Bộ Xử Lý Tín Hiệu Số DSP Là Gì? Phần 2: Phân Loại DSP Và Các Hệ ...

Bộ xử lý tín hiệu số DSP là gì? Phần 2:  Phân loại DSP và các hệ thống sử dụng DSP

 

Như trong mục trước, chúng ta đã nói đến DSP như một vi xử lý được thiết kế đặc thù cho lĩnh vực xử lý tín hiệu thời gian thực. Nhờ đó mà nó tiêu tốn ít năng lượng, tài nguyên và thời gian hơn khi thực hiện các công việc ấy. Và cũng dựa vào những tính chất này mà DSP được phân chia thành những loại, những họ khác nhau (theo mức độ phức tạp của phép xử lý tín hiệu và mức độ tiết kiệm năng lượng của DSP).

Trong mục này bài viết sẽ giới thiệu sơ lược về sự phân loại đó. Nội dung được trích dịch từ tài liệu [1] của tác giả Robert Oshana,  và tài liệu [2] của hãng Texas Instruments. Nhìn chung thì 2 cách phân chia này cũng tương tự như nhau.

Sự phân loại DSP của hãng Texas Instruments

Hiện nay các DSP do hãng Texas Instruments sản xuất chiếm 48% số lượng DSP trên thế giới ([2] tr. 0-15). Các DSP này được TI chia ra làm 3 họ C2000, C5000 và C6000.

Trong đó:

Dòng C2000 là dòng DSP được thiết kế cho lĩnh vực điểu khiển số (DSC – Digital Signal Control) (ví dụ như điều khiển động cơ, điều khiển các bộ biến đổi điện tử công suất). Sự phát triển không ngừng của các linh kiện bán dẫn đang làm giá thành các bộ biến đối công suất (ví dụ như IGBT, Thyristor …) ngày càng giảm, và thâm nhập ngày càng sâu vào dây truyền công nghiệp. Đồng thời, cùng với sự phát triển của lý thuyết điều khiển giúp việc chế ngự động cơ công suất lớn ngày càng hiệu quả (ví dụ như các thuật toán điều khiển FOC, DTC …) thông qua điều khiển năng lượng cấp cho động cơ bằng các van bán dẫn. Sự kết hợp đó mở ra cánh cửa ứng dụng cho DSP trong lĩnh vực điều khiển các thiết bị công suất bằng việc chạy các bài toán điều khiển phức tạp.  Như tác giả Nguyễn Phùng Quang viết trong tài liệu [3] “DSP có tập lệnh phù hợp với các thuật toán xử lý tín hiệu, ví dụ: các bộ lọc bậc cao. Các thuật toán điều chỉnh về bản chất cũng là các bộ lọc, sự phù hợp đó thể hiện ở sự phối hợp khéo léo nhiều động tác trong một nhịp lệnh, ví dụ lệnh nhân kết hợp với việc tích lũy/ cộng thêm/ trừ bớt kết quả nhân cũ, tất cả trong 100ns.” … “Tất cả các chi tiết đó làm DSP trở nên vô cùng lợi hại trong việc thực hiện các thuật toán điều khiển/ điều chỉnh thời gian thực” ([3] tr. 223). Trong mối tương quan với 2 họ còn lại, họ C2000 được thiết kế cho những ứng dụng ít phức tạp hơp về mặt xử lý tín hiệu, vì vậy được xếp là dòng DSP giá rẻ so với các loại DSP khác.

