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作者：Chris Clearman,，德州儀器 C2000 應(yīng)用產(chǎn)品部
長期用于手機的數(shù)字信號處理器已推廣用于較大型重型設(shè)備中,，處理更加繁重的工作任務(wù)。
我們看到,，重型設(shè)備控制需要集成系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)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(shù)值運算和電信任務(wù)，但德州儀器 (TI) 推出的 DSP 目前已經(jīng)用于傳統(tǒng)上一般由普通 MCU 所處理的任務(wù),。
重型移動設(shè)備制造商以前一直將控制系統(tǒng)視為不得不處理的難題,，而不是競爭優(yōu)勢。早期設(shè)備包含了多套控制系統(tǒng),，分別用于處理各種特定的子系統(tǒng),，如引擎,、傳動,、液壓等,。通常由子系統(tǒng)制造商提供這些控制機制，或是由機器制造商根據(jù)需要開發(fā),。
隨著人們對性能,、操作安全性以及環(huán)保條款的要求更加嚴格，設(shè)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(tǒng)之間進行更全面的協(xié)調(diào),。兩大因素有利于實現(xiàn)這種協(xié)調(diào)：一是微控制器 (MCU) 不斷改善，二是子系統(tǒng)制造商采用 CANbus 等標準連接協(xié)議,。
不過,，集成控制系統(tǒng)的成本更高。一些越野系統(tǒng)制造商將已經(jīng)開發(fā)出來的高端控制系統(tǒng)應(yīng)用于相對較低端的產(chǎn)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(shè)備中用不上,。
控制系統(tǒng)開發(fā)人員能夠找到更好的辦法來降低開發(fā)成本,。他們設(shè)計出的模塊化系統(tǒng)可提供混合搭配(mixandmatch) 的構(gòu)建塊。通過選擇某種移動設(shè)備必需的模塊,，我們可為機器量身定做控制系統(tǒng),。當然，關(guān)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(lǐng)先的移動設(shè)備控制廠商，其移動電子設(shè)備產(chǎn)品線經(jīng)理 Dan Ricklefs 指出：“重型設(shè)備領(lǐng)域一般認為,，控制系統(tǒng)的性能并不重要,，因為相關(guān)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(shù)值運算工作,。說到底，控制器的功能將決定能否順利開關(guān)閥門,，從而控制設(shè)備的加速或減速,。”
順利運行要求對小的變動（根據(jù)測量得出的值來確定）作出快速響應(yīng)。模塊化控制需要能夠快速處理模擬和數(shù)字信號的處理器,。數(shù)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(yīng)用于各種設(shè)備,，如在農(nóng)業(yè),、建筑業(yè)、林業(yè)以及道路建設(shè)等領(lǐng)域普遍使用的起重機,、裝載機和鏟土機等,。
與傳統(tǒng) 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(huán)路時間,，并大大加快了各種一般任務(wù)的速度,。舉例來說，割草系統(tǒng)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(wù)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(tǒng)的實例之一,，該產(chǎn)品在同一個集成式環(huán)境中集成了眾多組件,，如編程與開發(fā)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(tǒng),、負載限制或速度控制等各種典型應(yīng)用,，我們均在控制系統(tǒng)中預(yù)封裝了子例行程序 (Subroutine)。軟件控制對象庫使開發(fā)人員能夠定制控制任務(wù),。OEM 工程師只需將軟件模塊“拖放”到車輛管理系統(tǒng),，就能實現(xiàn)定制控制。
處理器內(nèi)核的選擇
Sauer-Danfoss 選用 DSP 的決策充分說明了 DSP 技術(shù)的優(yōu)越性,。以前的控制系統(tǒng)采用 8 位和 16 位 MCU 來驅(qū)動,。前一代技術(shù)的環(huán)路時間約為 20 至 40 毫秒，在此時間內(nèi)需要在控制系統(tǒng),、受控設(shè)備和傳感器之間完成一個通信周期,，以實現(xiàn)閉環(huán)反饋。隨著控制系統(tǒng)的復(fù)雜性不斷提高,，環(huán)路時間成為主要的瓶頸,。
系統(tǒng)工程師起初認為 DSP 并不適用。Sauer-Danfoss 的硬件開發(fā)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(shù)值運算，且其輸入／輸出功能也不適用于工業(yè)控制,。從事我們這一行業(yè)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(fā)現(xiàn),，DSP 系統(tǒng)能夠支持行業(yè)使用的所有外設(shè)，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(nèi)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(fā)現(xiàn) TI 的 TMS320F2810 與 F2812 數(shù)字信號控制器從整體系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)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(tǒng)中的 MCU 需要集成大量的閃存存儲器,。系統(tǒng)工程師發(fā)現(xiàn)，TI DSP 提供的功能足以滿足最大型集成控制系統(tǒng)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(jù)特定要求進行系統(tǒng)擴展。軟件定制的控制機制使 OEM 廠商能設(shè)計出靈活的機器設(shè)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(tǒng)和閥門等的集成內(nèi)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(zhuǎn)向系統(tǒng)(electronic steering)等其他設(shè)備,。
采用一體化控制架構(gòu) (just-one-control architecture) 可實現(xiàn)成本最小化,。我們可根據(jù)特定機器的功能要求增加或去除相應(yīng)模塊。編程決定工作參數(shù),。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(tǒng)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(tǒng)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(shè)計工程師不僅能夠控制微調(diào)和診斷的程度,，而且維修技術(shù)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(guān)功能,。
我們應(yīng)根據(jù)法規(guī)的變化不斷調(diào)整控制機制,，而這只需對有關(guān)參數(shù)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(guān)規(guī)定,。相關(guān)規(guī)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(jīng)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(shè)計以符合一級到三級的有關(guān)規(guī)定,。
去年,，EPA 簽署了最終規(guī)則，將于 2008 年開始實施四級排放標準,，有關(guān)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(chǔ)上再降低90%。只有采用先進的控制技術(shù)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,。