數字信號控制器在汽車(chē)設計中的應用

簡(jiǎn)介

汽車(chē)設計從過(guò)去單純的機械式系統，到如今常常包含多達100個(gè)微處理器的現代汽車(chē)，已經(jīng)走過(guò)了很長(cháng)的歷程。傳統汽車(chē)上用到電子器件的部分僅僅是那些娛樂(lè )設施，最常見(jiàn)的是汽車(chē)收音機。直到有關(guān)諸如廢氣排放量和節油性等汽車(chē)各方面性能的政府規定出臺以后，對汽車(chē)功能的電子控制才開(kāi)始變得越來(lái)越普遍。最初，某些功能是依靠分立式硬件元件或數字邏輯執行的。隨著(zhù)單片機(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現，使用MCU來(lái)代替固定硬件的好處正逐步顯現，這是因為設計者可以對MCU進(jìn)行編程以執行模塊所要求的特定任務(wù)。汽車(chē)設計中大量采用了各種MCU，從用在轉動(dòng)擋風(fēng)玻璃雨刮器和開(kāi)門(mén)等功能的最簡(jiǎn)單的8位MCU到控制引擎的復雜32位MCU。這個(gè)范圍的中間是大量的16位MCU，它們本身在計算能力、存儲容量、功耗和外設特性方面也呈現出相當大的多樣性。為每個(gè)獨立的汽車(chē)子系統選擇合適的處理器，并在不同的子系統間合理地分配處理能力，對汽車(chē)產(chǎn)品的性能、可靠性和增強功能起著(zhù)至關(guān)重要的作用。

數字信號控制器：?jiǎn)纹瑱C和數字信號處理器領(lǐng)域的佼佼者

大多數汽車(chē)控制和監視操作都需要大量的數學(xué)運算。例如，在引擎預熱階段，空氣流量(MAF)傳感器和引擎轉速計(以每分鐘轉數(RPM)表示)的輸出數據會(huì )被MCU采樣，然后需要根據測得的數值，計算出要求噴射到每個(gè)汽缸的燃油量，公式如下：

F = MAF / (K*N*RPM/120)

其中，K是給定潤滑劑溫度下的理想(常數)空氣-燃油比，N是汽缸的數量。

上面的計算不僅涉及精確的乘法和除法，還必須對要射入的燃油量進(jìn)行重復計算以適應快速變化的引擎工作條件。因此，當廢氣含氧量(EGO)傳感器已預熱充分，能夠測量廢氣的質(zhì)量時(shí)，必須持續監視EGO傳感器的輸出數據，以調節燃油噴射速率，從而獲得最佳的引擎性能并減少廢氣的排放量。

計算密集型操作的其他實(shí)例還有：

a)對來(lái)自各種傳感器的數據進(jìn)行有限沖激響應(FIR)或無(wú)限沖激響應(IIR)濾波，以消除噪聲。應用實(shí)例：引擎爆震檢測、熄火檢測或在持續監視燃油液位時(shí)消除油料晃動(dòng)的影響。

b)進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)對數據進(jìn)行分析，以在后續的處理階段使用頻譜。應用實(shí)例：主動(dòng)振動(dòng)控制或排氣噪聲消除。

c)根據傳感器輸入數據的數量級，對其進(jìn)行定標，以及歸一化和線(xiàn)性化處理。

d)比例-積分(PI)或比例-積分-微分(PID)控制算法。應用實(shí)例：導航控制。

圖1描繪了一個(gè)簡(jiǎn)化的引擎控制系統，它本身就是汽車(chē)中各種處理器所執行任務(wù)的一部分。

車(chē)廂噪聲消除、引擎爆震檢測及防翻滾和穩定性控制等舒適、診斷和安全功能都需要更強的信號處理能力，這就要求使用自適應濾波等數學(xué)密集型算法。

進(jìn)行這樣的計算要求所使用的處理器具有非常高速的數學(xué)運算功能。8位的MCU或一般的16位MCU架構完全不具備這樣的功能，而對成本的考慮又常常會(huì )使昂貴的32位MCU無(wú)法在這樣的場(chǎng)合得到使用。一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對重復性數學(xué)處理進(jìn)行優(yōu)化的特殊處理器架構--16位數字信號處理器(DSP)可用來(lái)執行這樣的密集型任務(wù)。

但就DSP本身(沒(méi)有處理控制任務(wù)的相關(guān)MCU)來(lái)說(shuō)，它并不是非常適合在汽車(chē)系統等動(dòng)態(tài)環(huán)境中使用。主要有以下幾個(gè)原因：

a)DSP不具有靈活的中斷結構。

b)DSP無(wú)法對位(如各個(gè)I/O引腳的狀態(tài))進(jìn)行十分高效的操作。

c)DSP在很大程度上需要依賴(lài)片外存儲器和外設。

d)很少有低引腳數的DSP器件，因而不適合在空間受限的模塊中使用。

因此，可執行大量汽車(chē)功能的理想單芯片架構平臺將是16位數字信號控制器(DSC)，比如Microchip的dsPIC30F系列器件。DSC是一款創(chuàng )新的混合型片上系統(SoC)架構，它無(wú)縫地組合了16位MCU的控制特性和大量的DSP功能。

