支援汽車設(shè)計的數(shù)位訊號控制器

多數(shù)汽車控制與監(jiān)控的作業(yè)都需要進(jìn)行為數(shù)可觀的數(shù)學(xué)運算。理想的單晶片架構(gòu)平臺能執(zhí)行各式各樣的汽車功能，DSC是一套創(chuàng)新的混合式系統(tǒng)單晶片(SoC)架構(gòu)，結(jié)合16位元MCU的各種控制功能以及眾多的DSP功能。

汽車設(shè)計已有相當(dāng)長遠(yuǎn)的歷史，從過去純粹的機械系統(tǒng)演變至現(xiàn)今的汽車，其內(nèi)部經(jīng)常搭配數(shù)以百計的微處理控制器。在各國政府開始執(zhí)行汽車性能的管制法律，以控制像是排氣量與省油效率等汽車規(guī)格后，業(yè)界才開始注重汽車的電子控制功能。以往這些功能都是由獨立的硬體元件或數(shù)位邏輯元件負(fù)責(zé)。像在微處理控制器(MCU)這類嵌入式處理器解決方案陸續(xù)問市后，MCU的優(yōu)勢才逐漸顯現(xiàn)(就成本、彈性以及適應(yīng)法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)的能力)，促使業(yè)者用MCU取代固定功能的硬體元件，因為MCU在經(jīng)過程式控制后就能執(zhí)行模組所要求的特定工作。

汽車設(shè)計運用各式各樣的MCU，包括從最簡單的8位元MCU，支援像是控制雨刷與車門的功能;一直到用來控制引擎的32位元精密型MCU。中階產(chǎn)品包括像16位元MCU，具備不同的運算性能、記憶體容量、功耗以及週邊元件功能。針對不同汽車子系統(tǒng)選擇適合的處理器，并妥善將處理效能分散至各個子系統(tǒng)，這對于汽車產(chǎn)品的效能、可靠度以及功能而言扮演著相當(dāng)重要的角色。

數(shù)位訊號控制器：最佳方案

大多數(shù)汽車控制與監(jiān)控的作業(yè)都需要進(jìn)行為數(shù)可觀的數(shù)學(xué)運算。例如在引擎暖機期間，MCU會針對從空氣流量(MAF)感測器與引擎每分轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)計數(shù)器所傳來的資料進(jìn)行取樣，并根據(jù)所量到的數(shù)據(jù)計算出每個氣缸需要注入的油量，其計算公式如下：F=MAF/(K×N×RPM/120)其中K是特定冷卻劑溫度所需要(常數(shù))的進(jìn)氣/燃油比值，而N代表氣缸的數(shù)量。

上述運算不僅包含精準(zhǔn)的乘法與除法，且注入燃油的數(shù)量亦須不斷計算，以配合持續(xù)改變的引擎運轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，當(dāng)排氣含氧(EGO)感測器準(zhǔn)備好量測排氣的品質(zhì)時，就必須持續(xù)監(jiān)控EGO感測器傳來的資料，以便調(diào)整燃油注入的速度，進(jìn)而獲得最佳的引擎效能，減少排氣。

其他密集運算的實例包括：

(1)使用有限脈沖響應(yīng)(FIR)或無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，針對來自各種感測器傳來的資料去除其中的雜訊，例如引擎敲擊偵測、引擎熄火(misfire)偵測或降低燃油噴濺的效應(yīng)，持續(xù)監(jiān)控燃油量。

(2)分析資料時進(jìn)行的高速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)運算，在進(jìn)一步處理的階段中能使用頻譜，例如像主動式震動控制或排氣噪音消除等。

(3)根據(jù)幅度對感測器輸入資料進(jìn)行縮放、正規(guī)化以及線性化的處理。

(4)比例積分(PI)或比例積分微分(PID)控制演算法，例如像導(dǎo)航控制所需的運算。

圖一　簡化的引擎控制系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是汽車中各種處理器執(zhí)行作業(yè)的一部份。

包括座艙噪音消除、引擎敲擊偵測以及晃動與穩(wěn)定控制在內(nèi)的舒適/偵測/安全功能需要更繁復(fù)的訊號處理作業(yè)，運用像是調(diào)適性過濾在內(nèi)的密集運算演算法。

