直流調速系統的SIMULINK仿真

　　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。