一方面，DSC架構尤其適合類(lèi)似于下述的典型控制操作：

a)定期提供中斷服務(wù)，例如，獲取對汽車(chē)速度和轉向角度的定期采樣以計算防抱死制動(dòng)系統(ABS)所需的制動(dòng)壓力。

b)從多個(gè)傳感器和控制輸入捕捉數據，例如，同時(shí)測量汽車(chē)速度、加速度、車(chē)身和車(chē)輪的相對運動(dòng)，以及轉向角度，從而確定主動(dòng)懸架控制系統的制動(dòng)水平。

c)向執行機構發(fā)送數據和控制脈沖，例如，發(fā)送占空比可變的PWM信號以合適的周期開(kāi)關(guān)燃油噴射器或點(diǎn)火電路。

d)與分布式系統中的其他控制器模塊共享數據，例如，各種子系統周期性地發(fā)送狀態(tài)數據到診斷模塊或用戶(hù)顯示面板。

另一方面，DSC的CPU支持功能強大的一套DSP指令和靈活的尋址模式，因此能快速完成一系列精確的算術(shù)與邏輯運算。

DSC的主要特性

典型的DSC架構具備一些CPU和外設的特性，因而適用于眾多汽車(chē)應用。在這一部分，我們將探討這些特性中最具優(yōu)勢的特性，它們是考慮使用DSC架構時(shí)，最令人關(guān)注的特性。

增強的CPU功能

16位DSC最強有力的功能可能就要屬其強大的數學(xué)處理能力。一個(gè)真正的DSC包含兩個(gè)40位累加器，可用來(lái)存儲兩個(gè)獨立的16位×16位乘法運算的結果。

大多數信號處理算法以及許多一般數學(xué)計算，都包含有動(dòng)態(tài)乘積和的計算。諸如MAC(乘-累加)等特殊指令能夠在一個(gè)指令周期內，求得兩個(gè)16位數的乘積，將結果添加到累加器，然后從RAM預取一對數據值。因為有兩個(gè)累加器，這種架構還能在回寫(xiě)數據到一個(gè)累加器的同時(shí)在另一個(gè)累加器中執行計算。

40位寬的累加器允許數據暫時(shí)溢出(當在累加器中累加大量數值時(shí)，這種情況時(shí)有發(fā)生！)。此外，DSC的CPU還可選擇將值保持在一個(gè)允許的范圍內，這個(gè)范圍由一種稱(chēng)為飽和的機制確定，在回寫(xiě)數據到RAM時(shí)，這種機制還將對數據進(jìn)行舍入和調整。DSC還擁有MCU通常不具備的特性，那就是DSC有能力解析小數形式的數據而不總是將數據看作整數，這一特性有助于小數的算術(shù)運算。

除了上述特性以外，DSC架構還具有多種數據尋址模式，能夠有效地傳送數據、支持循環(huán)緩沖區和位反轉尋址，以及零開(kāi)銷(xiāo)循環(huán)。很明顯，DSC提供了一款非常有效且用戶(hù)友好的CPU架構。DSC是處理和分析傳感器數據、執行與控制各種執行機構相關(guān)的計算以及監視汽車(chē)系統性能的理想之選。

靈活的中斷結構

DSC架構的中斷結構具有極高的靈活性。通常，支持大量的可獨立選擇和設定優(yōu)先級的中斷源和向量(對于包含多個(gè)傳感器和執行機構的應用非常有用！)。中斷延時(shí)具有高度的確定性，便于系統開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行設計。

運行時(shí)自編程(RTSP)

大多數汽車(chē)應用需要對常量進(jìn)行存儲，這些常量可用于根據環(huán)境條件、傳感器的種類(lèi)和預先測得的偏移量校準傳感器的輸出數據。后處理算法也會(huì )使用到常量，比如濾波系數、活塞尺寸和目標空氣-燃油比等預先確定的系統特性參數，以及誤差門(mén)限值。若在RAM中存儲這些常量會(huì )浪費數據存儲器的容量。DSC器件通常有閃存程序存儲器和閃存數據EEPROM，這些存儲器可用來(lái)可靠而高效地存儲和訪(fǎng)問(wèn)這些常量。在具有閃存的DSC中，用戶(hù)程序甚至可以根據環(huán)境、數據或工作條件的變化實(shí)時(shí)修改這些常量。在許多系統中，還有可能使用控制器局域網(wǎng)(CAN)等串行通信通道，使用自舉程序算法來(lái)重新編寫(xiě)代碼段或常量。

在線(xiàn)串行編程(ICSP)

閃存DSC允許用戶(hù)使用一種稱(chēng)為在線(xiàn)串行編程(In-Circuit Serial Programming?)的方法在現場(chǎng)方便地升級應用程序固件。這允許在不同的汽車(chē)子系統和不同的工作/環(huán)境條件下重復使用同一個(gè)控制器，此外還允許修正軟件漏洞、校準傳感器，以及在保證開(kāi)銷(xiāo)和延時(shí)最少的情況下，使功能得到增強。

