微控制器角色的變化

不久前，使用μ C設(shè)計(jì)意味著圍繞CPU本身的大量外圍設(shè)備和支持芯片。即使CPU有足夠的嵌入式ROM和RAM，任何重要的項(xiàng)目都需要外部支持芯片提供的功能。當(dāng)系統(tǒng)包含任何類型的信號時，這一點(diǎn)最為真實(shí)。即使引入最簡單的信號需求，系統(tǒng)復(fù)雜性也會急劇上升。但是，這就是問題所在——聲音、溫度、壓力和其他自然現(xiàn)象的真實(shí)世界仍然存在。實(shí)際上，一個能夠在世界上運(yùn)行的系統(tǒng)需要:

• 將物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)換為電信號的換能器和信號調(diào)節(jié)器

• 一個數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，至少由一個具有足夠精度和速度的數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)和一個數(shù)字轉(zhuǎn)換器(DAC)組成

• 一種能夠處理采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字信號處理器(DSP)

• μC具有足夠的吞吐量來管理DSP、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和其他外設(shè)，并具有足夠的剩余帶寬來順利執(zhí)行控制和用戶界面功能;微控制器也可能包含程序ROM和數(shù)據(jù)RAM

這些復(fù)雜的設(shè)備提高了終端產(chǎn)品的成本，使其超出了低端應(yīng)用的范圍。然而，一種新的微處理器已經(jīng)出現(xiàn)，它通過在同一個芯片上嵌入高性能數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、類似dsp的功能和RISC CPU核心，簡化了與世界的接口。現(xiàn)代微控制器中集成能力的圖示見圖1．

新一代μC的一個例子是MAXQ3120。除了常用的uart，定時器和I/O端口陣列外，MAXQ3120還集成了一組外設(shè)，使接口變得容易:

• 一個16位，1周期的RISC內(nèi)核

• 一對16位的西格馬 - 得爾塔 adc

• 一個能夠在PWM模式下工作的16位定時器

• 一個帶有40位累加器的16 × 16乘法器

MAXQ3120還包括一個時鐘，一個LCD控制器和硬件，以簡化接口到紅外通信通道。在下面的示例中，循環(huán)計(jì)數(shù)或存儲要求將特別參考MAXQ3120μC。

MAXQ3120是一款基于RISC架構(gòu)的微控制器，專為多功能、多速率電表應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它符合IEC 61036類標(biāo)準(zhǔn)，同時也滿足中國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15284和DL/T 614的要求。此外，MAXQ3120微控制器還支持用戶可編程的資費(fèi)表功能，并使用符合中國標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645的協(xié)議來報告數(shù)據(jù)。

MAXQ3120內(nèi)部集成了多種功能，包括一個8MHz、16位的RISC CPU內(nèi)核，16k的程序存儲（實(shí)現(xiàn)為閃存），512字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM，兩個16位的A/D轉(zhuǎn)換器，一個16x40的硬件乘法器，三個計(jì)時器，以及兩個帶有獨(dú)立波特率發(fā)生器的UART通道等。這些功能使得MAXQ3120微控制器能夠高效地處理電表應(yīng)用中的各種需求。

在硬件設(shè)計(jì)方面，MAXQ3120的參考設(shè)計(jì)提供了完整的電表解決方案，包括原理圖、物料清單和示例PCB布局等。此外，該參考設(shè)計(jì)還支持多種通信協(xié)議，如異步紅外和EIA485等。

在軟件方面，MAXQ3120微控制器提供了豐富的外設(shè)和接口，使得開發(fā)人員可以輕松地定制和擴(kuò)展電表的功能。同時，該微控制器還支持多種編程語言和開發(fā)工具，如C語言和MAXQ3120 SDK等，為開發(fā)人員提供了極大的便利。

總的來說，MAXQ3120是一款功能強(qiáng)大、易于擴(kuò)展的微控制器，非常適合用于多功能、多速率電表的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

現(xiàn)代微控制器在設(shè)備內(nèi)集成了大多數(shù)必要的系統(tǒng)功能，包括外設(shè)和MAC。

圖1 一個傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)必須公開一個地址和數(shù)據(jù)總線來連接外部I/O設(shè)備來完成系統(tǒng)。

思考問題

涉及信號處理的問題最好分三個階段處理:

1. 你想做什么?仔細(xì)剖析問題，并將其分解為盡可能小的功能單元。問題是否涉及濾波、信號鑒別或產(chǎn)生特定類型的信號?當(dāng)您將問題劃分為一系列更簡單的子任務(wù)時，您就為下一步做好了準(zhǔn)備。