這類運算會用到處理器執(zhí)行大量的高速數(shù)學(xué)計算，可能是8位元MCU或一般的16位元MCU架構(gòu)，成本的考量讓昂貴的32位元MCU很難被業(yè)者採納。針對重復(fù)性數(shù)學(xué)運算進(jìn)行最佳化的16位元數(shù)位訊號處理器(DSP)，適合用來執(zhí)行這類密集運算的作業(yè)。

但傳統(tǒng)DSP本身(沒有相關(guān)的MCU處理控制作業(yè))并不適合應(yīng)用在像汽車系統(tǒng)這類動態(tài)環(huán)境，主要有四個原因：

●DSP沒有彈性化的中斷架構(gòu);

●DSP在位元資料的處理上效率不是最高，例如像個別I/O針腳的狀態(tài);

●DSP相當(dāng)依賴晶片外部記憶體與週邊元件;

●DSP很少有低腳數(shù)的版本，因此不適合應(yīng)用在空間有限的模組。

理想的單晶片架構(gòu)平臺能執(zhí)行各式各樣的汽車功能，DSC是一套創(chuàng)新的混合式系統(tǒng)單晶片(SoC)架構(gòu)，緊密結(jié)合16位元MCU的各種控制功能以及數(shù)量眾多的DSP功能。

另一方面，DSC架構(gòu)特別適合應(yīng)用在各種典型控制作業(yè)，例如：

●定期啟動的中斷，例如像定期擷取車輛速度與方向盤角度的樣本資料，為防鎖死煞車系統(tǒng)(ABS)計算所需的煞車壓力;

●計算多個感測與控制輸入端的資料，例如像同時量測汽車速度、加速度、相對車體/輪胎動態(tài)與轉(zhuǎn)向角度，為主動式氣壓懸吊控制系統(tǒng)計算出阻尼值;

●將資料與控制脈沖傳送到制動器，例如像傳送可變作業(yè)週期PWM訊號，在適當(dāng)?shù)倪L期內(nèi)開啟與關(guān)閉燃油噴注器或點火電路;

●與分散式系統(tǒng)中的其他控制器模組分享資料，例如像各種子系統(tǒng)定期傳送狀態(tài)資料到偵測模組或使用者顯示面板。

另一方面，DSC的CPU支援一套功能強大的DSP指令與彈性定址模組，故能進(jìn)行快速且精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)演算與邏輯運算。

DSC的重要功能

典型的DSC架構(gòu)含有許多CPU與週邊元件特性，讓它適合應(yīng)用在許多汽車系統(tǒng)。以下將介紹這些功能的最重要的優(yōu)點，這些對于任何DSC架構(gòu)而言都相當(dāng)重要。

■強化型CPU功能

16位元DSC最強悍的功能可能就是完備的數(shù)學(xué)運算功能。真正的DSC內(nèi)含兩個40位元累加器，能用來儲存兩次獨立16-bit 乘 16bit的乘法運算結(jié)果。

大多數(shù)訊號處理演算法以及許多通用型數(shù)學(xué)運算都涉及到「乘積加總」的計算。像是MAC(乘法與累加)在內(nèi)的特殊指令，能將兩個16位元數(shù)據(jù)相乘;將結(jié)果累加;從RAM預(yù)先擷取一對數(shù)據(jù)，這些步驟都在一個指令週期內(nèi)完成。在使用兩個累加器時，系統(tǒng)能同時將資料寫回其中一個累加器，并在另一個累加器上進(jìn)行運算。

採用40位元累加器取代32位元版本，讓資料能暫時呈現(xiàn)「溢滿」?fàn)顟B(tài)(在累加器中對大量數(shù)值進(jìn)行加總時經(jīng)常出現(xiàn)這種狀況)。此外，DSC的CPU能透過一種名為飽和的機制將數(shù)值維持在允許的范圍，并在寫入至RAM時對資料進(jìn)行四捨五入或進(jìn)位的運算。DSC(在MCU中通常沒有這種元件)的另一種特性是能將資料解譯成含有小數(shù)點的格式，而不是永遠(yuǎn)設(shè)定資料為整數(shù)型態(tài)，藉以協(xié)助小數(shù)數(shù)值的運算。

