一種高效實(shí)用的發(fā)動(dòng)機片上爆震檢測解決方案

爆震信號的采樣

Monaco的ADC支持高達1MHz的采樣頻率及8、 10或12位的采樣精度。本例選擇200K@12bit。Monaco上周期中斷定時(shí)器(PIT)的一個(gè)特性是：不僅能夠配置成周期中斷，還能夠配置成周期地直接觸發(fā)片上的EQADC。本例將PIT周期置為5us并觸發(fā)AD轉換，于是得到一個(gè)精確的200kHz的AD轉換觸發(fā)信號。

爆震只在特定角度窗內(TDC稍后的一段時(shí)間)才可能發(fā)生，故只需讓ADC在恰當的窗口內工作。這個(gè)窗口由eTPU產(chǎn)生。eTPU是一個(gè)獨立于內核以外的 RISC引擎，在Monaco中eTPU與32個(gè)定時(shí)通道緊密組合在一起，專(zhuān)注于復雜、高實(shí)時(shí)性的定時(shí)邏輯。其最重要的功能是根據輸入的曲軸和凸輪軸的脈沖信號來(lái)產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機工作的角度基準。這樣使EMS的控制算法可基于角度空間，eTPU還同時(shí)提供基于角度的噴油和點(diǎn)火控制功能。飛思卡爾提供了完備的 eTPU微碼和全面的庫函數以便用戶(hù)使用。其中包括爆震窗口的產(chǎn)生：在不同的發(fā)動(dòng)機轉速下對于不同的汽缸都能實(shí)時(shí)給出所期望的基于角度的窗口。

Monaco 片上外設間的聯(lián)動(dòng)邏輯允許ADC支持高級外部觸發(fā)模式。圖3描述了在MCU內部如何產(chǎn)生AD觸發(fā)信號及相關(guān)信號的波形。Monaco的EQADC集成了一個(gè)并行接口(PSI)，爆震數字信號可以通過(guò)PSI直接輸送到片上的硬件數字濾波器(Decimation Filter)。使用PSI的一個(gè)顯著(zhù)好處是：在濾波過(guò)程中不需要CPU的干預。

硬件數字濾波器

硬件數字濾波器的核心是硬件乘加器(MAC)。缺省輸入樣點(diǎn)的精度為16位。通過(guò)軟件可以將硬件數字濾波器設置成8階的有限沖擊相應濾波器(8th FIR)或4階的無(wú)限沖擊濾波器(4th IIR)。硬件數字濾波器有9個(gè)24位的系數寄存器，分別存放8個(gè)濾波器系數和1個(gè)常數項。MAC單元的累加結果精度達51位。在本例中我們將Decimation Filter設計為一個(gè)4th IIR低通濾波器，截止頻率為16kHz。硬件數字濾波器還支持對濾波后的信號亞采樣，亞采樣率從2:1到16:1。目的是降低后續CPU處理的負荷。在本例中選擇4:1，截止頻率為16kHz的信號用50k的樣點(diǎn)率就足夠了，不需要高到200k。

信號處理引擎

信號處理引擎(SPE)屬于內核的一部分，具有強大的數學(xué)運算能力。SPE具有各種靈活的乘法及乘加指令，并支持單指令多數據(SIMD)功能，在每個(gè)系統時(shí)鐘內能夠完成兩個(gè)32位的乘加運算(MAC)。飛思卡爾提供了完備的可供高層調用的DSP庫，包括常用的FFT，IIR和FIR運算。在對高級的爆震檢測應用中，往往采用FFT作更精細的頻域分析。在本例中使用6th IIR實(shí)現一個(gè)帶通 濾波器來(lái)提取爆震信號。該帶通濾波器的截止頻率設在9kHz和15kHz。最后的能量集成也由SPE來(lái)完成，這只涉及到加法運算和對結果的簡(jiǎn)單修正。整個(gè)爆震檢測的CPU所需的負荷小于3%。

需要指出的是，DMA在實(shí)現該爆震檢測的方案中起到兩個(gè)重要作用：負責將存在系統RAM中的EQADC的命令實(shí)時(shí)搬運到CFIFO中；將硬件數字濾波器低通處理后數據搬運到系統RAM中暫存，并在每個(gè)爆震窗口的數據搬運完后產(chǎn)生中斷。CPU在中斷服務(wù)程序中調用SPE的帶通濾波。

本文小結

飛思卡爾新一代面向中低端EMS應用的Monaco系列MCU集成了高效的片上爆震檢測能力。針對爆震控制的應用，Monaco系列不僅保留了經(jīng)典的 Power Architecture強大的數字信號處理能力，更深入優(yōu)化了片上的外設及相互間的聯(lián)動(dòng)邏輯。無(wú)論是較復雜的高級爆震算法還是較直接簡(jiǎn)單的爆震檢測都很適合在Monaco上實(shí)現。