AURIX? TC4x CDSP介紹及應用

引言

英飛凌微AURIX? TC4x控制器中的CDSP-Converter Digital Signal Processor是一種專(zhuān)門(mén)設計用于實(shí)現高性能可編程的數字信號處理和控制單元。其核心是Synopsys DesignWare ^? ARC ^? EM5D(ARC) 32位的處理器。CDSP用于進(jìn)行后處理來(lái)自Delta-Sigma ADC(DSADC)、外部調制器(EXMOD)、時(shí)分復用ADC(TMADC)、載波模式幅度(CARMAG)或通用寄存器(GP)的信號等等。CDSP模塊提供了豐富的ARC核CPU指令集，支持多種算法和數據類(lèi)型，包括浮點(diǎn)數、定點(diǎn)數、復數等，因此可以廣泛應用于音頻、視頻、通信等數字信號處理領(lǐng)域。

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CDSP架構簡(jiǎn)介

圖1 TC4x微控制器示意圖

圖1 TC4x微控制器示意，其中，CDSP位于A(yíng)DC模塊中可通過(guò)LLI低延時(shí)總線(xiàn)，快速實(shí)現與PPU的數據交換和通信；也可通過(guò)CPB轉換器外設總線(xiàn)通信能夠同時(shí)傳輸多個(gè)數據位，以提高數據傳輸速度和效率。

CDSP核心架構主要模塊及功能如下：

核架構： 新思科技 ARC v2 DSP Core EM5D

• 采用哈佛結構的處理器，具有級精簡(jiǎn)指令集計算（RISC）三級流水線(xiàn)技術(shù)

• 一個(gè)32x32的單周期乘-累加（MAC）單元，用于高效的數字信號處理

• 1個(gè)主端口，用于獲取模數轉換器（ADC）的結果，并將結果寫(xiě)入結果先進(jìn)先出（FIFO）緩沖區

• 具有2個(gè)從接口，用于外部主設備訪(fǎng)問(wèn)指令和數據存儲器

• 具有3KB的指令緩存ICCM和3KB的數據緩存DCCM

• 指令集架構專(zhuān)注于數字信號處理

• 時(shí)鐘頻率為160Mhz

獨立的處理器輸入接口

• DSADC內部結果寄存器

• EXMOD內部結果寄存器

• DSADC載波發(fā)生器的載波幅度值（CARMAG）

• TMADC內部結果寄存器

• 4個(gè)通用寄存器

• 通過(guò)FPI總線(xiàn)系統對程序RAM和數據RAM進(jìn)行寫(xiě)訪(fǎng)問(wèn)

每個(gè)處理器的輸出接口

• 主結果輸出寄存器（RES0），帶有深度為4的FIFO

• 2個(gè)輔助結果寄存器

• 通過(guò)FPI總線(xiàn)系統對數據RAM進(jìn)行讀訪(fǎng)問(wèn)

事件信號（服務(wù)請求生成）

• 結果生成（在FIFO模式下，根據FIFO填充級別進(jìn)行配置）

• 時(shí)間戳生成

• 限制檢查條件（信號在范圍內或范圍外）

• 處理器狀態(tài)（處理器喚醒錯誤，系統已停止）

  等等，詳細信息參閱使用手冊。

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CDSP特性及性能

CDSP的工作頻率：160 MHz

算力：18 x CDSP: 18 x 289 DMIPS（兩個(gè)CDSP核相當于一個(gè)Trcore核算力）

CDSP通常處理來(lái)自DSADC、EXMOD、TMADC、GP、CARMAG等的輸入信號，軟件實(shí)現不僅TC2x/TC3x 的硬件濾波功能，還可以靈活的實(shí)現其濾波算法，如圖2所示：

圖2 濾波功能TC2x/3x硬件實(shí)現到TC4x CDSP軟件實(shí)現

用戶(hù)可以通過(guò)英飛凌CDSP自行編程實(shí)現FIR，IIR，DA，MAT，龍伯格觀(guān)測器等等濾波算法。

英飛凌同時(shí)提供相應商用庫文件濾波功能。例如：快速傅里葉轉換FFT，龍伯格觀(guān)測器Luenberger Observer，多通道平均multi-channelaveraging等等功能。

圖3 模型開(kāi)發(fā)中支持的工具鏈

Simulink模型支持。英飛凌提供軟件例程，用戶(hù)可通過(guò)MATLAB模型實(shí)現軟件代碼及算法的生成、從而快速部署，大大簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)難度和加快用戶(hù)的開(kāi)發(fā)速度。參考示意圖3：