Dòng C5000: Đây là dòng DSP được thiết kế cho các ứng dụng xử lý tín hiệu trên các thiết bị di động, đặc điểm nổi bật của dòng này là khả năng tiết kiệm năng lượng. Với mức năng lượng tiêu thụ thấp, kích thước nhỏ gọn, chúng được trang bị chủ yếu trên các điện thoại di động, camera số, modem …

Dòng C6000: đây là dòng DSP có năng lượng tính toán mạnh mẽ nhất. Chúng được ứng dụng chủ yếu trong các lĩnh vực xử lý ảnh, xử lý âm thanh, …

Sự phân loại các ứng dụng DSP theo tài liệu ‘DSP Software Development Techniques for Embedded and Real-Time Systems’ của tác giả Robert Oshana

Mục này được dịch từ tài liệu [1] của tác giả Robert Oshana, mục “Applications for DSPs” chương 1: “Introduction to Digital Signal Processing”

Theo tài liệu này, các ứng dụng trên DSP cũng được chia làm 3 loại

·        Các ứng dụng sử dụng DSP với giá thành thấp và chất lượng tốt

·        Các ứng dụng sử dụng DSP thỏa mãn tiêu thụ công suất thấp

·        Các ứng dụng sử dụng DSP có năng lực tính toán mạnh

 

Các ứng dụng sử dụng DSP với giá thành thấp

DSP ngày càng trở thành lựa chọn phổ thông cho các ứng dụng giá thành thấp. Một trong những lĩnh vực tiêu biểu là điều khiển động cơ điện. Việc điều khiển tốc độ động cơ như thế nào ảnh hưởng trực tiếp đến mức năng lượng tiêu thụ của thiết bị. Để đạt được những yêu cầu cao về tiết kiệm năng lượng, các nhà sản xuất thiết bị đã ứng dụng vào đó các thuật toán điều khiển cao cấp. Quá trình phát triển các bộ điều khiển này cho sản phẩm có thể được đảm bảo, khi khối xử lý tính toán của hệ được thiết kế trên DSP. Cùng với sự tăng lên của các yêu cầu chỉ tiêu chất lượng trong vài năm trở lại đây, thì sự cần thiết của DSP cũng được mở rộng.

 Sự phát triển của các bộ điều khiển số từ đơn giản đến những cấu trúc phức tạp đều nhằm cải thiện các ứng dụng, giúp chúng hiệu quả hơn, linh hoạt hơn, khả năng tích hợp cao hơn, và từ đó giảm giá thành sản phẩm. Sự gia tăng mức độ phức tạp của bộ điều khiển dẫn đến sự gia tăng chất lượng của các khối xử lý tính toán theo hướng tương ứng. Các DSP cũng được phát triển theo hướng này, dải hoạt động của chúng đáp ứng rất nhiều các thuật toán điều khiển phức tạp:

·        Thuật toán điều khiển tựa từ thông FOC (Field Oriented Control)

·        Thuật toán điều khiển Sensorless

·        Mô hình hóa mô hình động cơ trong phần mềm

·        …

 Ở hình dưới là cấu trúc tiêu biểu cho một mô hình điều khiển động cơ sử dụng DSP. Trong cấu trúc này, DSP nhận tín hiệu phản hồi gồm các thông tin trong quá trình điều khiển như: dòng điện, điện áp, tốc độ … thực hiện tính toán và đưa ra yêu cầu điều khiển tới bộ nghịch lưu để tác động tới động cơ thông qua các khối PWM.

Các ứng dụng DSP thảo mãn tiêu thụ công suất thấp

Cũng theo tài liệu đã dẫn, các ứng dụng trên DSP đáp ứng tiêu thụ công suất thấp được chia làm 3 loại:

·       Các ứng dụng trên thiết bị di động: những sản phẩm được cấp điện bởi nguồn pin, ứng dụng cho các sản phẩm bỏ túi (điện thoại di động, máy nghe nhạc …)

·        Các ứng dụng đặc biệt chú trọng hạn chế năng lượng tiêu thụ: ví dụ như các thiết bị quân sự và không gian vũ trụ

