簡介

　　汽車設計從過去單純的機械式系統(tǒng)，到如今常常包含多達100個微處理器的現(xiàn)代汽車，已經(jīng)走過了很長的歷程。傳統(tǒng)汽車上用到電子器件的部分僅僅是那些娛樂設施，最常見的是汽車收音機。直到有關(guān)諸如廢氣排放量和節(jié)油性等汽車各方面性能的政府規(guī)定出臺以后，對汽車功能的電子控制才開始變得越來越普遍。最初，某些功能是依靠分立式硬件元件或數(shù)字邏輯執(zhí)行的。隨著單片機(MCU)等嵌入式處理器解決方案的出現(xiàn)，使用MCU來代替固定硬件的好處正逐步顯現(xiàn)，這是因為設計者可以對MCU進行編程以執(zhí)行模塊所要求的特定任務。汽車設計中大量采用了各種MCU，從用在轉(zhuǎn)動擋風玻璃雨刮器和開門等功能的最簡單的8位MCU到控制引擎的復雜32位MCU。這個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(xiàn)出相當大的多樣性。為每個獨立的汽車子系統(tǒng)選擇合適的處理器，并在不同的子系統(tǒng)間合理地分配處理能力，對汽車產(chǎn)品的性能、可靠性和增強功能起著至關(guān)重要的作用。

　　數(shù)字信號控制器：單片機和數(shù)字信號處理器領域的佼佼者

　　大多數(shù)汽車控制和監(jiān)視操作都需要大量的數(shù)學運算。例如，在引擎預熱階段，空氣流量(MAF)傳感器和引擎轉(zhuǎn)速計(以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)表示)的輸出數(shù)據(jù)會被MCU采樣，然后需要根據(jù)測得的數(shù)值，計算出要求噴射到每個汽缸的燃油量，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(shù))空氣-燃油比，N是汽缸的數(shù)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，必須持續(xù)監(jiān)視EGO傳感器的輸出數(shù)據(jù)，以調(diào)節(jié)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例還有：

　　a)對來自各種傳感器的數(shù)據(jù)進行有限沖激響應(FIR)或無限沖激響應(IIR)濾波，以消除噪聲。應用實例：引擎爆震檢測、熄火檢測或在持續(xù)監(jiān)視燃油液位時消除油料晃動的影響。

　　b)進行快速傅立葉變換(FFT)對數(shù)據(jù)進行分析，以在后續(xù)的處理階段使用頻譜。應用實例：主動振動控制或排氣噪聲消除。

　　c)根據(jù)傳感器輸入數(shù)據(jù)的數(shù)量級，對其進行定標，以及歸一化和線性化處理。

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

　　圖1描繪了一個簡化的引擎控制系統(tǒng)，它本身就是汽車中各種處理器所執(zhí)行任務的一部分。

　　車廂噪聲消除、引擎爆震檢測及防翻滾和穩(wěn)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(shù)學密集型算法。

　　進行這樣的計算要求所使用的處理器具有非常高速的數(shù)學運算功能。8位的MCU或一般的16位MCU架構(gòu)完全不具備這樣的功能，而對成本的考慮又常常會使昂貴的32位MCU無法在這樣的場合得到使用。一個專門針對重復性數(shù)學處理進行優(yōu)化的特殊處理器架構(gòu)——16位數(shù)字信號處理器(DSP)可用來執(zhí)行這樣的密集型任務。

　　但就DSP本身(沒有處理控制任務的相關(guān)MCU)來說，它并不是非常適合在汽車系統(tǒng)等動態(tài)環(huán)境中使用。主要有以下幾個原因：

　　a)DSP不具有靈活的中斷結(jié)構(gòu)。

　　b)DSP無法對位(如各個I/O引腳的狀態(tài))進行十分高效的操作。

　　c)DSP在很大程度上需要依賴片外存儲器和外設。

　　d)很少有低引腳數(shù)的DSP器件，因而不適合在空間受限的模塊中使用。

　　因此，可執(zhí)行大量汽車功能的理想單芯片架構(gòu)平臺將是16位數(shù)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(tǒng)”(SoC)架構(gòu)，它無縫地組合了16位MCU的控制特性和大量的DSP功能。

　　一方面，DSC架構(gòu)尤其適合類似于下述的典型控制操作：

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

　　b)從多個傳感器和控制輸入捕捉數(shù)據(jù)，例如，同時測量汽車速度、加速度、車身和車輪的相對運動，以及轉(zhuǎn)向角度，從而確定主動懸架控制系統(tǒng)的制動水平。

　　c)向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)送數(shù)據(jù)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關(guān)燃油噴射器或點火電路。

　　d)與分布式系統(tǒng)中的其他控制器模塊共享數(shù)據(jù)，例如，各種子系統(tǒng)周期性地發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)到診斷模塊或用戶顯示面板。

　　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(gòu)具備一些CPU和外設的特性，因而適用于眾多汽車應用。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(gòu)時，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(shù)學處理能力。一個真正的DSC包含兩個40位累加器，可用來存儲兩個獨立的16位×16位乘法運算的結(jié)果。

　　大多數(shù)信號處理算法以及許多一般數(shù)學計算，都包含有動態(tài)乘積和的計算。諸如MAC(乘-累加)等特殊指令能夠在一個指令周期內(nèi)，求得兩個16位數(shù)的乘積，將結(jié)果添加到累加器，然后從RAM預取一對數(shù)據(jù)值。因為有兩個累加器，這種架構(gòu)還能在回寫數(shù)據(jù)到一個累加器的同時在另一個累加器中執(zhí)行計算。

　　40位寬的累加器允許數(shù)據(jù)暫時溢出(當在累加器中累加大量數(shù)值時，這種情況時有發(fā)生！)。此外，DSC的CPU還可選擇將值保持在一個允許的范圍內(nèi)，這個范圍由一種稱為飽和的機制確定，在回寫數(shù)據(jù)到RAM時，這種機制還將對數(shù)據(jù)進行舍入和調(diào)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(shù)形式的數(shù)據(jù)而不總是將數(shù)據(jù)看作整數(shù)，這一特性有助于小數(shù)的算術(shù)運算。

　　除了上述特性以外，DSC架構(gòu)還具有多種數(shù)據(jù)尋址模式，能夠有效地傳送數(shù)據(jù)、支持循環(huán)緩沖區(qū)和位反轉(zhuǎn)尋址，以及零開銷循環(huán)。很明顯，DSC提供了一款非常有效且用戶友好的CPU架構(gòu)。DSC是處理和分析傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行與控制各種執(zhí)行機構(gòu)相關(guān)的計算以及監(jiān)視汽車系統(tǒng)性能的理想之選。