支援汽车设计的数位讯号控制器

多数汽车控制与监控的作业都需要进行为数可观的数学运算。理想的单晶片架构平台能执行各式各样的汽车功能，DSC是一套创新的混合式系统单晶片(SoC)架构，结合16位元MCU的各种控制功能以及众多的DSP功能。

汽车设计已有相当长远的v史，从过去纯粹的机械系统演变至现今的汽车，其内部经常搭配数以百计的微处理控制器。在各国政府开始执行汽车性能的管制法律，以控制像是排气量与省油效率等汽车规格后，业界才开始注重汽车的电子控制功能。以往这些功能都是由独立的硬体元件或数位逻辑元件负责。像在微处理控制器(MCU)这类嵌入式处理器解决方案陆续问市后，MCU的优势才逐渐显现(就成本、弹性以及适应法规与标准的能力)，促使业者用MCU取代固定功能的硬体元件，因为MCU在经过程式控制后就能执行模组所要求的特定工作。

汽车设计运用各式各样的MCU，包括从最简单的8位元MCU，支援像是控制雨刷与车门的功能;一直到用来控制引擎的32位元精密型MCU。中阶产品包括像16位元MCU，具备不同的运算性能、记忆体容量、功耗以及L边元件功能。针对不同汽车子系统选择适合的处理器，并妥善将处理效能分散至各个子系统，这对于汽车产品的效能、可靠度以及功能而言扮演着相当重要的角色。

数位讯号控制器：最佳方案

大多数汽车控制与监控的作业都需要进行为数可观的数学运算。例如在引擎暖机期间，MCU会针对从空气流量(MAF)感测器与引擎每分转数(RPM)计数器所传来的资料进行取样，并根据所量到的数据计算出每个气缸需要注入的油量，其计算公式如下：F=MAF/(K×N×RPM/120)其中K是特定冷却剂温度所需要(常数)的进气/燃油比值，而N代表气缸的数量。

上述运算不仅包含精准的乘法与除法，且注入燃油的数量亦须不断计算，以配合持续改变的引擎运转状态。因此，当排气含氧(EGO)感测器准备好量测排气的品质时，就必须持续监控EGO感测器传来的资料，以便调整燃油注入的速度，进而获得最佳的引擎效能，减少排气。

其他密集运算的实例包括：

(1)使用有限脉冲响应(FIR)或无限脉冲响应(IIR)滤波器，针对来自各种感测器传来的资料去除其中的杂讯，例如引擎敲击侦测、引擎熄火(misfire)侦测或降低燃油喷溅的效应，持续监控燃油量。

(2)分析资料时进行的高速傅立叶转换(FFT)运算，在进一步处理的阶段中能使用频谱，例如像主动式震动控制或排气噪音消除等。

(3)根据幅度对感测器输入资料进行缩放、正规化以及线性化的处理。

(4)比例积分(PI)或比例积分微分(PID)控制演算法，例如像导航控制所需的运算。

图一　简化的引擎控制系统，这个系统是汽车中各种处理器执行作业的一部份。

包括座舱噪音消除、引擎敲击侦测以及晃动与稳定控制在内的舒适/侦测/安全功能需要更繁复的讯号处理作业，运用像是调适性过滤在内的密集运算演算法。

这类运算会用到处理器执行大量的高速数学计算，可能是8位元MCU或一般的16位元MCU架构，成本的考量让昂贵的32位元MCU很难被业者衲伞Ｕ攵灾馗葱允学运算进行最佳化的16位元数位讯号处理器(DSP)，适合用来执行这类密集运算的作业。

但传统DSP本身(没有相关的MCU处理控制作业)并不适合应用在像汽车系统这类动态环境，主要有四个原因：

●DSP没有弹性化的中断架构;

●DSP在位元资料的处理上效率不是最高，例如像个别I/O针脚的状态;

●DSP相当依赖晶片外部记忆体与L边元件;

●DSP很少有低脚数的版本，因此不适合应用在空间有限的模组。

理想的单晶片架构平台能执行各式各样的汽车功能，DSC是一套创新的混合式系统单晶片(SoC)架构，紧密结合16位元MCU的各种控制功能以及数量众多的DSP功能。

另一方面，DSC架构特别适合应用在各种典型控制作业，例如：

●定期启动的中断，例如像定期撷取车辆速度与方向盘角度的样本资料，为防锁死煞车系统(ABS)计算所需的煞车压力;

●计算多个感测与控制输入端的资料，例如像同时量测汽车速度、加速度、相对车体/轮胎动态与转向角度，为主动式气压悬吊控制系统计算出阻尼值;

●将资料与控制脉冲传送到制动器，例如像传送可变作业L期PWM讯号，在适当的L期内开启与关闭燃油喷注器或点火电路;

●与分散式系统中的其他控制器模组分享资料，例如像各种子系统定期传送状态资料到侦测模组或使用者显示面板。

另一方面，DSC的CPU支援一套功能强大的DSP指令与弹性定址模组，故能进行快速且精准的数据演算与逻辑运算。

DSC的重要功能

典型的DSC架构含有许多CPU与L边元件特性，让它适合应用在许多汽车系统。以下将介绍这些功能的最重要的优点，这些对于任何DSC架构而言都相当重要。

■强化型CPU功能

16位元DSC最强悍的功能可能就是完备的数学运算功能。真正的DSC内含两个40位元累加器，能用来储存两次独立16-bit 乘 16bit的乘法运算结果。

大多数讯号处理演算法以及许多通用型数学运算都涉及到「乘积加总」的计算。像是MAC(乘法与累加)在内的特殊指令，能将两个16位元数据相乘;将结果累加;从RAM预先撷取一对数据，这些步骤都在一个指令L期内完成。在使用两个累加器时，系统能同时将资料写回其中一个累加器，并在另一个累加器上进行运算。

裼40位元累加器取代32位元版本，让资料能暂时呈现「溢满」状态(在累加器中对大量数值进行加总时经常出现这种状况)。此外，DSC的CPU能透过一种名为饱和的机制将数值维持在允许的范围，并在写入至RAM时对资料进行四挝迦牖蚪位的运算。DSC(在MCU中通常没有这种元件)的另一种特性是能将资料解译成含有小数点的格式，而不是永远设定资料为整数型态，藉以协助小数数值的运算。

除了上述功能外，还有各种能迅速移动资料的资料定址模式;支援循环缓冲区与位元反转的定址模式;零负载的圈，很明显可看出DSC提供一套功能完备但简单易用的CPU架构。DSC适合用来处理或分析感测器资料;执行各种制动器控制作业有关的运算以及监控汽车系统的效能。