重机械设备控制如(图一)所示，包含一套自动控制整部机器操作的整合系统。操作员只要移动一组控制杆就能同时调整引擎马力、变速装置、液压传动、移动速度和方向以及机械爪的角度和抓力。

《图一 重机械设备控制图》

DSP曾被认为只适合高速运算和通讯，但现已能处理过去必须由微控制器执行的作业。重型移动式设备制造商过去总把控制系统视为必要之恶，而不是一种竞争优势。早期的机械设备包含多种控制系统，而每一种只能处理特定的次系统，例如引擎、传动或液压，这些控制系统通常是由次系统制造商供应或由机械设备制造商视需求自行开发。

开发协调能力

日益严格的效能，操作员安全和环保法规要求迫使设备制造商升级控制系统。解决这些问题的方法之一是在各种次系统之间提供协调能力。两个因素使得这种协调功能得以实现，更好的微控制器以及次系统制造商开始采用CANbus等标准连结协定。

然而整合式控制系统的成本较高，因此有些越野设备制造商为了降低成本，就把他们所发展的高阶控制系统用于相对较为低阶的设备。但这种作法却同时也会造成低阶设备浪费许多处理能力和控制功能。

因此控制系统开发商提出一种更好的方法来降低开发成本。他们创造出由基本建构方块混合搭配组成的模组化系统。厂商只要针对特定​​的移动式设备选择所需的模组，就能为机器量身订制一套控制系统。这种做法的关键在于提供充份的处理能力来应付所选择的各个模组需求。

移动式机械设备控制器制造商Sauer-Danfoss表示，重机械设备业者多半认为控制系统的效能并不重要，因为这类机械的动作速度相对而言非常缓慢。其实每一次的机械动作都牵涉到庞大的数学运算。最后更要靠微控制器顺利开启或关闭活门，设备的加速度或减速度就是由这些活门决定。

机械设备必须对测量值的微小改变迅速做出回应才能顺利操作，因此模组化控制需要搭配能够快速处理类比及数位讯号的处理器。 DSP就能满足移动式机械设备控制所需的效能与弹性要求。以DSP为基础的控制系统早已用于许多机械设备，像是农业、建筑、林业和道路兴建等产业所使用的起重机、装载机和挖土机。

以DSP为基础的控制系统提供超越传统微控制器10倍以上的处理能力。这种效能不仅将控制回路时间缩短一个数量级，还加快许多常见作业的执行速度。举例来说，一家草皮移植机制造商就将回路时间从20ms缩短到10ms以下，这使得每块草坪的处理速度增加四成以上，从原来的3.66分钟减少为2分钟，相当于生产力提高七成五。

Sauer-Danfoss Plus 1是新型模组化及整合式移动控制系统的范例之一，它把程式设计与开发工具、微控制器、I/O模组、图形显示终端机和控制杆汇集成一套整合环境。控制系统还包含引擎防止失速、载重限制和速度控制等所有常见应用的处理常式，软体控制物件程式库可以让厂商执行特殊控制工作，OEM工程师只要将软体模组「拖放」到车辆管理系统就能完成自订的控制功能。

＠大标:处理器核心选择

Sauer-Danfoss决定采用DSP证明了这项技术，过去的控制系统都使用8或16位元微控制器，新一代产品只需要20至40ms就能在控制系统、受控设备和闭回路回授感测器之间完成一轮通讯作业。随着控制系统的复杂性增加，这个回路时间已成为提升控制系统效能的主要限制因素。

系统工程师最初并没有将DSP视为可行方案。 Sauer-Danfoss表示当时一般认为DSP主要用于大量数学运算，而且成本太高又无法提供工业控制所需的I/O功能。该产业的所有主要厂商当时都使用微控制器，因为他们认为微控制器的效能已足敷所需。然而进一步的研究却显示DSP系统其实能支援工业应用所需的全部周边，像是快闪记忆体、CANbus支援、计时器通道和马达控制功能。

DSP元件的单价确实比较高，但它们的讯号处理能力却可大幅减少零件用料，使得每个模组的成本足以和微控制器解决方案竞争。举例来说，系统工程师可以使用DSP的软体滤波器，而不需要在每张电路板上增加4到10个硬体滤波器。

此外，嵌入式控制系统的微控制器多半内含大量的快闪记忆体。但这对于DSP也不是问题，系统工程师发现这些DSP拥有足够的快闪记忆体来满足最大型的整合控制系统要求。

透过控制物件和模组化软体程式库，OEM厂商即可针对特定需求调整系统规模，还能利用软体客制化的控制系统为机器增加更多弹性。以DSP为基础的C2000控制器是Plus 1模组的整合核心，用来控制变速器、传动装置和活门。同样的功能还可扩大至桨叶、抓爪和铲斗以及液压操作和电子操控等控制设备。

使用单一控制架构可将成本减至最少。厂商可随意增加或移除模组以满足特定的机械功能需求，操作参数则由程式决定。举例来说，当铲装机操作员操作控制杆时，控制系统会决定应该加大引擎油门、切换至高速档或同时进行这两项动作，以提高速度。

控制模组拥有各种大小和功能配置。举例来说，Plus 1系统就提供三种不同大小和九种功能配置，界面选项包括CAN汇流排、摄影机输入、USB连接埠和RS-232连线。设计工程师还能控制技术人员透过PDA或笔记型电脑所能执行的调整、诊断和维护范围。图形终端装置可以显示所选择的功能，例如油压和机器角度。

结论

采用这种富弹性的设计，只要重新设定参数就能调整控制系统以配合不断改变的法规要求。因应环保单位规定而修正的越野设备引擎就是最好例子，这些规定分为三个阶段执行，每个阶段都需要数年的时间。

第一阶段标准从1996到2000年为止。现正执行的第二阶段标准预计到2006年结束，它的要求更为严格。最严格的第三阶段将从明年开始到2008年为止，适用范围仅限于37到560kW的引擎。为了符合这些法规要求，第一阶段到第三阶段都会采用先进引擎设计。

美国环保署去年公布第四阶段废气排放标准的最后规定，它将从2008年开始执行到2015年为止。第四阶段标准要求排放气体的悬浮粒子和氧化氮含量比现行规定减少九成，工程师唯有将先进控制技术与排放气体处理技术搭配使用才能达到这些要求。

延 伸 阅 读

随着资讯产业在生活上应用的广泛发展，许多产业都需要应用到各式各样的ASIC来制造各种方便携带使用的产品；而随着数位讯号处理及快速运算的需求，数位讯号处理器（ DSP）也应运而生，其中以德州仪器出厂的TMS320系列最为普遍，所以本专题所选用的数位讯号理器是德州仪器（TI）TMS320系列的数位讯号处理器TMS320C6201。相关介绍请见「DSP系统效能分析」一文。 在可调式CPU技术推出后，上述的难题即迎刃而解，设计主导权交回给晶片设计工程师手上，而CPU/DSP微处理器核心更可以让客户有效的利用可调式CPU/DSP核心，发展出适合目标市场的产品，并将矽晶片的成本降至最低。你可在「可调式CPU／DSP技术　为SOC带来革命性影响」一文中得到进一步的介绍。 由于大容量FPGA的成本持续降低，加上软体导向设计工具的发展，使FPGA元件获得更多发挥空间，既能涵盖过去DSP处理器的功能，也大幅降低使用ASIC的风险和前期成本。本文将介绍如何透过开发/设计工具，让FPGA元件执行传统上由DSP担负的任务。在「FPGA分担DSP功能降低建构成本」一文为你做了相关的评析。

市场动态

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