TI C2000系列大升级：集成NPU引领MCU+AI新趋势

随着这一趋势的发展，我们可以预见，未来的MCU将不仅仅是简单的控制单元，而是转变为智能决策中心。这些集成了AI功能的MCU将带来革命性的变化，从智能家居到工业自动化，从医疗健康到交通运输，都将受益于边缘AI带来的高效能和低延迟。lD8esmc

在MCU中集成AI已成趋势

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AI的集成使得MCU能够在本地执行复杂的数据分析和决策处理，而无需将数据发送到云端，这大大提高了响应速度并降低了数据传输成本。目前，各芯片厂商根据不同市场的需求，正在用不同的方式将AI功能融入自己的MCU产品中。最近TI发布的C2000系列新品,就将NPU(神经处理单元)集成到了MCU中。lD8esmc

在介绍具体的产品之前，我们首先看看,当前的几种在MCU中集成AI功能的形式。通常，芯片厂商在决定如何在MCU中集成AI功能时，会综合考虑其产品的市场定位、应用场景、性能需求、成本预算和功耗限制等多种因素。他们会精心选择最适合其产品特性和目标市场的AI集成方式。以下是当前各厂商在MCU中集成AI功能的几种主要方式：lD8esmc

• 硬连线AI加速器：这种形式的AI集成是通过在MCU芯片上直接添加专用的硬件加速器,比如NPU来实现的，这些加速器专门为运行AI算法而设计，如神经网络推理。它们通常能够提供高效的性能和低功耗。
• 可编程数字信号处理器（DSP）：一些MCU包含可编程的DSP核心，这些核心可以配置和优化来执行AI算法。虽然它们可能不如专门的AI加速器高效，但提供了更大的灵活性。
• 软件实现的AI：在没有专门硬件加速器的情况下，AI算法可以通过软件在MCU的主处理器上运行。这种方法通常性能较低，但不需要额外的硬件资源。
• 混合方法：结合了以上几种方法，既包括硬件加速器，也利用DSP和主处理器的软件处理能力。这种方法可以提供灵活性和性能的最佳平衡。
• 协处理器集成：一些MCU通过集成专门的协处理器来增强AI处理能力，这些协处理器可以是专用的AI处理器或者是支持AI任务的通用处理器。
• 外部AI处理器：虽然不是集成在MCU内部，但一些系统设计会选择将外部AI处理器与MCU配合使用，通过接口连接，这样可以在不牺牲MCU内部资源的情况下提供强大的AI处理能力。

随着半导体技术和AI算法的持续进步，未来MCU设计中将涌现出更多创新且多样化的AI集成策略。这些新兴方案预期将显著改善性能与功耗的平衡，增强系统的适应性和扩展能力。它们可能包括更先进的神经网络处理技术，以及对更高效的机器学习模型的优化支持。这种不断推进的技术革新不仅为MCU的应用带来更广阔的空间，也为智能设备和边缘计算解决方案的深入发展注入了新的动力。lD8esmc

TI发布首颗MCU+NPU产品

在人工智能发展的冲击下，近年来各芯片厂为满足边缘设备的需求，都推出了自己的融合AI功能的MCU。当然，这些厂商根据自身产品的定位，选择了不同的AI集成方式。比如，TI最近发布的C2000系列MCU，采用了MCU+NPU的方式来集成AI功能。lD8esmc

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在今年的德国慕尼黑国际电子元器件展上，TI展示了C2000™ MCU新品TMS320F28P55x系列和F29H85x系列。前者是TI首款集成NPU的实时微控制器产品系列，它可实现高精度、低延迟的故障检测，后者基于TI的新型64位C29数字信号处理器内核构建，提供了具有集成功能安全和信息安全功能的先进架构。lD8esmc

·TMS320F28P55x系列

据德州仪器中国区技术支持总监师英介绍，F28P55X是工业和汽车领域实时控制系统中的创新产品，它集成了NPU，推动了任务向智能化、基于AI的方法转变。在太阳能和供电系统中，F28P55X的应用已显示出其价值，特别是在电弧检测方面，能够有效预防潜在火灾风险。同样，在马达驱动领域，F28P55X的AI技术提高了故障检测与预测的准确率至99%，为预防性维护提供了有力支持。lD8esmc

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师英介绍说，在传统的非NPU方案中，通过对直流母线电压与电流进行采样，并设置一系列触发阈值或规则来判断电弧是否发生。不过，这种方法存在诸多限制，检测准确率往往难以提升，一般仅能达到85%左右。检测不准确可能导致两种后果：一是漏报，即实际发生电弧但未被检测到，从而增加火灾或停机的风险；二是误报，即未发生电弧却发出警报，可能导致不必要的停机，进而影响生产效率。这便是现有或传统解决方案所面临的问题。lD8esmc