·        Các ứng dụng có mật độ tích hợp cao

Với các ứng dụng trên thiết bị di động: năng lượng cung cấp cho toàn thiết bị được cấp bằng nguồn điện trên pin. Đối với các thiết bị này, các linh kiện càng tiêu thụ ít năng lượng thì thời gian sử dụng thiết bị càng lâu, ứng dụng càng dễ đưa ra thị trường. Vì vậy, các chip xử lý tính toán có mức năng lượng tiêu thụ thấp thường được các nhà thiết kế quan tâm. Ngoài ra, cùng với việc hạn chế năng lượng tiêu thụ, hệ thống sẽ phát sinh ít nhiệt lượng hơn. Điều đó sẽ giúp loại bỏ một số thành phần phần cứng đắt tiền đi kèm, ví dụ như các khối tản nhiệt để làm mát cho hệ thống. Kết quả là toàn bộ thiết bị sẽ có giá thành thấp hơn và kích thước nhỏ gọn hơn. Đồng thời, với một hệ thống ít phức tạp hơn (do có ít các bộ phận hơn), người thiết kế có thể đẩy nhanh quá trình phát triển sản phẩm và đưa ra thị trường.

Với mức năng lượng tiêu thụ ít, thiết bị cho phép người thiết kế hệ thống có nhiều tính năng để lựa chọn hơn. Ví dụ như chạy chế độ năng lượng pin dự trữ, đảm bảo cho quá trình hoạt động không bị ngắt quãng.

 Nhóm thứ 2 trong các ứng dụng sử dụng DSP công suất thấp là những ững dụng đặc biệt chú trọng hạn chế mức tiêu thụ năng lượng. Nhóm này bao gồm các thiết bị dân sự như các trạm đo độc lập, các bộ cảnh báo trong nhà … cho tới các thiết bị quân sự như tên lửa, các sản phẩm không gian vũ trụ. Đây thường là nhóm thiết bị tiêu thụ nhiều năng lượng hơn các loại thiết bị di động trong nhóm một. Chúng có thể được cấp điện bởi pin, ác quy hay các nguồn năng lượng cố định khác, tuy nhiên chúng chung một đặc điểm là:  quá trình hoạt động phải đáp ứng một cách nghiêm ngặt về giới hạn năng lượng trên thiết bị. Yêu cầu này đặc biệt quan trọng trong các thiết bị quân sự và không gian vũ trụ. Đối với các hệ thống này chúng phải tối ưu trên 3 phương diện: kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ và năng lượng thấp. Các vi xử lý công suất thấp cho phép người thiết kế có thể  xây dựng nhiều tính năng linh hoạt trên thiết bị mà vẫn thỏa mãn 3 tiêu chí trên.

 Loại cuối cùng trong nhóm các ứng dụng sử dụng DSP công suất thấp, là những hệ thống có mật độ tích hợp cao. Đây là những hệ thống có năng lực xử lý tính toán mạnh hoặc các hệ đa vi xử lý. Đối với các thiết bị này, việc sử dụng năng lượng hiệu quả là một nội dung quan trọng. Không chỉ vì nó đáp ứng giới hạn của nguồn cấp, mà còn liên quan cả đến những vấn đề về nhiệt năng. Thông thường, một hệ thống như thế sẽ gồm những bo mạch sử dụng rất nhiều linh kiện điện tử được tích hợp với mật độ cao. Các bo mạch này có thể sẽ được đặt trong những không gian rất hạn chế. Người thiết kế sẽ phải quan tâm tới việc tối ưu năng lượng tiêu thụ và lượng nhiệt phát ra. Trong điều kiện ấy, các DSP có thể đáp ứng tiêu chí về năng lực tính toán và mật độ tích hợp lớn. Điều đó sẽ giảm bớt các bộ tản nhiệt và hệ thống làm mát, cho phép giảm giá thành và dễ dàng hơn đối với người thiết kế. Một số mục tiêu mà hệ thống này hướng đến

·        Tăng các chức năng thực thi trên mỗi kênh

·        Tăng các chức năng thực thi trên mỗi đơn vị diện tích

·        Loại bỏ các vấn đề về làm mát (các bộ tản nhiệt, hệ thống quạt …)

