实时控制系统是现代系统发展的关键驱动力，而嵌入式处理作为其核心，扮演着不可或缺的角色。这类系统的核心任务是对物理世界进行精密传感；通过模数转换器（ADC）与采样电路，将来自电机控制系统的电流、电压波形及位置传感器的模拟信号采集并转化为数字信号，然后送入实时控制的微控制器（MCU）中；经过一系列复杂的数学转换与计算后，最终通过脉宽调制（PWM）输出到执行机构。
在这个电子化的实时控制世界里，MCU或数字信号处理器（DSP），无疑是整个系统的智慧大脑。传感部分则如同感官，执行机构相当于肌肉系统，而通信模块如EtherCAT、以太网、CAN总线或串行通信，则构成了这一基础实时控制系统的血脉。
在现实生活中，特别是在工业与汽车应用领域，电机驱动与数字电源转换是最为常见的实时控制系统。这两种应用均要求处理器具备极高的实时性，不仅需要强大的数学计算与实时处理能力，还需配备出色的ADC与PWM，并通过一系列联动机制，共同构成一个高效、有机的实时控制系统。
那么，工程师在设计实时系统时面临哪些挑战呢？“如何运用高级别的实时控制MCU打造一套既精密又安全、同时性价比极高的控制系统，无疑是摆在他们面前的一道难题。”德州仪器（TI）中国区技术支持总监师英日前在该公司举办的C2000 MCU新品发布会上指出，“而TI的C2000系列MCU产品则凭借其丰富的应用经验，在电源转换、太阳能、逆变系统、伺服驱动、交流电机驱动、直流无刷电机驱动，以及汽车转换与牵引逆变器等领域，均展现出了卓越的性能。”
针对上述技术需求与挑战，德州仪器近日推出了两款新品——TMS320F28P55x系列和F29H85x系列。据德州仪器（TI）中国区技术支持总监师英介绍，C2000系列自诞生以来，已历经30年的不断进化与革新。这两款新品相较于以往的产品，无疑具有划时代的意义。
为了帮助更好地理解C2000 CPU版本的迭代与进化，师英展示了C2000系列产品的历史沿革。由下图可知，自1994年推出第一颗TMS320C10处理器，提供当时业界少数的、性能非常强劲的DSP的单片计算以来，C2000 DSP已走过了30年的辉煌历程。从最初的16位计算位宽，到如今的64位计算位宽，C2000系列不断迭代升级，加入了浮点计算单元、数学计算协处理器、三角函数计算器、向量计算加速单元等，以及不断优化的PWM和ADC等外设。特别是2023年的280015X，德州仪器更是将CPU内核做成锁步（Lock Step）方式，用2颗CPU锁步运行，支持器件本身的功能安全。最新的F28P55X则加入了NPU，可以完成AI的卷积计算，比CPU时代的性能提高了5至10倍。下一代C2000的内核更是做到了64位计算的位宽。
目前，在工业及汽车领域的实时控制系统中，越来越多的任务正倾向于采用更为智能、基于AI的方法来完成。关于集成的NPU，已有若干实际应用案例崭露头角，例如，太阳能及供电系统中的电弧检测应用。当接触发生时，高压导线或触点间常常会产生电弧现象，这一潜在危险源可能引发火灾，因此，对电弧的有效检测与预防显得尤为重要。
此外，在电机驱动领域，对电机运行状态的预测同样关键，旨在预判其未来可能出现的故障。在进行故障检测与预测时，AI技术发挥着不可或缺的作用。通过F28P55X的计算机制，故障检测的准确率可高达99%。无论是电机驱动还是电源转换，在已广泛采用的C2000 MCU中，F28P55X由于融入了NPU内核，因此只需通过单一芯片，即可在保持原有功能的基础上，额外实现故障检测功能。这一创新设计极大地优化了电子系统的尺寸与成本。
F28P55X系列产品的特性参数颇为亮眼，其内置的闪存最高可达1.1MB。对于实时系统而言，ADC与高精度PWM是两大核心外设。具体而言，F28P55X提供了24个高精度PWM通道以及最多39个ADC通道。F28P55X并非单一器件，而是一个涵盖多种配置的系列。德州仪器已经推出不同内存规格、汽车级认证以及功能安全等级的组合。预计该系列将陆续推出多达40余款型号，以满足市场的多样化需求。
