)品可能的升級換代及功能擴(kuò)展需求有助于保護(hù)企業(yè)的研發(fā)投入和提升競爭力。ADI公司已經(jīng)形成了完善的Blackfin產(chǎn)品系列以及清晰的產(chǎn)品發(fā)展路線圖，企業(yè)完全可以在將來的新產(chǎn)品及換代產(chǎn)品中繼續(xù)選擇更加符合目標(biāo)開發(fā)需求的其它 Blackfin處理器，不同Blackfin處理器之間代碼的兼容特性能保證研發(fā)成果的持續(xù)可用性。此外，基于Blackfin處理器的產(chǎn)品設(shè)計通過軟件升級非常方便產(chǎn)品的更新?lián)Q代，甚至在線產(chǎn)品升級。更重要的是，Blackfin處理器強(qiáng)大的處理能力通常能滿足未來產(chǎn)品功能擴(kuò)展之需，或者針對不同的功能需求、標(biāo)準(zhǔn)定義擴(kuò)展出多個產(chǎn)品系列。
在對多個可用方案進(jìn)行選擇時，可用的片上資源通常是評估的關(guān)鍵因素。通常我們會涉及主頻、有無內(nèi)置的以太網(wǎng)MAC、I/O端口數(shù)量、支持哪些OS等……以上都涉及芯片資源的問題，微處理器自帶什么樣的資源是選型的一個重要考慮因素。在相近的成本和功耗約束條件下，通常處理器自帶資源越接近產(chǎn)品的需求，產(chǎn)品開發(fā)相對就越簡單，整體系統(tǒng)成本也越低，資源越豐富的處理器其可擴(kuò)展性及設(shè)計靈活性越高。Blackfin處理器支持包括VisualDSP自帶的操作系統(tǒng)內(nèi)核(VDK)、ThreadX、uCLinux和Nucleas等獲得業(yè)界廣泛應(yīng)用的操作系統(tǒng)，避免了工程師在從其它處理器平臺移植到Blackfin平臺時因更改操作系統(tǒng)而延長終端產(chǎn)品開發(fā)周期。Blackfin處理器架構(gòu)具備功能強(qiáng)大且靈活的分層存儲器架構(gòu)、良好的代碼密度以及各種的微控制器型外設(shè)(包括10/100以太網(wǎng)MAC、UARTS、SPI、CAN控制器、支持PWM的定時器、看門狗定時器、實(shí)時時鐘和一個無縫同步和異步存儲器控制器)。這些特性為設(shè)計人員提供了設(shè)計靈活性，并最大限度地降低了系統(tǒng)成本。特別是近年來 ADI公司針對電力線監(jiān)測以及馬達(dá)控制等工業(yè)應(yīng)用，在新推出的Blackfin處理器系列中集成了更多獨(dú)特的外設(shè)，進(jìn)一步提高了工業(yè)應(yīng)用方案的集成度，降低設(shè)計難度。
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今天，提高能效已成為一項全球化運(yùn)動，工業(yè)系統(tǒng)作為傳統(tǒng)的能源大戶也面臨越來越嚴(yán)格的低功耗設(shè)計要求，選擇具有更低能耗的核心處理器也成為考慮的主要因素之一。Blackfin處理器采用了各種高級設(shè)計技術(shù)，包括：可編程電壓與頻率調(diào)節(jié)、時鐘周期分辨率動態(tài)時鐘門控、支持深度睡眠與休眠模式的多電源域、可實(shí)現(xiàn)總線激活能量最小化的高代碼密度、用于實(shí)現(xiàn)最佳性能與電源效率的混合閾值電壓晶體管、實(shí)現(xiàn)最大電源效率的完全定制的處理器內(nèi)核、使用靈活的硬件加速器，以及支持mSDRAM以實(shí)現(xiàn)最小板級功耗……以BF51x為例，其待機(jī)模式功耗低于1mW，可提供8.5MMACs/mW(100 MHz)的單位功耗性能。
