重機械設備控制如(圖一)所示，包含一套自動控制整部機器操作的整合系統。操作員只要移動一組控制桿就能同時調整引擎馬力、變速裝置、液壓傳動、移動速度和方向以及機械爪的角度和抓力。

《圖一　重機械設備控制圖》

DSP曾被認為只適合高速運算和通訊，但現已能處理過去必須由微控制器執行的作業。重型移動式設備製造商過去總把控制系統視為必要之惡，而不是一種競爭優勢。早期的機械設備包含多種控制系統，而每一種只能處理特定的次系統，例如引擎、傳動或液壓，這些控制系統通常是由次系統製造商供應或由機械設備製造商視需求自行開發。

開發協調能力

日益嚴格的效能，操作員安全和環保法規要求迫使設備製造商升級控制系統。解決這些問題的方法之一是在各種次系統之間提供協調能力。兩個因素使得這種協調功能得以實現，更好的微控制器以及次系統製造商開始採用CANbus等標準連結協定。

然而整合式控制系統的成本較高，因此有些越野設備製造商為了降低成本，就把他們所發展的高階控制系統用於相對較為低階的設備。但這種作法卻同時也會造成低階設備浪費許多處理能力和控制功能。

因此控制系統開發商提出一種更好的方法來降低開發成本。他們創造出由基本建構方塊混合搭配組成的模組化系統。廠商只要針對特定的移動式設備選擇所需的模組，就能為機器量身訂製一套控制系統。這種做法的關鍵在於提供充份的處理能力來應付所選擇的各個模組需求。

移動式機械設備控制器製造商Sauer-Danfoss表示，重機械設備業者多半認為控制系統的效能並不重要，因為這類機械的動作速度相對而言非常緩慢。其實每一次的機械動作都牽涉到龐大的數學運算。最後更要靠微控制器順利開啟或關閉活門，設備的加速度或減速度就是由這些活門決定。

機械設備必須對測量值的微小改變迅速做出回應才能順利操作，因此模組化控制需要搭配能夠快速處理類比及數位訊號的處理器。DSP就能滿足移動式機械設備控制所需的效能與彈性要求。以DSP為基礎的控制系統早已用於許多機械設備，像是農業、建築、林業和道路興建等產業所使用的起重機、裝載機和挖土機。

以DSP為基礎的控制系統提供超越傳統微控制器10倍以上的處理能力。這種效能不僅將控制迴路時間縮短一個數量級，還加快許多常見作業的執行速度。舉例來說，一家草皮移植機製造商就將迴路時間從20ms縮短到10ms以下，這使得每塊草坪的處理速度增加四成以上，從原來的3.66分鐘減少為2分鐘，相當於生產力提高七成五。

Sauer-Danfoss Plus 1是新型模組化及整合式移動控制系統的範例之一，它把程式設計與開發工具、微控制器、I/O模組、圖形顯示終端機和控制桿匯集成一套整合環境。控制系統還包含引擎防止失速、載重限制和速度控制等所有常見應用的處理常式，軟體控制物件程式庫可以讓廠商執行特殊控制工作，OEM工程師只要將軟體模組「拖放」到車輛管理系統就能完成自訂的控制功能。

＠大標:處理器核心選擇

Sauer-Danfoss決定採用DSP證明了這項技術，過去的控制系統都使用8或16位元微控制器，新一代產品只需要20至40ms就能在控制系統、受控設備和閉迴路回授感測器之間完成一輪通訊作業。隨著控制系統的複雜性增加，這個迴路時間已成為提升控制系統效能的主要限制因素。

系統工程師最初並沒有將DSP視為可行方案。Sauer-Danfoss表示當時一般認為DSP主要用於大量數學運算，而且成本太高又無法提供工業控制所需的I/O功能。該產業的所有主要廠商當時都使用微控制器，因為他們認為微控制器的效能已足敷所需。然而進一步的研究卻顯示DSP系統其實能支援工業應用所需的全部週邊，像是快閃記憶體、CANbus支援、計時器通道和馬達控制功能。