提及NPU，其同样具备执行AI计算的能力。当前，AI技术风靡各行各业，其应用实例屡见不鲜。从计算单元的位置来看，AI可分为云端AI与边缘AI两类。对于嵌入式系统或实时控制系统而言，边缘AI无疑是一个必然选择。边缘AI指的是所有神经网络推理算法均在设备端（即边缘侧）执行与计算。这一模式的优势主要体现在以下三个方面：
NPU的核心处理能力在于运行卷积神经网络（CNN）模型。如前所述，NPU相较于CPU，在计算效率上可提升5至10倍，且在故障检测应用中，其准确率可达99%。
如何通过TMS320F28P55X进一步降低系统成本并缩小系统尺寸，师英以传统的电弧故障检测为例，介绍了太阳能逆变系统的典型应用场景。如下图所示，太阳能板发出的电能需经过DC/DC转换器或AC/DC逆变器以及最大功率点追踪（MPPT）控制器等处理单元后才能送至电网，这些功能通常由C2000系列的实时控制MCU完成。然而，在传统方案中，还需额外增加一个MCU-2用于电源电弧检测。
在传统的非NPU方案中，需通过对直流母线电压与电流进行采样，并设置一系列触发阈值或规则来判断电弧是否发生。这种方法存在诸多限制，检测准确率往往难以提升，一般仅能达到85%左右。检测不准确可能导致两种后果：一是漏报，即实际发生电弧但未被检测到，从而增加火灾或停机的风险；二是误报，即未发生电弧却发出警报，可能导致不必要的停机，进而影响生产效率。
在采用F28P55X这一创新解决方案的过程中，原有的DC/DC转换器、AC/DC逆变器以及MPPT系统均继续沿用了C2000系列的核心技术，这意味着原始的实时控制拓扑结构与硬件配置基本保持不变，特别是软件算法层面无需做出调整。唯一的变化在于，利用F28P55X内置的NPU来专门执行电弧检测任务。那么，它为何能实现99%的高检测准确性呢？这得益于我们先进的离线边缘AI工具——TI Edge AI Tools。该工具能够针对大量电弧发生时的电流与电压数据进行深度训练，从而构建一个精准的CNN模型。模型训练完成后，通过专用的软件开发工具，即可轻松部署至F28P55X的NPU上。由于这一过程基于庞大的数据集进行训练，而非依赖传统的软件设计规则与触发阈值来判断电弧情况，因此其检测准确率能够高达99%。
值得一提的是，上述内容并非仅仅是理论上的构想。尽管F28P55X现在才正式发布，但客户已将其投入实际应用。例如，TI的合作伙伴——东方艾罗（SOLAX）已成功开发出基于F28P55X的电弧检测模块。该模块单次电弧判断时间可缩短至5ms，且在检测到电弧后的0.2s内即可迅速自动切断电路，其误报率近乎为零。该模块的核心正是TMS320F28P55x芯片。正是基于上述原理，东方艾罗才能够实现如此卓越的性能。
同时，东方艾罗公司董事长兼总经理李新富也对这款产品评价道：“我们采用TI的边缘AI技术来提高各种太阳能装置的电弧故障检测准确性。传统的电弧故障检测方法在适应性和灵敏度方面受到限制，会导致误报或漏报实际电弧故障事件，从而对生产力、维护成本和操作员安全产生负面影响。借助TI支持边缘AI的MCU，我们可以在本地训练和执行神经网络算法来识别模式并检测异常，从而提高我们运营的安全性和可靠性。”
F29H85x系列则是一款搭载新型C29内核的产品。师英再次强调道，这是C2000系列CPU多年来的一次重大迭代升级，其处理位宽从32位跃升至64位，并配备了超长指令集架构，使得单个指令周期最多能并行完成8条指令。并行计算是DSP架构的一大优势，这也是DSP与通用CPU之间的显著差异之一。
