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)都需要進行為數(shù)可觀的數(shù)學運算。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)計已有相當長遠的v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)位邏輯元件負責。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)與標準的能力)，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L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)都需要進行為數(shù)可觀的數(shù)學運算。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，當排氣含氧(EGO)感測器準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)分析資料時進行的高速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)運算，在進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)者衲傘Ｕ攵災(zāi)馗蔥允學運算進行最佳化的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相當依賴晶片外部記憶體與L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)L期PWM訊號，在適當?shù)腖期內(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，故能進行快速且精準的數(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L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L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行運算。

裼40位元累加器取代32位元版本，讓資料能暫時呈現(xiàn)「溢滿」狀態(tài)(在累加器中對大量數(shù)值進行加總時經(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時對資料進行四撾迦牖蚪位的運算。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;零負載的圈，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。