電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/黃晶晶）從1994年推出第一顆TMS320C10處理器開始，C2000 DSP已走過了30年的輝煌歷程。期間C2000系列不斷迭代升級，陸續(xù)加入浮點運算單元、數(shù)學運算協(xié)處理器、三角函數(shù)運算器、向量運算加速單元等，以及不斷優(yōu)化的PWM和ADC等外設。例如2023年推出的280015X將CPU內核做成Lock Step，用2顆CPU鎖步運行，并支持器件本身的功能安全。今年，F(xiàn)28P55X正式加入NPU，并且下一代C2000的內核做到64位運算的位寬。德州儀器中國區(qū)技術支持總監(jiān)師英在近日的媒體會上表示，TI C2000系列將繼續(xù)憑借其卓越的性能和豐富的應用經(jīng)驗，在電源變換、太陽能、逆變系統(tǒng)、伺服驅動、交流電機驅動、直流無刷電機驅動，以及汽車變換與牽引逆變器等領域滿足客戶需求。

F28P55X首次加入NPU

在當前工業(yè)及汽車領域的實時控制系統(tǒng)中，越來越多的任務傾向于采用更為智能、基于AI的方法來完成。于是F28P55X這款產(chǎn)品應運而生。

F28P55X芯片首次在C2000系列中引入NPU（即神經(jīng)網(wǎng)絡處理單元）。這一AI加速器能夠獨立完成AI領域常見的運算算子。在神經(jīng)網(wǎng)絡推論運算中，卷積運算占據(jù)了主導地位。普通CPU完成這一運算往往效率相對較低。而利用神經(jīng)網(wǎng)絡加速單元，其性能將比使用C2000的CPU提高5-10倍。


對于嵌入式系統(tǒng)或實時控制系統(tǒng)而言，邊緣AI無疑是一個必然選擇。邊緣AI指的是所有神經(jīng)網(wǎng)絡推理算法均在設備端（即邊緣側）執(zhí)行與運算。這一模式的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下三個方面：

首先，實時性得到顯著提升，無需將數(shù)據(jù)上傳至云端，從而避免了傳輸延遲。
其次，通過算法優(yōu)化及NPU的加入，系統(tǒng)整體功耗得以降低。NPU天生擅長處理卷積運算及神經(jīng)網(wǎng)絡運算，因此能夠實現(xiàn)更高的效率與更低的功耗。
最后，從安全性與可靠性的角度來看，避免了數(shù)據(jù)采集與傳輸至云端的過程，有助于提升設備的安全性。

F28P55X系列產(chǎn)品的特性參數(shù)頗為亮眼，其內置的Flash memory最高可達1.1MB。對于實時系統(tǒng)而言，ADC與高精度PWM是兩大核心外設。具體而言，F(xiàn)28P55X提供了24個高精度PWM通道以及最多39個ADC通道。F28P55X并非單一器件，而是一個涵蓋多種配置的系列。德州儀器已經(jīng)推出不同內存規(guī)格、汽車級認證以及功能安全等級的組合。預計該系列將陸續(xù)推出多達40余款型號，以滿足市場的多樣化需求。

F28P55X可進一步降低系統(tǒng)成本并縮小系統(tǒng)尺寸。師英解析，以傳統(tǒng)的電弧故障檢測為例，這是一個應用于太陽能逆變系統(tǒng)的場景。下圖左側白色框內為太陽能板，其發(fā)出的電能需經(jīng)過DC/DC變換器或逆變器，以及MPPT等處理單元，這些功能通常由C2000系列的實時控制MCU完成。



然而，在傳統(tǒng)方案中，還需額外增加一個MCU-2用于電源電弧檢測。具體來說，在傳統(tǒng)的非NPU方案中，通過對直流母線電壓與電流進行采樣，并設置一系列觸發(fā)閾值或規(guī)則來判斷電弧是否發(fā)生。這種方法存在諸多限制，檢測準確率往往難以提升，一般僅能達到85%左右。檢測不準確可能導致兩種后果：一是漏報，即實際發(fā)生電弧但未被檢測到，從而增加火災或停機的風險；二是誤報，即未發(fā)生電弧卻發(fā)出警報，可能導致不必要的停機，進而影響生產(chǎn)效率。