除了上述功能外，還有各種能迅速移動資料的資料定址模式;支援循環(huán)緩沖區(qū)與位元反轉(zhuǎn)的定址模式;零負(fù)載的迴圈，很明顯可看出DSC提供一套功能完備但簡單易用的CPU架構(gòu)。DSC適合用來處理或分析感測器資料;執(zhí)行各種制動器控制作業(yè)有關(guān)的運算以及監(jiān)控汽車系統(tǒng)的效能。

■彈性化的中斷架構(gòu)

DSC架構(gòu)提供彈性極高的中斷架構(gòu)。DSC通常支援大量可選擇且可設(shè)定優(yōu)先權(quán)限的中斷資源與向量(這對于含有眾多感測器與制動啟的應(yīng)用而言相當(dāng)有利)。中斷的延遲都相當(dāng)確定，鮮少會變化，有助于簡化系統(tǒng)研發(fā)業(yè)者的工作流程。

■執(zhí)行階段的自我燒錄(RTSP)

大多數(shù)汽車應(yīng)用系統(tǒng)都需求儲存一些常數(shù)，利用這些常數(shù)并根據(jù)環(huán)境狀況、轉(zhuǎn)換器之間的變化以及預(yù)先量測的偏移值，校正從感測器擷取到的資料。后置處理演算法也會使用許多常數(shù)，例如像濾波器的系數(shù)與各種預(yù)定系統(tǒng)特性，例如像活塞尺吋、進(jìn)氣/燃油比以及誤差門檻等。就資料記憶體的使用效率而言，將這類常數(shù)儲存在RAM是相當(dāng)浪費的作法。DSC元件通常含有可燒錄的快閃記憶體以及快閃型資料EEPROM記憶體，能可靠且有效率的儲存或存取這類常數(shù)。在快閃型DSC中，使用者的程式甚至能根據(jù)環(huán)境、資料或運轉(zhuǎn)狀況，在執(zhí)行階段修改這些常數(shù)。在許多系統(tǒng)中，可以使用像是控制器區(qū)域網(wǎng)路(CAN)這類序列通訊通道，協(xié)助系統(tǒng)運用Bootloader演算法來修改某段程式碼或常數(shù)。

■線上串列燒錄(ICSP)

快閃型DSC讓使用者能運用一種名為線上串列燒錄的技術(shù)，在現(xiàn)場升級產(chǎn)品的韌體。這項功能讓某些控制器能重復(fù)應(yīng)用在不同的汽車子系統(tǒng)以及不同的運轉(zhuǎn)/環(huán)境條件，而且能修正軟體錯誤或校正感測器，或是在最小的成本與最低的延遲下進(jìn)行功能升級。

■高解析度類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器(ADC)

許多汽車子系統(tǒng)大量運用感測器，促使業(yè)者必須利用具備充裕速度與解析度的晶片內(nèi)部ADC來量測幅度相當(dāng)微小且快速變化的流入數(shù)據(jù)。這對于封閉式迴路的運作而言尤其重要，例如像量測進(jìn)氣歧管壓力的樣本，以研判點火火花的確切時間，藉以輸出至最佳的扭力。對于許多汽車功能而言，解析度低于12位元的ADC已不敷需求，若非線性錯誤率高于1 Least Significant Bit(LSB)，這種ADC也不適用。在某些子系統(tǒng)中，採樣的速度是主要的考量因素，尤其是像安全氣囊控制這類攸關(guān)安全的功能。在其他方面，最重要的考量因素可能是同時量測不同數(shù)據(jù)的能力。例如，主動式氣壓懸吊系統(tǒng)就需要同時擷取汽車速度、加速度、相對車體/輪胎動態(tài)與方向盤的轉(zhuǎn)動角度等數(shù)據(jù)。根據(jù)模組所需的ADC功能，可視狀況使用適合的DSC元件。

■脈沖寬度調(diào)變(PWM)