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CDSP safety

硬件安全概念主要依賴(lài)于冗余性。在安全設計中，冗余性是一種重要的機制，用于提高系統的可靠性和安全性。

CDSP軟件是硬件功能安全案例的一部分，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的功能安全計劃。

CDSP針對ASIL-D級別的流程認證和功能認證（硬件+軟件），其中包括時(shí)序要求。

TC4x MCAL符合ASPICE版本3.1的ASPICE L3流程認證，符合ISO 26262第2版、ISO 21434和MISRA標準。

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CDSP應用場(chǎng)景

兼容傳統內燃機應用，數字濾波器模塊配置用于爆震檢測：

• 爆震傳感器的輸出電壓由內部DS調制器轉換為比特流信號。

• 比特流連接到具有SW濾波器鏈的三個(gè)CDSP，由此每個(gè)實(shí)例被配置有相應的帶通特性（fB1、fB2、fB3）。

• 基于數字濾波器鏈內部整流器和積分器功能，計算每個(gè)帶寬（fB1、fB2、fB3）的爆震強度。其系統框架圖參考示意圖4：

圖4 CDSP實(shí)現爆震檢測

xEV Inverter應用中，CDSP實(shí)現平均電流檢測和龍伯格觀(guān)測器，實(shí)現高效低成本的旋變解碼功能。通過(guò)3路DSADC通道測量，CDSP軟件后處理實(shí)現電機平均電流測量；使用2路DSADC通道測量，輸入CDSP，實(shí)現Luenberger觀(guān)測器計算速度和位置信息。Luenberger觀(guān)測器能夠提供精確角度信息，能夠支持更高的電機轉速，提高效率降低成本。其系統框架圖參考示意圖5：

圖5 CDSP實(shí)現平均電流檢測和龍伯格觀(guān)測器架構示意圖

適用于<1kW的小型電機的無(wú)傳感器電機控制：DSADC和CDSP實(shí)現的FFT快速傅里葉變換，實(shí)現無(wú)傳感器的電機閉環(huán)控制，保證精度和效率的同時(shí)有效降低開(kāi)發(fā)難度和減少物料成本。其系統框架圖參考示意圖6：

圖6 無(wú)傳感器電機控制示意圖

圖7 基于人工智能CDSP的新音頻應用

CDSP基于軟件和人工智能的新音頻應用提供了可能性：這包括音頻處理、識別和增強功能等領(lǐng)域。例如：硅麥采集到聲音信息，通過(guò)TC4x外部調制器EXMOD輸入CDSP進(jìn)行后處理。最后通過(guò)LLI低延時(shí)總線(xiàn)，提供給PPU進(jìn)行計算，從而快速實(shí)現AI算法。其系統框架圖參考示意圖7：

CDSP在A(yíng)DAS應用中用于電壓監測和濾波。來(lái)自ADC采集電壓數據，CDSP能夠快速、高效、靈活的進(jìn)行后處理。

靈活的過(guò)濾器解決方案（CDSP軟件庫實(shí)現），覆蓋多種應用。更多應用，讓我們攜手共同研究探索。

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總結

與前幾代相比，圖8所示，TC4x CDSP具有革命性的解決方案,它不僅僅兼容TC2x/TC3x 的傳統濾波應用，還開(kāi)啟了新的混合信號應用新篇章：

圖8 TC4x CDSP靈活的濾波應用

截至目前，CDSP涵蓋了內燃機和xEV的所有應用。

研發(fā)人員通過(guò)英飛凌CDSP軟件庫，可以靈活的配置濾波參數進(jìn)行快速高效的系統原型設計，以適應客戶(hù)應用。

CDSP同PPU結合應用，高效解決AI人工智能算法。

CDSP結合處理ADC信號，加速ADAS的處理速度和效率。

這些應用只是開(kāi)始，CDSP還有更多潛在的應用等待您的發(fā)掘……敬請期待！

參考

[1]AURIX_TC4Dx_UM_v0.74_DRAFT_2024-02-08.pdf

[2]AURIX_TC49x-N_UM_v0.71_DRAFT_2024-02-29.pdf

[3]TriCore_TC1.8_architecture_manual_volume_1.pdf

[4]TriCore_TC1.8_architecture_manual_volume_2.pdf.

[5]https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AURIX_TC4x-ProductBrochure-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8eeb092c018eed7720b614e9

[6]https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Infineon_High_voltage_traction_inverter_presentation-Presentations-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8afe5bd0018b291672a47e70