DSP元件的單價確實比較高，但它們的訊號處理能力卻可大幅減少零件用料，使得每個模組的成本足以和微控制器解決方案競爭。舉例來說，系統工程師可以使用DSP的軟體濾波器，而不需要在每張電路板上增加4到10個硬體濾波器。

此外，嵌入式控制系統的微控制器多半內含大量的快閃記憶體。但這對於DSP也不是問題，系統工程師發現這些DSP擁有足夠的快閃記憶體來滿足最大型的整合控制系統要求。

透過控制物件和模組化軟體程式庫，OEM廠商即可針對特定需求調整系統規模，還能利用軟體客製化的控制系統為機器增加更多彈性。以DSP為基礎的C2000控制器是Plus 1模組的整合核心，用來控制變速器、傳動裝置和活門。同樣的功能還可擴大至槳葉、抓爪和鏟斗以及液壓操作和電子操控等控制設備。

使用單一控制架構可將成本減至最少。廠商可隨意增加或移除模組以滿足特定的機械功能需求，操作參數則由程式決定。舉例來說，當鏟裝機操作員操作控制桿時，控制系統會決定應該加大引擎油門、切換至高速檔或同時進行這兩項動作，以提高速度。

控制模組擁有各種大小和功能配置。舉例來說，Plus 1系統就提供三種不同大小和九種功能配置，界面選項包括CAN匯流排、攝影機輸入、USB連接埠和RS-232連線。設計工程師還能控制技術人員透過PDA或筆記型電腦所能執行的調整、診斷和維護範圍。圖形終端裝置可以顯示所選擇的功能，例如油壓和機器角度。

結論

採用這種富彈性的設計，只要重新設定參數就能調整控制系統以配合不斷改變的法規要求。因應環保單位規定而修正的越野設備引擎就是最好例子，這些規定分為三個階段執行，每個階段都需要數年的時間。

第一階段標準從1996到2000年為止。現正執行的第二階段標準預計到2006年結束，它的要求更為嚴格。最嚴格的第三階段將從明年開始到2008年為止，適用範圍僅限於37到560kW的引擎。為了符合這些法規要求，第一階段到第三階段都會採用先進引擎設計。

美國環保署去年公佈第四階段廢氣排放標準的最後規定，它將從2008年開始執行到2015年為止。第四階段標準要求排放氣體的懸浮粒子和氧化氮含量比現行規定減少九成，工程師唯有將先進控制技術與排放氣體處理技術搭配使用才能達到這些要求。

延 伸 閱 讀

隨著資訊產業在生活上應用的廣泛發展，許多產業都需要應用到各式各樣的ASIC來製造各種方便攜帶使用的產品；而隨著數位訊號處理及快速運算的需求，數位訊號處理器（DSP）也應運而生，其中以德州儀器出廠的TMS320系列最為普遍，所以本專題所選用的數位訊號理器是德州儀器（TI）TMS320系列的數位訊號處理器TMS320C6201。相關介紹請見「DSP系統效能分析」一文。 在可調式CPU技術推出後，上述的難題即迎刃而解，設計主導權交回給晶片設計工程師手上，而 CPU/DSP微處理器核心更可以讓客戶有效的利用可調式CPU/DSP核心，發展出適合目標市場的產品，並將矽晶片的成本降至最低。你可在「可調式CPU／DSP技術　為SOC帶來革命性影響」一文中得到進一步的介紹。 由於大容量FPGA的成本持續降低，加上軟體導向設計工具的發展，使FPGA元件獲得更多發揮空間，既能涵蓋過去DSP處理器的功能，也大幅降低使用ASIC的風險和前期成本。本文將介紹如何透過開發/設計工具，讓FPGA元件執行傳統上由DSP擔負的任務。在「FPGA分擔DSP功能降低建構成本」一文為你做了相關的評析。

市場動態

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