采用F28P55X這一創(chuàng)新解決方案后，原有的DC/DC轉換器、逆變器以及MPPT系統(tǒng)均繼續(xù)沿用了C2000系列的核心技術，這意味著原始的實時控制拓撲結構與硬件配置基本保持不變，特別是軟件算法層面無需做出調整。唯一的變化在于，我們利用F28P55X內置的NPU來專門執(zhí)行電弧檢測任務。

那么，它為何能實現(xiàn)99%的高檢測準確性呢？這得益于TI先進的離線邊緣AI工具——TI Edge AI Tools。該工具能夠針對大量電弧發(fā)生時的電流與電壓數(shù)據(jù)進行深度訓練，從而構建一個精準的CNN模型。模型訓練完成后，通過專用的軟件開發(fā)工具，即可輕松部署至F28P55X的NPU上。由于這一過程基于龐大的數(shù)據(jù)集進行訓練，而非依賴傳統(tǒng)的軟件設計規(guī)則與觸發(fā)閾值來判斷電弧情況，因此其檢測準確率能夠高達99%。

F29H85x：處理位寬升級到64位

在工業(yè)與汽車領域，執(zhí)行效率的提升速度日益加快，電機的轉速也隨之不斷攀升。隨著電機轉速的提升，新一代功率半導體的應用使得開關調制頻率同步增高。在這樣的背景下，實時運算處理器MCU的運算效率亟需實現(xiàn)大幅度提升。

“28系列的版本已經(jīng)在實時控制領域用了很多年，從C28迭代至C29版本是時隔二十三年后的一次迭代升級。F29H85x系列代表著C2000 內核的一次重大升級?！睅熡⒄f道。F29H85x系列處理位寬從32位躍升至64位，并配備了超長指令級架構，使得單個指令周期最多能并行完成8條指令。并行運算是DSP架構的一大優(yōu)勢，這也是DSP與通用CPU之間的顯著差異之一。這一改進使得F29H85x的基礎運算性能相較于C28提高了2倍以上。


除了CPU性能的顯著提升外，F(xiàn)29H85x系列還天然支持兩大安全領域：功能安全與信息安全。具體而言，F(xiàn)29H85x在功能安全方面可達到汽車領域ISO26262標準的ASIL-D級別，即最高標準；同時，在工業(yè)領域也符合IEC61508的SIL-3級別，同樣是工業(yè)安全的最高標準。在信息安全方面，引入了行業(yè)內廣泛應用的HSM，使得該系列器件能夠滿足全球不同地區(qū)對于信息安全的各種嚴格要求。無論是國際還是其他區(qū)域的標準，均可通過HSM模塊實現(xiàn)。功能安全與信息安全是F29H85x系列不可或缺的兩大關鍵性能。

為了確保CPU內部的功能安全與信息安全，F(xiàn)29的架構中設計了多重隔離機制，類似于防火墻的功能。特別是加入了功能安全與信息安全單元（SSU），能夠對應用程序代碼、應用數(shù)據(jù)、保密內容以及普通內容進行有效的隔離，從而全面滿足功能安全與信息安全的要求。

與C28相比，C29在信號鏈性能上可實現(xiàn)2至3倍的提升。對于馬達驅動的數(shù)學運算與實時運算而言，其性能可提升2倍；而在電源變換方面，C29的性能則可提升約3倍。若僅就FFT運算而言，C29的運算速度相較于C28可快出5倍。C29的CPU版本在數(shù)學運算能力上實現(xiàn)了極為顯著的提升。



此外，與C28相比，C29的中斷響應速度也提升了4倍。在考量這一中斷響應速度時，需要綜合考慮整個實時運算的環(huán)路，即從傳感器ADC的信號輸入到PWM的輸出。僅計算速度快并不夠，數(shù)據(jù)的采集與控制指令的輸出同樣需要加速，才能實現(xiàn)實時控制系統(tǒng)性能的本質性提升。因此，中斷響應速度同樣至關重要。所謂通用代碼性能，主要指的是memory copy、數(shù)據(jù)搬移以及通訊等方面的性能。C28的內核實質上是一顆DSP，從過去的架構設計來看，C28相較于C29在處理如數(shù)據(jù)搬移指令等housekeeping代碼方面并不擅長。然而，這一問題在F29上得到了很好的改善。