除了CPU性能的显著提升外，F29H85x系列还天然支持两大安全领域：功能安全与信息安全。具体而言，F29H85x在功能安全方面可达到汽车领域ISO26262标准的ASIL-D级别，即最高标准；同时，在工业领域也符合IEC61508的SIL-3级别，同样是工业安全的最高标准。在信息安全方面，它引入了行业内广泛应用的硬件安全模块（HSM），使得该系列器件能够满足全球不同地区对于信息安全的各种严格要求。无论是国际还是其他区域的标准，均可通过HSM模块实现。功能安全与信息安全是F29H85x系列不可或缺的两大关键性能。
为了确保CPU内部的功能安全与信息安全，TI在F29的架构中设计了多重隔离机制，类似于防火墙的功能。特别是加入了功能安全与信息安全单元（SSU），能够对应用程序代码、应用数据、保密内容以及普通内容进行有效的隔离，从而全面满足功能安全与信息安全的要求。
下图代表了实时控制系统中最为关键的大脑——计算单元。为何需要持续提升计算单元的性能，通过引入协处理器以及优化架构来增强实时数学计算能力呢？师英解释道，在工业与汽车领域，执行效率的提升速度日益加快，电机的转速也随之不断攀升。随着电机转速的提升，新一代功率半导体的应用使得开关调制频率同步增高。在这样的背景下，实时计算处理器MCU的计算效率亟需实现大幅度提升。
如前所述，与C28相比，C29在信号链性能上可实现2至3倍的提升。对于电机驱动的数学计算与实时计算而言，其性能可提升2倍；而在电源转换方面，C29的性能则可提升约3倍。若仅就FFT计算而言，C29的计算速度相较于C28可快出5倍。另外，与采用Cortex-M7进行FFT计算相比，C29的速度更是快了6倍。C29的CPU版本在数学计算能力上实现了极为显著的提升。
此外，与C28相比，C29的中断响应速度也提升了4倍。在衡量这一中断响应速度时，需要综合考虑整个实时计算的回路，即从传感器ADC的信号输入到PWM的输出。仅计算速度快还不够，数据的采集与控制指令的输出同样需要加速，才能实现实时控制系统性能的本质性提升。因此，中断响应速度同样至关重要。所谓通用代码性能，主要指的是内存复制、数据移动以及通信等方面的性能。C28的内核实质上是一颗DSP，从过去的架构设计来看，C28相较于C29在处理如数据移动指令等内务管理代码方面并不擅长。然而，这一问题在F29上得到了很好的改善。
得益于CPU性能的提升，F29H85x可广泛应用于众多实时控制领域。例如，在汽车的车载充电机（OBC）、DC/DC转换器以及主机MCU的集成式架构中，F29H85x都能发挥出色表现。它同样适用于多电机的牵引逆变器以及助力转向系统。此外，F29H85x不仅可用于光伏逆变器，还能支持最新的电源拓扑结构、在线UPS以及机器人领域。可以说，非常多的实时控制领域都能通过采用最新的F29H85x来完成。
由于F29H85x的中断效率得到提升，并支持功能安全与信息安全，因此仅需一颗MCU便能实现OBC+DC/DC+主机MCU的三合一功能。这不仅提升了效率，还减小了尺寸并降低了成本。效率的提升是如何实现的呢？由于能够更快地进行计算和中断响应，因此对于第三代半导体功率半导体的支持也得以大幅度提升PWM的开关频率，从而提高系统的效率。更高的开关频率意味着磁性元件的尺寸可以减小，进而使得整个系统的尺寸也相应减小。
在电源转换领域，近年来出现了多种创新的电源拓扑结构。其中最为常见的一种便是矩阵转换器，它能够通过一套拓扑结构完成AC/AC、DC/DC的复杂转换。一方面，这对于功率级、磁性元件以及大型电容元件的需求与传统电源拓扑结构相比发生了诸多变化；另一方面，这同样对嵌入式处理器的实时性、PWM以及ADC通道提出了全新的需求。因此，F29H85x非常适合用于新型的矩阵转换器拓扑结构。同时，在所有这些系统中，F29H85x都天然地符合最高等级的功能安全与信息安全要求。
