帶模數(shù)前端的低成本微控制器近年來得到迅速推廣，人們通常稱之為“混合信號微控制器”。當然，賽普拉斯的 PSoC3 和新近推出的 PSoC5 器件集成了強大的 CPU 和業(yè)界領(lǐng)先的 ADC，其性能可超過分離式外部轉(zhuǎn)換器。不過，PSoC3 和 PSoC5 并不僅僅是一般的混合信號微控制器。傳統(tǒng)設(shè)備當然可以將外部模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。數(shù)據(jù)采集進程并不是全部目的之所在，它只是通過數(shù)據(jù)采集提取所采集數(shù)據(jù)背后含義并確定如何處理數(shù)據(jù)的一種方式。如果提取含義所需的信號處理工作量非常大的話，就會對固件工程師構(gòu)成挑戰(zhàn)，因為這種提取工作要與一般性工作任務(wù)使用相同的處理器，而處理器在支持終端設(shè)備所需的一般性任務(wù)之外還要完成新的工作任務(wù)。
在定義關(guān)系密切的 PSoC3 和 PSoC5 系列產(chǎn)品時，賽普拉斯的架構(gòu)師決定不再在競爭激烈的市場中僅僅提供一款同質(zhì)化的產(chǎn)品。不管采取什么架構(gòu)，硬件的功能都應(yīng)重點用于高效地實現(xiàn)有用的工作目的。我們希望 PSoC 真正成為片上可編程解決方案，能夠解決實際客戶遇到的實際問題。為了給新一代 PSoC 器件提供更強的解決問題的功能，我們采用了一系列獨特的外設(shè)和信號處理塊，既有模擬的，也有數(shù)字的。本文將重點討論這些大幅簡化采集信號數(shù)字濾波工作的信號處理塊，并討論該技術(shù)已經(jīng)在其中證明自身實力的一些應(yīng)用。
嵌入式數(shù)字濾波的架構(gòu)增強
首先，我們?yōu)槭裁聪Ｍ褂们度胧綖V波器而不是將信號處理指令集成到普通的微控制器中呢?究其原因就是項目設(shè)計層面和系統(tǒng)集成層面的分區(qū)問題。在項目開發(fā)過程中，項目的規(guī)模、目標和整體架構(gòu)經(jīng)常發(fā)生變化。單核單片式編碼項目要想跟上這種變化的速度，著實是一個挑戰(zhàn)，尤其是目前的項目常常是由非集中化的多個不同設(shè)計團隊一起完成的，這更增加了相關(guān)的難度。在塊層所使用的功能元件中嵌入信號處理，能確保項目管理在元件設(shè)計層面實現(xiàn)分支，同時也能確保在算法改變時，信號處理負載發(fā)生的差異不會影響通信管理等時間關(guān)鍵性任務(wù)。
數(shù)字濾波器塊 (DFB) 是首款PSoC3 和 PSoC5 系列產(chǎn)品中支持嵌入式數(shù)字濾波的硬件元素，這是一款連接于外設(shè)總線的小型數(shù)字濾波器引擎。實際上，它是存儲器、MAC、ALU 和微代碼控制庫的緊密組合，其 VLIW 架構(gòu)能支持不同的操作，如 24 位 x 24 位到 48 位乘法和加法等能以系統(tǒng)時鐘速率并行執(zhí)行，在 PSoC3 中的頻率可高達 67MHz，而在 PSoC5 中的頻率則可達 80MHz。數(shù)據(jù)和系數(shù)存儲在一對專門的本地 128x24 位存儲器中，并能在整個系統(tǒng)總線上進行存取。許多濾波拓撲都能在這一結(jié)構(gòu)上高效編碼。
配合嵌入式數(shù)字濾波應(yīng)用 DFB 的是通用數(shù)字塊 (UDB) 陣列。它在多功能架構(gòu)中結(jié)合了 PLD 和數(shù)據(jù)路徑/ALU塊，既能用于數(shù)字數(shù)據(jù)源集和匯集連接，也能用于高時鐘速率重復(fù)結(jié)構(gòu)，如級聯(lián)積分器/梳狀濾波器 (CIC) 和噪聲成形數(shù)字轉(zhuǎn)換器。