·        Giảm năng lượng tiêu thụ trên hệ thống

 Đối với nhiều thiết bị hiện nay, tiết kiệm năng lượng là một vấn đề hết sức quan trọng. Để thực hiện mục tiêu này, người thiết kế phải liên tục tối ưu trong từng bước thiết kế. Và bước đầu tiên chính là việc lựa chọn khối xử lý tính toán. Một bộ xử lý phù hợp thì cần được tối ưu về kiến trúc và tập lệnh để đạt hiệu suất cao đối với năng lượng tiêu thụ. Và với các hệ thống liên quan tới xử lý tín hiệu thì DSP là thường là lựa chọn thích hợp.

 Một ví dụ về ứng dụng sử dụng DSP công suất thấp là thiết bị chơi nhạc cầm tay như minh họa ở hình dưới. Trong ví dụ này, thiết bị cần phải thực hiện một số thuật toán xử lý tín hiệu để phát ra các bản nhạc có chất lượng âm thanh cao. Đó chính là nhiệm vụ để sử dụng các DSP công suất thấp. Chúng sẽ thực hiện một số thao tác như giải nén, giải mã và xử lý dữ liệu âm thanh. Dữ liệu này có thể được lưu trên bộ nhớ ngoài như các đĩa CD hoặc có thể tải từ máy tính hay Internet, để chạy trực tiếp hay ghi trên các bộ nhớ trống trong thiết bị. Bộ nhớ dữ liệu âm thanh có thể được đọc bởi vi xử lý và truyền tới DSP. Trong thiết bị này, chức năng giao diện được vi xử lý đảm nhận.

 Đối với thiết bị như thế này, kiểm soát năng lượng là vấn đề chính trong thiết kế. Người dùng các thiết bị cầm tay sẽ không muốn thường xuyên phải thay pin. Vì vậy, tuối thọ của pin, tương ứng với khả năng tiêu thụ năng lượng thấp là chìa khóa trong các phương án xây dựng sản phẩm. Các DSP công suất thấp có thể góp phần giải quyết vấn đề này, đồng thời chúng cũng giúp quá trình lập trình, cập nhật các thuật toán xử lý tín hiệu mới một cách dễ dàng hơn.

Những ứng dụng DSP có năng lực tính toán mạnh

Loại cuối cùng trong các hệ thống sử dụng DSP là nhóm những ứng dụng có năng lực tính toán mạnh. Đối với các ứng dụng này, DSP được trang bị các kiến trúc nâng cao cho phép tăng cường một cách đáng kể tốc độ thực thi phép xử lý tín hiệu. Những kiến trúc nâng cao có thể kể đến như: các từ lệnh dài (VLIW – Very Long Instruction Word) sử dụng cơ chế xử lý song song và  đường ống mở rộng giúp DSP đạt năng lực xử lý mạnh. Kiến trúc ấy kết hợp với một số kỹ thuật được tối ưu cho phép các ứng dụng đáp ứng yêu cầu xử lý tính toán của mình. Các thiết bị trong lĩnh vực này bao gồm: Các modem DSL, các bộ xử lý âm thanh cao cấp, cổng truyền thông đa phương tiện (Multimedia Gateway), máy scan công nghiệp, máy in tốc độ cao …

 

V0.0 – 26/03/2017

Thanh Phong dịch

 

 

Tài liệu tham khảo

[1]   Robert Oshana, DSP Software Development Techniques for Embedded and Real-Time Systems, Newnes, 2006

[2]   Texas Instrument, TMS320F2812 Digital Signal Processer Implementation Tutorial

[3]   Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha, NXB Giáo Dục. Chương 10: Thực hiện hệ thống trên cơ sở dùng vi xử lý tín hiệu (Digital Signal Processor) kiểu TMS 320C20/25

 Đường dẫn để tải các tài liệu tham khảo: (1, 2)