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作者：Chris Clearman，德州仪器 C2000 应用产品部

长期用于手机的数字信号处理器已推广用于较大型重型设备中，处理更加繁重的工作任务。

我们看到，重型设备控制需要集成系统自动调节整部机器的工作。操作人员只需操作一组控制杆，就能同时调节引擎动力、传动装置、液压动力传输、车辆运动和方向以及抓举角度和力度等。

从前人们认为，DSP 仅适用于高速数值运算和电信任务，但德州仪器 (TI) 推出的 DSP 目前已经用于传统上一般由普通 MCU 所处理的任务。

重型移动设备制造商以前一直将控制系统视为不得不处理的难题，而不是竞争优势。早期设备包含了多套控制系统，分别用于处理各种特定的子系统，如引擎、传动、液压等。通常由子系统制造商提供这些控制机制，或是由机器制造商根据需要开发。

随着人们对性能、操作安全性以及环保条款的要求更加严格，设备制造商必须升级其控制机制。新型方案的特点之一是在不同子系统之间进行更全面的协调。两大因素有利于实现这种协调：一是微控制器 (MCU) 不断改善，二是子系统制造商采用 CANbus 等标准连接协议。

不过，集成控制系统的成本更高。一些越野系统制造商将已经开发出来的高端控制系统应用于相对较低端的产品中，以降低成本。这显然会造成性能浪费，因为有些控制特性在低端设备中用不上。

控制系统开发人员能够找到更好的办法来降低开发成本。他们设计出的模块化系统可提供混合搭配(mixandmatch) 的构建块。通过选择某种移动设备必需的模块，我们可为机器量身定做控制系统。当然，关键在于确保提供足够的处理能力，以满足所有所选模块的要求。

Sauer-Danfoss 是一家领先的移动设备控制厂商，其移动电子设备产品线经理 Dan Ricklefs 指出：“重型设备领域一般认为，控制系统的性能并不重要，因为相关机制的工作速度较为缓慢。实际上，机器每次运动都涉及大量数值运算工作。说到底，控制器的功能将决定能否顺利开关阀门，从而控制设备的加速或减速。”

顺利运行要求对小的变动（根据测量得出的值来确定）作出快速响应。模块化控制需要能够快速处理模拟和数字信号的处理器。数字信号处理器 (DSP) 能满足控制整体移动机器所需的灵活性和处理能力要求。基于 DSP 的控制机制能够广泛应用于各种设备，如在农业、建筑业、林业以及道路建设等领域普遍使用的起重机、装载机和铲土机等。

与传统 MCU 的处理能力相比，基于 DSP 的控制机制要高出 10 倍乃至更多。这种高性能大幅减少了控制环路时间，并大大加快了各种一般任务的速度。举例来说，割草系统能将回路时间从 20 毫秒缩短到不足 10 毫秒，也就是说，割草任务的处理时间能缩短 40% 以上，即从 3.66 分钟减少至 2 分多一点。换言之，工作效率将净增 75%。

Sauer-Danfoss Plus 1 就是最新的模块化集成移动控制系统的实例之一，该产品在同一个集成式环境中集成了众多组件，如编程与开发工具、MCU、I/O 模块、图形终端以及操纵杆等。对于诸如引擎防失速系统、负载限制或速度控制等各种典型应用，我们均在控制系统中预封装了子例行程序 (Subroutine)。软件控制对象库使开发人员能够定制控制任务。OEM 工程师只需将软件模块“拖放”到车辆管理系统，就能实现定制控制。

处理器内核的选择

Sauer-Danfoss 选用 DSP 的决策充分说明了 DSP 技术的优越性。以前的控制系统采用 8 位和 16 位 MCU 来驱动。前一代技术的环路时间约为 20 至 40 毫秒，在此时间内需要在控制系统、受控设备和传感器之间完成一个通信周期，以实现闭环反馈。随着控制系统的复杂性不断提高，环路时间成为主要的瓶颈。

系统工程师起初认为 DSP 并不适用。Sauer-Danfoss 的硬件开发工程师 Joe Schottler 指出：“人们过去一般认为，DSP价格过于昂贵，只适合高要求的数值运算，且其输入／输出功能也不适用于工业控制。从事我们这一行业的主要厂商全都使用微控制器。人们普遍认为，MCU 的功能远远超过了所需的性能要求。”不过，进一步研究发现，DSP 系统能够支持行业使用的所有外设，如闪存存储器、CANbus、计时器通道 (timer channel) 以及马达控制功能等。

Sauer-Danfoss 对内核的选择非常严格，但最终决定采用 DSP，这确实让众多团队成员大吃了一惊。“第一，我们发现 TI 的 TMS320F2810 与 F2812 数字信号控制器从整体系统价格来说非常有竞争力。当然，就单位部件来说，DSP 的成本要高一些，但其信号处理功能精简了材料清单的数量，与采用微控制器的方法相比，单位模块的成本要更具竞争力。”举例来说，系统工程师在 DSP 中只需采用软件过滤器，而不必在每个印刷电路板上添加 4 至 10 个硬件过滤器。

另一问题是，嵌入式控制系统中的 MCU 需要集成大量的闪存存储器。系统工程师发现，TI DSP 提供的功能足以满足最大型集成控制系统的需求。

由于使用控制对象和模块化的软件库，因此我们能够根据特定要求进行系统扩展。软件定制的控制机制使 OEM 厂商能设计出灵活的机器设备。Plus 1 模块中采用的基于 DSP 的 C2000 控制器形成了能够控制传输、动力传动系统和阀门等的集成内核。对此功能加以扩展，就能控制诸如刀片、抓举器 (gripper)、铲斗 (bucket) 以及液压和电子转向系统(electronic steering)等其他设备。

采用一体化控制架构 (just-one-control architecture) 可实现成本最小化。我们可根据特定机器的功能要求增加或去除相应模块。编程决定工作参数。举例来说，如果轮式装载机的操作员通过控制操作杆来提高轮的速度，那么控制系统将决定是否打开引擎的油门，降低静液压传动的齿轮速比，或同时进行两种操作。

控制模块能够处理多种尺寸和配置的要求。例如，Plus 1 系统可采用三种不同的封装尺寸，并提供九种配置方案以及多种可选接口，其中包括 CAN 总线、摄像头连接 (camera input)、USB 端口以及 RS-232 接口等。这样，设计工程师不仅能够控制微调和诊断的程度，而且维修技术人员还能用膝上型电脑或 PDA 进行操作。图形终端可显示油压和机器角度等相关功能。

我们应根据法规的变化不断调整控制机制，而这只需对有关参数进行再编程即可。这里不妨举一个实例来说明如何符合 EPA 制定的越野引擎的有关规定。相关规定分为三个阶段实施，每个阶段需要几年的过渡时间，然后才进入下一阶段。

一级标准的有效期从 1996 年至 2000 年。较严格的二级标准目前已经生效，有效期至 2006 年。更严格的三级标准将于明年开始实施直至 2008 年，不过这三级标准仅适用于 37 到 560 kW 的引擎。我们采用高级引擎设计以符合一级到三级的有关规定。

去年，EPA 签署了最终规则，将于 2008 年开始实施四级排放标准，有关标准的适用期至 2015 年。四级标准要求颗粒物和一氧化二氮的排量在目前的基础上再降低90%。只有采用先进的控制技术并进行严格的废气排放处理，工程师们才能满足上述目标的要求。