而在F28P55X这一创新解决方案中，原有的DC/DC转换器、逆变器以及MPPT系统均继续沿用了C2000™系列的核心技术。这意味着，原始的实时控制拓扑结构与硬件配置基本保持不变，特别是软件算法层面无需做出调整。其唯一的变化在于“利用F28P55X内置的NPU来专门执行电弧检测任务”。得益于TI的离线边缘AI工具TI Edge AI Tools，该工具能够针对大量电弧发生时的电流与电压数据进行深度训练，从而构建一个精准的CNN模型。在模型训练完成后，通过专用的软件开发工具，即可部署至F28P55X的NPU上。这一过程基于庞大的数据集进行训练，而非依赖传统的软件设计规则与触发阈值来判断电弧情况，因此其检测准确率能够高达99%。lD8esmc

不过，在MCU中加入功能计算会增加功耗。TI的新品通过怎样的方式平衡这一问题的呢？师英解释说，当协处理器或NPU未被使用时，MCU的电源管理单元可将它们置于休眠状态，以减少不必要的功耗。NPU在执行卷积运算或神经网络运算时，比传统CPU效率更高，能将任务完成时间缩短至原来的1/10，即使启动时电流峰值较高，整体功耗依然降低。因此，通过优化电流峰值和工作时间的综合考量，可以有效地管理功耗。lD8esmc

F28P55X系列配备高达1.1MB的内置Flash Memory。在实时系统中，该系列强调了24个高精度PWM通道和多达39个ADC通道的重要性。总之，F28P55X不仅是一款单一设备，而是一个多样化配置的系列，包括不同内存规格、汽车级认证和功能安全等级选项。TI计划推出超过40种型号，以适应市场的广泛需求。lD8esmc

·F29H85x系列

F29H85x系列采用新型C29内核，标志着C2000系列CPU的重大升级，处理位宽提升至64位，并支持超长指令级架构，实现单周期内最多8条指令的并行运算。该系列在功能安全与信息安全方面达到汽车ISO26262 ASIL-D级和工业IEC61508 SIL-3级的最高标准，内置HSM满足全球信息安全需求。lD8esmc

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该系列的多重隔离机制确保了功能安全与信息安全，其运算单元性能显著提升，适用于各类实时控制系统。C29内核在信号链性能上比C28提升2至3倍，马达驱动和电源变换性能分别提升2倍和3倍，FFT运算速度提升5倍。中断响应速度提升4倍，优化了数据采集与控制指令输出。lD8esmc

F29H85x广泛应用于汽车OBC、DC/DC转换器、多电机牵引逆变器、助力转向系统、光伏逆变器、在线UPS和机器人等领域。其高效的中断处理和内置安全功能使得一颗MCU即可实现多重功能，提升系统效率，减小尺寸和成本。F29H85x还适用于新型矩阵转换器拓扑结构，满足高级别的安全与信息安全要求。lD8esmc

师英透露称，F29系列的设计理念在于将多种功能集成于单个芯片，未来将推出更多配置以适应不同应用需求，提供高性价比解决方案。F29H85x在汽车电子应用中，相较于C28系列，提供了更高的功能安全和信息安全支持，其架构采用字节寻址，内存访问模式接近Arm，原生支持AUTOSAR，适合复杂多合一系统。他表示：“我们将根据市场需求逐步推广29系列。”lD8esmc

C2000系列已经有30年历史

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2024年是TI C2000™系列MCU发布的第30周年。据了解，C2000系列最初是作为DSP而推出的,这个系列最初的设计重点在于为电机控制和其他实时控制应用提供高性能的信号处理能力。随着时间的推移，C2000™系列逐渐发展，不仅增强了其DSP功能，还增加了更多MCU的特性，如更丰富的外设和接口、更易于使用的开发工具等。lD8esmc

在过去的技术迭代中，C2000™系列已经从16位运算位宽发展到64位。随着一系列产品的不断升级，C2000™引入了浮点运算单元、数学协处理器、三角函数运算器和向量运算加速单元，优化了PWM和ADC等外设。到2023年的280015X型号采用Lock Step双CPU设计，提升了功能安全性。而最新的F28P55X型号中还加入NPU，其AI卷积运算性能提升5-10倍，预示着下一代C2000™将迈向64位运算新时代。lD8esmc

因此，可以说C2000™系列是从专门的DSP产品发展成为一个集成了DSP和MCU特性的产品系列。这种发展反映了市场对更高效、多功能控制解决方案的需求，以及TI对这种需求的响应。C2000™系列的演变代表着TI不断创新和适应市场变化的历史，也展现了其对市场需求的深刻理解和响应。lD8esmc

到目前，TI与其合作伙伴形成了一个完整的C2000™生态系统，包括了参考设计、如那件与工具，功能安全，建模工具，硬件，IDE和编译器，AUTOSAR，HSM，信息安全等方面。师英强调说，“C2000™系列历经30年发展仍备受市场青睐，其关键在于满足特定应用需求。”无论是电机控制还是电源驱动，C2000™针对实时控制应用提供了独特的解决方案。其持续迭代的原因在于它精准定位了实时控制的需求，具备高性能的数学运算单元、协处理器单元以及关键的ADC和PWM外设，实现了从感测到执行指令的整个链路优化。lD8esmc