在 PSoC3 和 PSoC5 系統(tǒng)中如何使用嵌入式數(shù)字濾波
數(shù)字濾波器塊可通過幾種方式使用。PSoC Creator 中集成的濾波器設(shè)計工具支持拖放工作方式，將數(shù)字濾波包括到信號流程中來。啟動時 PSoC Creator 配套提供了專用的 FIR 濾波器“組件”，在系統(tǒng)中可以像其他塊一樣使用。該組件能對信號應(yīng)用多種不同濾波器，既能單獨使用，也能組合使用。圖 1 顯示了該組件的屏幕截圖，從中我們看出它在 PSoC Creator 項目中的使用情況以及設(shè)置屬性的配置窗口。今后，更多濾波器拓撲和互動濾波器設(shè)計向?qū)н€將添加到 PSoC Creator中。
圖 1：PSoC Creator 中的標準 FIR 濾波器組件
與第一代 PSoC 產(chǎn)品一樣，我們的客戶和我們自己的系統(tǒng)工程師一直期待著全新 PSoC3和 PSoC5 應(yīng)用的到來。PSoC 的核心理念一直是推出靈活的產(chǎn)品，支持在產(chǎn)品設(shè)計時還暫未設(shè)想到的全新應(yīng)用。這種靈活性同樣適用于數(shù)字濾波器塊等功能塊。我們已經(jīng)用該塊開發(fā)了幾款定制應(yīng)用，并作為組件實施于 PSoC Creator 原理圖中。由于信號處理與主 CPU 相分離，我們能通過一系列 Creator 組件實現(xiàn) IP 的重復(fù)使用，而全部設(shè)計人員都能共享這些組件。
使用 PSoC3/5 的高性能嵌入式濾波示例
“時間校正”濾波器——多相內(nèi)插
如果用 PSoC3 來滿足近期電表讀取應(yīng)用的概念設(shè)計要求，我們需要補償單 Δ-Σ ADC 的通道間計時偏置，滿足多相電壓和電流多路復(fù)用的要求。如果不糾正上述時差的話，系統(tǒng)準確性就會在加載低功耗因數(shù)期間快速下降，而且在線路頻率高諧波的功耗估算也會出問題。
數(shù)字濾波器塊非常適用于 FIR 濾波器，我們用它來創(chuàng)建多相內(nèi)插濾波器。在我們的原型設(shè)計*有四個通道，每個通道有 20 個抽頭 (tap)。該濾波器從單 ADC 獲得多路復(fù)用的數(shù)據(jù)流，將其“解包”為四個新的數(shù)據(jù)流，上述解包通道的信號延遲有差別，就好像信號同時被四個采樣 ADC 捕獲一樣，需要對采樣時間進行校正。圖 2 顯示了四輸入多路復(fù)用轉(zhuǎn)換器順序采樣相同(帶限)信號所得的四個數(shù)據(jù)集。
圖 2：ADC 的四個順序多路復(fù)用輸入獲得相同的信號
圖 3 顯示了內(nèi)插濾波器系統(tǒng)的四個輸出，我們看到底層帶限波形在形狀和計時方面都已經(jīng)得到了準確重構(gòu)。這種方法使單個高品質(zhì) ADC 能滿足極高的計量準確性要求，支持各種相關(guān)功率因數(shù)和諧波頻率要求。這種方法對其他需要高效同時采樣的應(yīng)用而言同樣適用。
圖 3嵌入式多相內(nèi)插濾波器消除了偏差。
用于功率計的其他濾波器
數(shù)字濾波器塊在我們的計量設(shè)計中還提供了另外兩種有用的濾波器功能。首先，為了支持“經(jīng)典”基本無功功率的準確計算，我們采用了計算機優(yōu)化的相移濾波器。大多數(shù)商業(yè)計量芯片都使用時間延遲或積分器來提供所需的 90 度相移。前一種方法的振幅特性曲線是平的，但在線路頻率值不準確時會造成相移不準。后一種方法會出現(xiàn)相反的問題，也就是說，相總是準確的，但振幅則會根據(jù)頻率出現(xiàn)變化，這樣導(dǎo)致的結(jié)果是它只能滿足要求最不嚴格的計量應(yīng)用，但對其他應(yīng)用都不適用。上述兩種方法對我們來說都不適用。