下图是高压一体化电动汽车车载充电机（OBC）+高低压直流转换器（HV-LV DC/DC）+主机应用的框图示例。在传统的框架中，完成OBC+HVLV DCDC+主机的功能通常需要三个MCU。然而，采用F29H85x时，由于其内部集成了一对锁步运行的CPU（CPU1和CPU2）以及一个独立的C29内核（CPU3），因此仅需一颗MCU即可完成整套系统的功能。CPU1和CPU2的锁步运行能够很好地支持ASIL-D级别的功能安全需求，同时两者均可运行AUTOSAR，这是几乎所有设备都需要的。而CPU3则可以独立承担OBC和DC/DC的控制回路，实现单芯片系统的高效运行。
汽车中的牵引电机控制往往不仅限于一个电机，而是可能涉及多个电机的协同控制。最常见的配置是双电机应用。在传统的双电机系统中，每个牵引电机都需要一个独立的电机驱动控制环路，同时还需要一个主机来负责功能安全和AUTOSAR的运行。此外，还需要昂贵的旋变解码器电路来检测驱动牵引电机的转子位置。双电机系统则需要两个这样的控制器和两个旋变解码器电路。然而，采用F29H85x时，可以利用CPU1和CPU2的锁步运行来完成功能安全和AUTOSAR的任务，同时用CPU3来控制两路电机。值得一提的是，F29H85x内部集成了旋变解码器功能，或者使用TI提供的另一种磁性位置传感解决方案，都可以实现用一个芯片完成所有功能，并集成到整个系统中。
以上是关于F29H85x的主要性能、功能以及典型应用场景的介绍。作为一款MCU产品，仅有器件本身是不够的，还需要一个强大的生态系统来支持。为了让客户能够更容易地开发和基于C2000的应用，TI提供了丰富的生态系统支持。从参考设计到硬件和软件的设计源文件，再到软件和工具的支持，一应俱全。特别是从F28迁移到F29的过程中，提供了专门的迁移工具，帮助客户快速将基于F28的设计系统迁移到F29上。同时，也对FreeRTOS提供了天然的支持。
在功能安全方面，F29整个系列产品以及F28P55X的部分汽车级产品都获得了ISO26262的功能安全认证。开发工具也经过了全面的准备，包括诊断库和安全的开发工具等。在建模和仿真方面，则支持ETAS和MathWorks的建模仿真工具。此外，还提供了各种不同配置的开发板以及免费的CCS和SysConfig可视化配置工具。在AUTOSAR方面，还支持VECTOR、ETAS等国际知名供应商，并正在积极与中国的AUTOSAR供应商同步开发，以支持中国版本的AUTOSAR。
最后是信息安全方面，特别是在汽车领域，实际使用最多的还是来自VECTOR的HSM库。同时，TI也正在积极与国内的信息安全合作伙伴展开合作。例如，伊世智能等合作伙伴将支持TI的HSM开发，为TI的客户提供符合国内商业秘密标准的加密库。
目前，F29H85x和F28P55X这两款系列的MCU的所有信息都已在TI.com上公布。可以在产品页下单购买这些产品，并获取相关的评估套件、技术文章以及应用笔记。
TI推出的两款新型C2000系列MCU——TMS320F28P55x和F29H85x，标志着实时控制技术的又一次进步。TMS320F28P55x系列集成了边缘AI硬件加速器，可实现更智能的实时控制，故障检测准确率高达99%。F29H85x系列中的新型64位C29内核的实时控制性能则比前几代产品提高了一倍多，其完整性等级可达到汽车安全完整性等级ASIL-D和SIL-3。
通过这些创新，TI不仅满足了现代实时控制系统对高性能、低功耗和高可靠性的需求，还为工程师们提供了丰富的生态系统支持，包括参考设计、开发工具和AUTOSAR兼容性。从东方艾罗等合作伙伴的实际案例看，这些新技术的成功应用也进一步证明了其卓越的性能和广泛的应用潜力。
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