高分辨率模數轉換器(ADC)

傳感器在許多汽車(chē)子系統中的廣泛使用促使具有足夠速度和分辨率的片上ADC成為迫切需要，以便允許對輸入量的快速微小變化進(jìn)行測量。在閉環(huán)工作中尤其重要，比如要采樣進(jìn)氣歧管壓力以確定點(diǎn)火的精確時(shí)機，從而產(chǎn)生最佳的轉矩。分辨率小于12位或非線(xiàn)性誤差大于1個(gè)最低有效位(LSB)的ADC無(wú)法滿(mǎn)足多數汽車(chē)功能的需要。在某些子系統中，采樣速度是考慮的重點(diǎn)，尤其是在氣囊控制等對安全要求嚴格的功能中。在其他情況下，主要考慮的可能是同時(shí)測量不同物理量的能力。例如，主動(dòng)懸架系統可能需要同時(shí)獲取對汽車(chē)速度、加速度、車(chē)身/車(chē)輪相對運動(dòng)和轉向角度的采樣。應根據模塊所需的ADC功能選擇合適的DSC器件。

脈寬調制(PWM)

汽車(chē)系統中使用的一些閥門(mén)和執行機構由占空比可變的脈沖控制。PWM控制功能的兩個(gè)常見(jiàn)實(shí)例為：燃油噴射閥，該閥門(mén)會(huì )在脈沖有效時(shí)開(kāi)啟以控制噴射到汽缸中的燃油量；以及點(diǎn)火發(fā)生器，當脈沖下降為低電壓電平時(shí)，產(chǎn)生火花。DSC支持自動(dòng)產(chǎn)生具有指定波形和極性的PWM信號。動(dòng)力轉向、自動(dòng)變速器和空調等子系統均包含復雜的電機控制算法。有些DSC具備多種片內外設來(lái)支持此類(lèi)高級PWM算法。

正交編碼器接口(QEI)

精確而快速地測量汽車(chē)以及其中的各種機械構件的速度和位置對于有效控制汽車(chē)運行的許多方面非常重要。例如，防碰撞系統需要測量速度和加速度。通常選擇正交編碼器(如光電編碼器)作為這一測量的傳感器。有些DSC包含內部正交編碼器接口，能夠在軟件開(kāi)銷(xiāo)最少的情況下有效解碼正交編碼器產(chǎn)生的信號。

控制器局域網(wǎng)(CAN)

由于一輛汽車(chē)包含許多處理器來(lái)執行各種各樣的功能，因此為了共享傳感器和控制信息，不同子系統之間有效而可靠的通信就非常重要。模塊之間相互通信的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不需要用多個(gè)傳感器對同一個(gè)物理量進(jìn)行重復測量，此外還能在系統級進(jìn)行有效的監視和診斷。例如，電池監視的功能，MCU不僅需要不時(shí)地測量電池的電壓，還要將控制信號發(fā)送給各種其他模塊以控制它們的開(kāi)關(guān)，從而優(yōu)化電池的使用并確保汽車(chē)啟動(dòng)。CAN總線(xiàn)標準在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的通信標準中處于重要地位。許多DSC包含一個(gè)或多個(gè)片內CAN控制器，使之自然而然地成為了應用在汽車(chē)設計中的不二選擇。在汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )中使用DSC，借助軟件對高層協(xié)議(如，符合OSEK標準的實(shí)時(shí)操作系統和CAN應用層實(shí)現方案)的支持，還可實(shí)現其他額外功能。

典型應用

下面列出了數字信號控制器在汽車(chē)中的典型應用。

電子動(dòng)力轉向

電子離合器和變速箱控制

防翻滾和穩定性控制

車(chē)廂噪聲消除

高級電池監視系統

氣囊控制

點(diǎn)火控制

泊車(chē)傳感器

燃油壓力傳感器

溫度控制

引擎爆震檢測

引擎熄火檢測

自適應導航控制

燃料電池

車(chē)內娛樂(lè )設施

車(chē)載免提電話(huà)套件

基于人體生物學(xué)的無(wú)鑰門(mén)禁

結論

隨著(zhù)汽車(chē)系統對功能性、連通性和數學(xué)運算能力的要求越來(lái)越高，如Microchip dsPIC30F系列等16位數字信號控制器將是用在許多汽車(chē)子系統中的處理器架構的理想之選。越來(lái)越多的新穎而強大的功能，包括新興的混合動(dòng)力(Hybrid)技術(shù)和燃料電池技術(shù)，正快速引入到汽車(chē)設計領(lǐng)域中。這進(jìn)一步加深了對DSC所具有的功能和多樣性的需求。OSEK、基于CAN的協(xié)議棧、TCP/IP以及預先打包的DSP算法等軟件工具的存在將進(jìn)一步推進(jìn)此類(lèi)架構在大量汽車(chē)應用中的使用。