支援汽車設(shè)計(jì)的數(shù)位訊號(hào)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(yùn)算。理想的單晶片架構(gòu)平臺(tái)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(jì)已有相當(dāng)長(zhǎng)遠(yuǎn)的v史，從過(guò)去純粹的機(jī)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(jì)的微處理控制器。在各國(guó)政府開(kāi)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(kāi)始注重汽車的電子控制功能。以往這些功能都是由獨(dú)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(wèn)市后，MCU的優(yōu)勢(shì)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?yàn)镸CU在經(jīng)過(guò)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(jì)運(yùn)用各式各樣的MCU，包括從最簡(jiǎn)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(lái)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(yùn)算性能、記憶體容量、功耗以及L邊元件功能。針對(duì)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(gè)子系統(tǒng)，這對(duì)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(hào)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(yùn)算。例如在引擎暖機(jī)期間，MCU會(huì)針對(duì)從空氣流量(MAF)感測(cè)器與引擎每分轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)計(jì)數(shù)器所傳來(lái)的資料進(jìn)行取樣，并根據(jù)所量到的數(shù)據(jù)計(jì)算出每個(gè)氣缸需要注入的油量，其計(jì)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(yùn)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(jì)算，以配合持續(xù)改變的引擎運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。因此，當(dāng)排氣含氧(EGO)感測(cè)器準(zhǔn)備好量測(cè)排氣的品質(zhì)時(shí)，就必須持續(xù)監(jiān)控EGO感測(cè)器傳來(lái)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(yùn)算的實(shí)例包括：

(1)使用有限脈沖響應(yīng)(FIR)或無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器，針對(duì)來(lái)自各種感測(cè)器傳來(lái)的資料去除其中的雜訊，例如引擎敲擊偵測(cè)、引擎熄火(misfire)偵測(cè)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(shí)進(jìn)行的高速傅立葉轉(zhuǎn)換(FFT)運(yùn)算，在進(jìn)一步處理的階段中能使用頻譜，例如像主動(dòng)式震動(dòng)控制或排氣噪音消除等。

(3)根據(jù)幅度對(duì)感測(cè)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(yùn)算。

圖一　簡(jiǎn)化的引擎控制系統(tǒng)，這個(gè)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(cè)以及晃動(dòng)與穩(wěn)定控制在內(nèi)的舒適/偵測(cè)/安全功能需要更繁復(fù)的訊號(hào)處理作業(yè)，運(yùn)用像是調(diào)適性過(guò)濾在內(nèi)的密集運(yùn)算演算法。

這類運(yùn)算會(huì)用到處理器執(zhí)行大量的高速數(shù)學(xué)計(jì)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(xué)運(yùn)算進(jìn)行最佳化的16位元數(shù)位訊號(hào)處理器(DSP)，適合用來(lái)執(zhí)行這類密集運(yùn)算的作業(yè)。

但傳統(tǒng)DSP本身(沒(méi)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(dòng)態(tài)環(huán)境，主要有四個(gè)原因：

●DSP沒(méi)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(gè)別I/O針腳的狀態(tài);

●DSP相當(dāng)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(tái)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(dòng)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(jì)算所需的煞車壓力;

●計(jì)算多個(gè)感測(cè)與控制輸入端的資料，例如像同時(shí)量測(cè)汽車速度、加速度、相對(duì)車體/輪胎動(dòng)態(tài)與轉(zhuǎn)向角度，為主動(dòng)式氣壓懸吊控制系統(tǒng)計(jì)算出阻尼值;

●將資料與控制脈沖傳送到制動(dòng)器，例如像傳送可變作業(yè)L期PWM訊號(hào)，在適當(dāng)?shù)腖期內(nèi)開(kāi)啟與關(guān)閉燃油噴注器或點(diǎn)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(cè)模組或使用者顯示面板。

另一方面，DSC的CPU支援一套功能強(qiáng)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(yùn)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(diǎn)，這些對(duì)于任何DSC架構(gòu)而言都相當(dāng)重要。

■強(qiáng)化型CPU功能

16位元DSC最強(qiáng)悍的功能可能就是完備的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能。真正的DSC內(nèi)含兩個(gè)40位元累加器，能用來(lái)儲(chǔ)存兩次獨(dú)立16-bit 乘 16bit的乘法運(yùn)算結(jié)果。

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

裼40位元累加器取代32位元版本，讓資料能暫時(shí)呈現(xiàn)「溢滿」?fàn)顟B(tài)(在累加器中對(duì)大量數(shù)值進(jìn)行加總時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)這種狀況)。此外，DSC的CPU能透過(guò)一種名為飽和的機(jī)制將數(shù)值維持在允許的范圍，并在寫入至RAM時(shí)對(duì)資料進(jìn)行四撾迦牖蚪位的運(yùn)算。DSC(在MCU中通常沒(méi)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(diǎn)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(yùn)算。

除了上述功能外，還有各種能迅速移動(dòng)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)載的圈，很明顯可看出DSC提供一套功能完備但簡(jiǎn)單易用的CPU架構(gòu)。DSC適合用來(lái)處理或分析感測(cè)器資料;執(zhí)行各種制動(dòng)器控制作業(yè)有關(guān)的運(yùn)算以及監(jiān)控汽車系統(tǒng)的效能。