低成本是幾乎所有產(chǎn)品開發(fā)不可回避的問題。近年來，ADI在提供低成本Blackfin處理器及配套產(chǎn)品上不遺余力，最新的BF50x和BF51x系列處理器均提供了多款低于5美元的產(chǎn)品。ADI還針對BF50x系列新推出了低成本的(199美元)EZ-KIT Lite評估套件，為處理器評估提供了最經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。同期在中國全面上市最新款超低價、高性能Blackfin仿真器ADZS-ICE-100B首次將價格降到150美元的新低，為設(shè)計師提供了低成本、高性能的設(shè)計工具。如圖1所示，獨(dú)立評估機(jī)構(gòu)BDTI對定點(diǎn)處理器的每美元速度比評估中，Blackfin處理器具有優(yōu)異的表現(xiàn)。
圖1：獨(dú)立評估機(jī)構(gòu)BDTI對定點(diǎn)處理器的每美元速度比評估。
Blackfin處理器工業(yè)應(yīng)用指南
具有豐富特性的Blackfin處理器非常適合各種工業(yè)應(yīng)用，而且可選擇的產(chǎn)品系列眾多，多種功耗特性、處理能力和集成不同外設(shè)特性的處理器可以更具針對性地滿足您的工業(yè)應(yīng)用目標(biāo)，而ADI清晰的產(chǎn)品發(fā)展路線圖確保了持續(xù)滿足發(fā)展的應(yīng)用需求，以保證用戶的設(shè)計資源的持續(xù)有效利用。本文將介紹幾款適合工業(yè)應(yīng)用的典型Blackfin處理器的主要特性供您參考。
圖2：Blackfin系列處理器主要特性對比。
1. 針對工業(yè)應(yīng)用優(yōu)化的BF50x
BF50x 秉承了Blackfin處理器獨(dú)有的先進(jìn)信號處理功能與通用微控制器的易用性，以業(yè)界時鐘為150-200MHz的處理器價格提供了400MHz的處理性能，實(shí)現(xiàn)了突破性的性能和功效。利用BF50x處理器的高處理能力，工程師可以開發(fā)出更精確、更高能效的工業(yè)控制和自動化應(yīng)用系統(tǒng)，包括逆變器控制、不間斷電源(UPS)和馬達(dá)控制，以及計量和高級感應(yīng)應(yīng)用(電能計量、流量計量等)。BF50x的性能裕量使得工程師可以在先進(jìn)的系統(tǒng)建模中實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的理論和算法，從而實(shí)現(xiàn)任何實(shí)時系統(tǒng)的最優(yōu)化的功效和控制效率。
Blackfin BF50x內(nèi)置的可選雙SAR ADI ADC利用了ADI公司全球領(lǐng)先的ADC技術(shù)，提供了真正12位精度，是集成ADC的DSP中性能最高的處理器，可以實(shí)現(xiàn)更高精度的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，使其成為包括電源逆變器、UPS、伺服控制和電機(jī)控制等應(yīng)用的理想之選。BF50x內(nèi)置兩個真正16位分辨率的三相PWM單元，每個PWM模塊都集成了一個靈活可編程的三相PWM波形發(fā)生器，通過編程設(shè)置以產(chǎn)生針對感應(yīng)馬達(dá)(ACIM)或者永磁同步馬達(dá)(PMSM)控制所需要的開關(guān)模式來驅(qū)動三相電壓源逆變器。 4MB片上可執(zhí)行閃存存儲器、針對CAN的外設(shè)支持以及脈沖波形調(diào)制和移動存儲選項等特性使片外的器件最少，從而降低整體系統(tǒng)成本。
2. 數(shù)字信號處理器性價比新標(biāo)桿——BF51x
BF51x系列為匯聚式處理器家族帶來四個具有顯著特色的成員，最低不足5美元/片的價格為更多任務(wù)業(yè)系統(tǒng)設(shè)備利用到匯聚式處理器的優(yōu)越性大大降低了成本門檻，在繼承匯聚式處理器的高性能、低功耗的優(yōu)秀“基因”的同時，增加了諸多特性為工業(yè)與儀表應(yīng)用、便攜式產(chǎn)品帶來更大設(shè)計便利性。