汽車系統(tǒng)中使用許多閥門與制動器都是由可調(diào)整的作業(yè)週期脈沖所控制。兩項PWM控制功能的常見實例包括燃油噴射閥門，會在脈沖期間開啟，藉此控制注入氣缸的燃油量;另一項則是點火火花產(chǎn)生器，在脈沖下降至低電壓階段就會產(chǎn)生火花。DSC能自動產(chǎn)生特定波長與極性的PWM訊號。像是動力方向盤、自動變速箱以及空調(diào)等子系統(tǒng)，都涉及到精密的馬達(dá)控制演算法。某些DSC結(jié)合完備的晶片內(nèi)部週邊元件來支援各種先進(jìn)PWM演算法。

■相位差編碼器介面(QEI)

精準(zhǔn)迅速的量測速度與位置(包括車輛與內(nèi)部各種機械元件)，是以電子元件有效控制汽車運轉(zhuǎn)的關(guān)鍵。例如像防撞系統(tǒng)就需要量測速度與加速度。相位差編碼器(例如像Optical Encoders)經(jīng)常是這類功能的理想感測器。有些DSC含有一個內(nèi)部相位差編碼器介面，能在最少的軟體資源使用率下針對相位差編碼器所產(chǎn)生的訊號快速解碼。

■控制器區(qū)域網(wǎng)路(CAN)

一部汽車中含有大量的處理器執(zhí)行各式各樣的功能，不同的子系統(tǒng)之間必須迅速且可靠的相互通訊，以便分享感測器與控制方面的資訊。各模組之間的通訊除了進(jìn)行系統(tǒng)層級的監(jiān)控與偵測外，同時也讓系統(tǒng)不必配置多個偵測器來量測相同的數(shù)據(jù)。例如在電池監(jiān)控的功能中，MCU不僅要時常量測電池電壓，亦須傳送開啟或關(guān)閉的控制訊號到其他模組，以達(dá)到最佳化的電池使用效率，讓汽車順利發(fā)動。在汽車網(wǎng)路方面，CAN匯流排標(biāo)準(zhǔn)在各種通訊標(biāo)準(zhǔn)中佔有相當(dāng)重要的地位。許多DSC內(nèi)含一或多種晶片內(nèi)建CAN控制器，吸引許多業(yè)者將它們應(yīng)用在汽車的設(shè)計。更高階通訊協(xié)定的軟體支援(例如像遵循OSEK標(biāo)準(zhǔn)的即時作業(yè)系統(tǒng)以及CAN應(yīng)用層的建置)，針對在汽車網(wǎng)路中使用DSC的業(yè)者提供更多的功能。

圖二　顯示由CAN匯流排串連的汽車系統(tǒng)元件

一些典型應(yīng)用

以下是數(shù)位訊號控制器在汽車方面的一些典型應(yīng)用，雖然沒有完整列出，但可以說明DSC所支援的多元化汽車功能。

●電子動力方向盤;

●電子離合器與變速箱控制;

●晃動與穩(wěn)定控制;

●座艙噪音消除;

●先進(jìn)電池監(jiān)控系統(tǒng);

●安全氣囊控制;

●點火控制;

●乘客感測器;

●燃油壓力感測器;

●空調(diào)控制;

●引擎敲擊偵測;

●引擎熄火(misfire)偵測;

●調(diào)適性導(dǎo)航控制;

●燃料電池;

●車內(nèi)娛樂;

●免持聽筒套件;

●免鑰匙生物辨識車鎖;

結(jié)論

汽車系統(tǒng)的需求日趨嚴(yán)苛，就功能、連結(jié)以及數(shù)學(xué)運算的需求而言，16位元數(shù)位訊號控制器在許多汽車子系統(tǒng)方面已成為理想的處理器架構(gòu)。愈來愈多創(chuàng)新且強大的功能，包括新型的汽電混合與燃料電池技術(shù)，迅速引進(jìn)至汽車設(shè)計領(lǐng)域。這促使業(yè)者需要DSC的性能以及多元化的特性。包括像OSEK、CAN-based通訊協(xié)定堆疊、TCP/IP以及預(yù)先封裝的DSP演算法，將進(jìn)一步提昇這類架構(gòu)在各種汽車應(yīng)用中的適用性。