2. 你是怎么做到的?現(xiàn)在搜索文獻(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)或其他資源，找到與每個任務(wù)相關(guān)的算法。你可能會發(fā)現(xiàn)你的大部分概念問題已經(jīng)被解決了。你所要做的就是最后一步。

3. 它的代碼。將算法轉(zhuǎn)換為代碼的任務(wù)是一個熟悉的任務(wù)，并且可用的硬件資源使其比以往更容易。

在下面的示例中，我們堅(jiān)持三個步驟:描述問題，呈現(xiàn)算法和方法，并提供解決問題的代碼示例。

電力監(jiān)控與測量示例
-μC接口的一個常見示例是測量交流電路的電壓和電流，以確定負(fù)載消耗的功率。乍一看，這似乎相對簡單——如果電壓和電流波形是正弦波，則電壓和電流的均方根值僅為1/
乘以峰值電壓或電流。將均方根電壓和電流相乘，結(jié)果就是以瓦為單位的功率。還有什么比這更簡單的呢?

這種分析有兩個問題。首先，雖然電力公司提供的電壓通常非常接近正弦，但電流波形不是。燈調(diào)光器、開關(guān)電源和熒光燈都向電源線呈現(xiàn)非正弦電流分布。簡單地乘以一個常數(shù)不會得到有效值。其次，即使電流波形是正弦波，除非電壓和電流波形完全一致，否則RMS值的簡單乘法并不能提供以瓦為單位的實(shí)際功率使用情況。一般來說，實(shí)際負(fù)載要么包含電容抗，要么更常見地包含電感抗。因此，必須考慮無功功率。我們必須回歸基本面，尋找更好的出路。

在每一時刻，瞬時電壓和電流的乘積就是瞬時功率。圖2說明了這種瞬時功率是如何上升和下降的，甚至可能在部分周期內(nèi)降到零以下，這取決于電流。總實(shí)際功率就是瞬時電壓和瞬時電流乘積的時間平均值。計(jì)算實(shí)際功率很簡單——將電壓樣本和電流樣本相乘，并將結(jié)果加到一個累加器中。當(dāng)累積足夠數(shù)量的樣本后，只需將總和除以樣本數(shù)即可得到以瓦為單位的功率。要將其轉(zhuǎn)換為以瓦秒為單位的能量，請乘以樣品積累的時間(以秒為單位)。

圖2 雖然電壓波形(虛線)通常非常接近正弦，但電流波形(實(shí)線)可能與純正弦相差很大。此外，電流波形可能發(fā)生相移，導(dǎo)致線周期某些部分的瞬時功率(虛線)變?yōu)樨?fù)值。

無功功率的計(jì)算就沒有那么簡單了。首先要注意，對于正弦電壓和正弦電流，無功功率定義為:

其中V是有效值電壓，I是有效值電流，那么
是電流和電壓波形之間的相位差。

通過計(jì)算差值，可以隨時確定無功元件的功率:

和

式中V(t)和I(t)為任意時刻電壓和電流的瞬時值，
為任意延時，T為一個線周期的周期。區(qū)別在于:

使用三角恒等式cos(A+B) = cosAcosB - sinAsinB和cos(A-B) = cosAcosB + sinAsinB將方程更改為:

注意，余弦項(xiàng)相互抵消，正弦項(xiàng)相互增強(qiáng)，只剩下:

但是VI sin(
)是Q，這就是我們要找的。所以，重新排列這些項(xiàng)剩下:

這意味著無功功率可以通過累積最近的電流樣本與前一個電壓樣本的乘積，以及最近的電壓樣本與前一個電流樣本的乘積之差來計(jì)算。上式的分母是一個常數(shù)
設(shè)置為采樣周期，因此可以預(yù)先計(jì)算。

一旦知道了實(shí)際功率和無功功率明顯的功率(將均方根電壓與功率相乘計(jì)算得到的功率)可以很容易地計(jì)算為:

最后，用實(shí)際功率除以視在功率得到功率因數(shù)。

目前，假設(shè)需要跟蹤所有這些因素，那么應(yīng)用程序?qū)⑿枰欕妷和ǖ篮碗娏魍ǖ赖某朔e之和，以及前面關(guān)于無功功率的討論中描述的乘積差的總和。積累實(shí)權(quán)的代碼是這樣的:

void accumulateRealPower(int i_sample, int
v_sample)
{
靜態(tài)長real_power;
initMAC(MULTIPLY_ADD);
preloadMAC(real_power);
real_power = getMAC(v_sample，
i_sample);
}

在本例中，initMAC函數(shù)接受一個字節(jié)，用于設(shè)置MAC中的操作參數(shù)preloadMAC函數(shù)在進(jìn)行乘法運(yùn)算之前將一個長變量加載到累加器中。

為了演示如何將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際的機(jī)器指令，請考慮以下基于上述代碼的一組操作:

1. 初始化乘法累積單元或MAC(一個周期)

2. 設(shè)置內(nèi)存指針求和存儲面積(一個周期)

3. 將舊的和加載到累加器中(兩個循環(huán))

4. 將電壓樣本裝入乘法器(一個周期)

5. 將當(dāng)前樣本裝入乘法器(一個周期)

6. 等待一個周期來完成累積操作(一個周期)

7. 將累加器保存到內(nèi)存(一個周期)

因此，需要8個周期才能積累真正的功率。積累無功功率類似:

空白accumulateReactivePower (int i_sample int v_sample){靜態(tài)長reactive_power; initMAC (MULTIPLY_ADD); preloadMAC (reactive_power); reactive_power = getMAC (prev_v_sample i_sample); initMAC (MULTIPLY_SUB); reactive_power = getMAC (prev_i_sample v_sample);}

注意，這里的討論假設(shè)輸入樣本的直流偏置為零。如果這不是真的，就有必要為電壓和電流通道提供額外的蓄電池。如果直流偏置為零，這些和將為零。如果不是，則必須從累積的實(shí)際功率中減去直流偏置所表示的功率。

過濾的例子
過濾是數(shù)字領(lǐng)域中最常見的任務(wù)之一。原因很簡單——理想濾波器在世界上是無法實(shí)現(xiàn)的，但在數(shù)字邏輯中實(shí)現(xiàn)起來相對簡單。

在本節(jié)中，介紹了低通濾波器和帶通濾波器。低通濾波器通常用于在采樣之前從信號中去除不需要的高頻成分，以消除混疊偽影。帶通濾波器通常用于將通信信道限制在特定的頻率范圍內(nèi)。例如，F(xiàn)SK調(diào)制解調(diào)器可以使用帶通濾波器來消除高頻和低頻噪聲分量，只留下感興趣的頻率進(jìn)行處理。

關(guān)于數(shù)字濾波器的主題已經(jīng)寫了很多卷，可能會讓人相信這個主題很難理解。實(shí)際上，基本原理很簡單，不需要成為DSP專家就可以使用濾波功能。

通過檢查中的低通濾波器圖圖3，可以看出:

其中Y(n)為當(dāng)前輸出樣本，Y(n-1)為 之前的輸出樣本，X(n)為當(dāng)前輸入 樣本。濾波器常數(shù)b(0)預(yù)計(jì)算為:

式中f(0)為期望的半幅角頻率

為樣本周期。因此，對于8kHz的采樣率和100Hz的期望角頻率，b(0)將等于p x 125μs x 100Hz = 3.93 x 10(-2)

圖3 單極低通濾波器用于信號發(fā)送之前去除信號中不需要的高頻成分。

實(shí)現(xiàn)過濾器算法非常簡單:

長lpf (int input_sample){靜態(tài)長prev_out; initMAC (MULTIPLY_SUB); preloadMAC (prev_out); prev_out = getMAC (b (0), prev_out); initMAC (MULTIPLY_ADD | ONE_OP); prev_out = oneopMAC (input_sample);返回prev_out;}

的oneopMAC函數(shù)只將一個操作數(shù)裝入乘數(shù)，期望乘數(shù)保持第二個操作數(shù)。這樣做是為了節(jié)省執(zhí)行時間。這個過濾器，如果有效地編譯，每個樣本只需要十個周期。對于8MHz時鐘，這意味著一階低通濾波器只會消耗MAXQ3120處理帶寬的1%左右(不考慮中斷開銷)。

二階帶通濾波器在概念上稍微復(fù)雜一些，但實(shí)際上類似，只在算法中添加了幾個步驟。一個簡單的二階帶通濾波器的信號流程圖如圖所示圖4，其公式為:

圖4 二階帶通濾波器可以將通信信道限制在特定的頻率范圍內(nèi)。

與前面的示例一樣，參數(shù)b(0)、a(1)和a(2)是預(yù)先計(jì)算的。參數(shù)a(1)定義了濾波器的q因子，用來衡量濾波器抑制中心頻率附近帶外頻率的有效性。具體地說,

p通常在100到1000的范圍內(nèi)。較大的p值表示較窄的通帶，但較長的濾波器沉淀時間。較小的p值提供更寬的通帶和更快的沉降時間。

其他參數(shù)a(2)和b(0)是根據(jù)a(1)計(jì)算的。首先，我們定義兩個中間變量:

現(xiàn)在我們可以定義另外兩個參數(shù):

注意，一旦選擇了中心頻率、采樣率和濾波器q因子，這些參數(shù)都是常量。所需代碼為:

長帶通濾波器(int input_sample){靜態(tài)長x[1],[1],輸出;initMAC (MULTIPLY_ADD | CLEAR_ACC);輸出= getMAC (y [1], (2)); initMAC (MULTIPLY_SUB);} = getMAC產(chǎn)量(y[0](1)),輸出= getMAC (x [1], b (0)); initMAC (MULTIPLY_ADD | ONE_OP);輸出= oneopMAC (input_sample); x [1] = x [0]; x [0] = input_sample; y [1] = y [0]; y[0] =輸出;返回輸出;}

如果有效地編譯，這個例程(不包括輸入和輸出樣本的老化)需要14個周期。老化不包括在周期估計(jì)中，因?yàn)闃悠吠ǔΥ嬖谘h(huán)緩沖液中，不需要老化。

音調(diào)生成和檢測示例
在通信應(yīng)用中，經(jīng)常需要在音頻通道中生成/檢測音調(diào)的組合。例如，在電話應(yīng)用程序中，想要合成或檢測電話線中的雙音多頻音(DTMF)以便在電話線上撥號是很常見的。在主干卡中，標(biāo)準(zhǔn)多頻(MF)音通常用于帶內(nèi)信令。呼叫進(jìn)程信令(撥號音、回鈴音、忙音和重排音等)通常表現(xiàn)為兩種或兩種以上音調(diào)的組合。

雙極數(shù)字諧振器(圖5)是一種生成音調(diào)的簡單方法。諧振器的公式為:

其中k為:

并且可以預(yù)先計(jì)算。請注意，這個諧振器沒有輸入，它可以連續(xù)工作而不需要干預(yù)。然而，要啟動諧振器，Y(n-1)必須設(shè)置為零，Y(n-2)必須設(shè)置為-Asink，其中A為信號的期望幅度。

圖5 正弦波的產(chǎn)生采用雙極數(shù)字諧振器。

產(chǎn)生正弦波的算法是目前最簡單的:

長gen_tone_sample {靜態(tài)長y [1]; initMAC (MULTIPLY_ADD); preloadMAC (- y [1]); y [1] = y [0]; y [0] = getMAC (y [0], k),返回y [0];}

這個例程的代碼大小估計(jì)是每個要生成的正弦波樣本大約需要8個機(jī)器周期。這與產(chǎn)生簡單的方波具有相似的CPU強(qiáng)度，然后必須通過外部電路濾波以產(chǎn)生許多應(yīng)用所需的光譜純度。

音調(diào)檢測有點(diǎn)復(fù)雜，但與基本功能相比并不那么令人生畏。為了檢測音頻通道中的音調(diào)，我們選擇Goertzel算法。該算法利用一個二階濾波器和一個功率測量公式來確定濾波器通帶中是否存在能量。

二階濾波器的公式圖6是:

其中k的定義與前面描述的音調(diào)發(fā)生器中的定義相同。算法為:

長* tone_filter (int input_sample){靜態(tài)長y[1],輸出;initMAC (MULTIPLY_ADD); preloadMAC (- y [1]); y [1] = y [0]; y [0] = getMAC (y [0], k) + input_sample;返回y;}

注意，這個例程返回一個數(shù)組而不是標(biāo)量值。這是因?yàn)橄乱徊郊刃枰罱慕Y(jié)果，也需要之前的結(jié)果。一個音調(diào)檢測器通道的周期計(jì)數(shù)估計(jì)為12個周期，或者，在8kHz的采樣率下，大約是CPU功率的1.5%。在一般情況下，它將需要超過100個采樣周期之前的過濾器沉淀，并提供一個可靠的音調(diào)存在的指示。

圖6 音調(diào)檢測可以通過一個二階濾波器來完成。

為了測試是否存在音調(diào)，有必要計(jì)算濾波信號中的功率。這可以用下面的公式來完成:

由于該系數(shù)與預(yù)先計(jì)算的濾波器回路的系數(shù)相同，我們可以在這里使用它來計(jì)算功率:

power_squared = y [0] * y [0] + [1] * y y [0] [1] - k * * y [1];

在足夠數(shù)量的采樣周期后，音調(diào)存在通過平方功率指示顯示，該指示將比沒有音調(diào)的測量值至少高一個數(shù)量級。在測試中，音調(diào)的存在可能會顯示出超過1000的平方振幅，在輸入處具有單位信號振幅。非頻率音，或非頻率音的組合，通常表現(xiàn)出小于50的平方振幅。

結(jié)論

隨著數(shù)據(jù)采集硬件和類似DSP的構(gòu)建模塊在廉價微控制器上變得越來越普遍，固件工程師必須找到將DSP功能納入主CPU的方法，以降低成本并提高性能。然而，有了文獻(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)上的豐富資源，這項(xiàng)任務(wù)比預(yù)期的要容易得多。