BF51x的低價格并沒有以犧牲性能為代價，相反增加了很多在其它Blackfin處理器中沒有的新特性，包括：在高達(dá)400MHz的Blackfin內(nèi)核中集成116KB存儲器、512KB閃存，以太網(wǎng) MAC(IEEE-1588)，帶3相PWM輸出的PWM單元，x1 SDIO / CE-ATA，LockBox/OTP 8kB。其中，BF518是首款支持IEEE-1588-2008標(biāo)準(zhǔn)的低成本處理器(IEEE-1588-2008是IEEE-1588的最新標(biāo)準(zhǔn)，提供網(wǎng)絡(luò)測量與控制系統(tǒng)用精密時鐘同步的協(xié)議)，這為包括繼電保護(hù)產(chǎn)品在內(nèi)的電力線監(jiān)測系統(tǒng)提供了滿足未來通信標(biāo)準(zhǔn)的硬件支持。
BF51x 集成特性還包括：支持16個立體聲I2S數(shù)字音頻通道、12個外設(shè)DMA通道，還提供了內(nèi)置的高級存儲控制器，用于實(shí)現(xiàn)與多組外部SDRAM、SRAM、閃存或ROM的無縫連接，每個處理器包括兩個雙通道同步串行通信端口(SPORT)、一個高速并行外設(shè)接口(PPI)、一個I2C兼容雙線接口 (TWI)、兩個PC兼容的UART，以及兩個SPI兼容的串行外設(shè)接口端口。廣泛的接口支持使系統(tǒng)具有更大的擴(kuò)展靈活性。ADI聯(lián)合第三方方案提供商已經(jīng)向中國企業(yè)提供了基于BF518處理器的電力線監(jiān)測參考設(shè)計，并已經(jīng)獲得多家中國企業(yè)的批量應(yīng)用。
3. 高性能Blackfin處理器——BF540x系列
ADSP- BF54x系列Blackfin處理器的工作頻率高達(dá)600MHz，其內(nèi)部總線帶寬倍增到532每秒兆字節(jié)以滿足工業(yè)系統(tǒng)集成的外設(shè)要求。內(nèi)部帶寬用高達(dá) 260KB的內(nèi)置存儲器匹配。ADSP-BF54x系列Blackfin處理器的特點(diǎn)是在增加的I/O端口和存儲器帶寬、內(nèi)置存儲器以及控制器局域網(wǎng) (CAN)和面向媒體系統(tǒng)傳輸(MOST)系統(tǒng)的外圍設(shè)備集成度之間進(jìn)行了權(quán)衡，以便為工業(yè)應(yīng)用提供高性能和低成本優(yōu)勢。
BF54X 系列還內(nèi)置Lockbox安全技術(shù)，允許工業(yè)系統(tǒng)開發(fā)商通過驗證確保代碼和數(shù)據(jù)的完整性，并且通過對系統(tǒng)部分或全部加密保證其機(jī)密性。BF54x處理器系列產(chǎn)品適合那些要求現(xiàn)場可升級、本地存儲和顯示能力至關(guān)重要的多種工業(yè)應(yīng)用，包括工業(yè)自動化、無線基礎(chǔ)設(shè)施、無線電信設(shè)備和交換機(jī)，以及能使BF54x系列的處理性能和高級外設(shè)區(qū)分終端應(yīng)用的安全系統(tǒng)。
豐富的工業(yè)應(yīng)用第三方設(shè)計資源
為加強(qiáng)對客戶基于Blackfin系列處理器的應(yīng)用開發(fā)支持，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低開發(fā)成本和應(yīng)用門檻，ADI不僅在全球營造了由近百家具有各種領(lǐng)先技術(shù)能力的第三方機(jī)構(gòu)組成具有強(qiáng)大技術(shù)支持能力的生態(tài)系統(tǒng)外，還在中國努力組建一個優(yōu)良的本地化“生態(tài)系統(tǒng)”，即由ADI及其合作伙伴構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，為客戶提供相關(guān)的軟件、工具、參考設(shè)計、教育培訓(xùn)等支持。
對于工業(yè)應(yīng)用，ADI第三方合作伙伴團(tuán)隊包括很多本地優(yōu)秀技術(shù)提供商，如北京億旗創(chuàng)新、東方迪碼、深圳市英蓓特、華恒科技、長沙新竹等，他們不斷推出低價位、更方便使用、支持更便利的本地開發(fā)工具和系統(tǒng)方案。