支援汽車(chē)設計的數位訊號控制器

多數汽車(chē)控制與監控的作業(yè)都需要進(jìn)行為數可觀(guān)的數學(xué)運算。理想的單晶片架構平臺能執行各式各樣的汽車(chē)功能，DSC是一套創(chuàng )新的混合式系統單晶片(SoC)架構，結合16位元MCU的各種控制功能以及眾多的DSP功能。

汽車(chē)設計已有相當長(cháng)遠的v史，從過(guò)去純粹的機械系統演變至現今的汽車(chē)，其內部經(jīng)常搭配數以百計的微處理控制器。在各國政府開(kāi)始執行汽車(chē)性能的管制法律，以控制像是排氣量與省油效率等汽車(chē)規格后，業(yè)界才開(kāi)始注重汽車(chē)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位邏輯元件負責。像在微處理控制器(MCU)這類(lèi)嵌入式處理器解決方案陸續問(wèn)市后，MCU的優(yōu)勢才逐漸顯現(就成本、彈性以及適應法規與標準的能力)，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(guò)程式控制后就能執行模組所要求的特定工作。

汽車(chē)設計運用各式各樣的MCU，包括從最簡(jiǎn)單的8位元MCU，支援像是控制雨刷與車(chē)門(mén)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，具備不同的運算性能、記憶體容量、功耗以及L邊元件功能。針對不同汽車(chē)子系統選擇適合的處理器，并妥善將處理效能分散至各個(gè)子系統，這對于汽車(chē)產(chǎn)品的效能、可靠度以及功能而言扮演著(zhù)相當重要的角色。

數位訊號控制器：最佳方案

大多數汽車(chē)控制與監控的作業(yè)都需要進(jìn)行為數可觀(guān)的數學(xué)運算。例如在引擎暖機期間，MCU會(huì )針對從空氣流量(MAF)感測器與引擎每分轉數(RPM)計數器所傳來(lái)的資料進(jìn)行取樣，并根據所量到的數據計算出每個(gè)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)的進(jìn)氣/燃油比值，而N代表氣缸的數量。

上述運算不僅包含精準的乘法與除法，且注入燃油的數量亦須不斷計算，以配合持續改變的引擎運轉狀態(tài)。因此，當排氣含氧(EGO)感測器準備好量測排氣的品質(zhì)時(shí)，就必須持續監控EGO感測器傳來(lái)的資料，以便調整燃油注入的速度，進(jìn)而獲得最佳的引擎效能，減少排氣。

其他密集運算的實(shí)例包括：

(1)使用有限脈沖響應(FIR)或無(wú)限脈沖響應(IIR)濾波器，針對來(lái)自各種感測器傳來(lái)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，持續監控燃油量。

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

(3)根據幅度對感測器輸入資料進(jìn)行縮放、正規化以及線(xiàn)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(jiǎn)化的引擎控制系統，這個(gè)系統是汽車(chē)中各種處理器執行作業(yè)的一部份。

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

這類(lèi)運算會(huì )用到處理器執行大量的高速數學(xué)計算，可能是8位元MCU或一般的16位元MCU架構，成本的考量讓昂貴的32位元MCU很難被業(yè)者衲傘Ｕ攵災馗蔥允學(xué)運算進(jìn)行最佳化的16位元數位訊號處理器(DSP)，適合用來(lái)執行這類(lèi)密集運算的作業(yè)。

但傳統DSP本身(沒(méi)有相關(guān)的MCU處理控制作業(yè))并不適合應用在像汽車(chē)系統這類(lèi)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;

●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相當依賴(lài)晶片外部記憶體與L邊元件;

●DSP很少有低腳數的版本，因此不適合應用在空間有限的模組。

理想的單晶片架構平臺能執行各式各樣的汽車(chē)功能，DSC是一套創(chuàng )新的混合式系統單晶片(SoC)架構，緊密結合16位元MCU的各種控制功能以及數量眾多的DSP功能。

另一方面，DSC架構特別適合應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(chē)輛速度與方向盤(pán)角度的樣本資料，為防鎖死煞車(chē)系統(ABS)計算所需的煞車(chē)壓力;

●計算多個(gè)感測與控制輸入端的資料，例如像同時(shí)量測汽車(chē)速度、加速度、相對車(chē)體/輪胎動(dòng)態(tài)與轉向角度，為主動(dòng)式氣壓懸吊控制系統計算出阻尼值;

●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，在適當的L期內開(kāi)啟與關(guān)閉燃油噴注器或點(diǎn)火電路;

●與分散式系統中的其他控制器模組分享資料，例如像各種子系統定期傳送狀態(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)行快速且精準的數據演算與邏輯運算。

DSC的重要功能

典型的DSC架構含有許多CPU與L邊元件特性，讓它適合應用在許多汽車(chē)系統。以下將介紹這些功能的最重要的優(yōu)點(diǎn)，這些對于任何DSC架構而言都相當重要。

■強化型CPU功能

16位元DSC最強悍的功能可能就是完備的數學(xué)運算功能。真正的DSC內含兩個(gè)40位元累加器，能用來(lái)儲存兩次獨立16-bit 乘 16bit的乘法運算結果。

大多數訊號處理演算法以及許多通用型數學(xué)運算都涉及到「乘積加總」的計算。像是MAC(乘法與累加)在內的特殊指令，能將兩個(gè)16位元數據相乘;將結果累加;從RAM預先擷取一對數據，這些步驟都在一個(gè)指令L期內完成。在使用兩個(gè)累加器時(shí)，系統能同時(shí)將資料寫(xiě)回其中一個(gè)累加器，并在另一個(gè)累加器上進(jìn)行運算。

裼40位元累加器取代32位元版本，讓資料能暫時(shí)呈現「溢滿(mǎn)」狀態(tài)(在累加器中對大量數值進(jìn)行加總時(shí)經(jīng)常出現這種狀況)。此外，DSC的CPU能透過(guò)一種名為飽和的機制將數值維持在允許的范圍，并在寫(xiě)入至RAM時(shí)對資料進(jìn)行四撾迦牖蚪位的運算。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點(diǎn)的格式，而不是永遠設定資料為整數型態(tài)，藉以協(xié)助小數數值的運算。

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)緩沖區與位元反轉的定址模式;零負載的圈，很明顯可看出DSC提供一套功能完備但簡(jiǎn)單易用的CPU架構。DSC適合用來(lái)處理或分析感測器資料;執行各種制動(dòng)器控制作業(yè)有關(guān)的運算以及監控汽車(chē)系統的效能。