得益于CPU性能的提升，F(xiàn)29H85x可廣泛應用于眾多實時控制領域。例如，在汽車的OBC（車載充電機）、DC/DC轉換器以及主機MCU的集成式架構中，F(xiàn)29H85x都能發(fā)揮出色表現(xiàn)。它同樣適用于多電機的牽引逆變器以及助力轉向系統(tǒng)。此外，F(xiàn)29H85x不僅可用于光伏逆變器，還能支持最新的電源結構、在線UPS以及機器人領域。


F29系列MCU通過提升性能，特別是ADC和PWM等關鍵外設的性能，使其更加適用于第三代寬禁帶半導體在電源管理中的應用。目前，眾多服務器電源及太陽能逆變器等設備已采用這些新架構進行電源設計，充分展現(xiàn)了F29系列MCU在高性能電源管理領域的優(yōu)勢。F29系列MCU的設計旨在支持更高的開關頻率，降低開關損耗，為用戶帶來更高的功率密度。同時減少磁性元器件的使用，進而使得整個系統(tǒng)的尺寸也相應減小。

師英分析，由于F29H85x的中斷效率得到提升，能夠更快地進行運算和中斷響應。在一個PWM開關周期內，CPU需完成ADC對電流、電壓及位置的采樣，隨后進行數(shù)據(jù)轉換與運算，并最終輸出控制波形。原本在F28系列的前代產(chǎn)品中，若采用傳統(tǒng)MOSFET功率器件，由于其開關頻率較低，CPU有足夠的時間（如1微秒）來完成整個采樣、運算與輸出周期。然而，當開關頻率提升至10倍時，該周期將縮短至0.1微秒。在如此短的時間內完成ADC采樣、終端響應、數(shù)據(jù)轉換與運算，以及PWM輸出，對實時控制MCU構成了嚴峻挑戰(zhàn)。

在電源變換領域中，諸多新興電源拓撲結構涌現(xiàn)，其中最為常見的一種便是矩陣轉換器，它能夠通過一套拓撲結構完成AC到AC、DC到DC的復雜變換。一方面，這對于功率級、磁性元器件以及大型電容性元器件的需求與傳統(tǒng)電源拓撲結構相比發(fā)生了諸多變化；另一方面，這同樣對嵌入式處理器的實時性、PWM以及ADC通道提出了全新的需求。因此，F(xiàn)29H85x非常適合用于新型的矩陣轉換器拓撲結構。同時，在所有這些系統(tǒng)中，F(xiàn)29H85x都天然地符合最高等級的功能安全與信息安全要求。



以下是高壓一體化電動汽車OBC（車載充電機）+HVLV DCDC（高低壓直流轉換器）+主機應用的框圖示例。在傳統(tǒng)的框架中，完成OBC+HVLV DCDC+主機的功能通常需要三個MCU。然而，采用F29H85x，即僅需一顆MCU便能實現(xiàn)OBC+DC/DC+主機MCU的三合一功能。


由于其內部集成了一對鎖步運行的CPU（CPU1和CPU2）以及一個獨立的C29內核（CPU3），因此僅需一顆MCU即可完成整套系統(tǒng)的功能。CPU1和CPU2的鎖步運行能夠很好地支持ASIL-D級別的功能安全需求，同時兩者均可運行AUTOSAR，這是幾乎所有設備都需要的。而CPU3則可以獨立承擔OBC和DCDC的控制環(huán)路，實現(xiàn)單芯片系統(tǒng)的高效運行。

小結：

F28P55X作為TI首款集成NPU的C2000系列產(chǎn)品，已經(jīng)邁出了重要一步。師英表示，未來我們可根據(jù)不同應用場景的需求靈活調整NPU算力。若某些應用需要更強大的算力支持，我們可以在現(xiàn)有架構基礎上進行性能提升；若在某些特定場合算力需求較低，我們亦可進行相應優(yōu)化。我們的核心原則是始終聚焦于客戶需求與市場需求，致力于打造出更加可靠、安全、經(jīng)濟實用的電子產(chǎn)品。同時，F(xiàn)29H85x是C29系列的首款產(chǎn)品，其未來功能搭配將緊密圍繞客戶需求與應用場景進行定制化設計，未來存在無限可能。