數(shù)字信號(hào)控制器在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

數(shù)字信號(hào)控制器在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用簡介汽車設(shè)計(jì)從過去單純的機(jī)械式系統(tǒng)，到如今常常包含多達(dá)100個(gè)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(shè)施，最常見的是汽車收音機(jī)。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(tái)以后，對(duì)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(jī)(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?yàn)樵O(shè)計(jì)者可以對(duì)MCU進(jìn)行編程以執(zhí)行模塊所要求的特定任務(wù)。汽車設(shè)計(jì)中大量采用了各種MCU，從用在轉(zhuǎn)動(dòng)擋風(fēng)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(fù)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(jì)算能力、存儲(chǔ)容量、功耗和外設(shè)特性方面也呈現(xiàn)出相當(dāng)大的多樣性。為每個(gè)獨(dú)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(duì)汽車產(chǎn)品的性能、可靠性和增強(qiáng)功能起著至關(guān)重要的作用。數(shù)字信號(hào)控制器：單片機(jī)和數(shù)字信號(hào)處理器領(lǐng)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(xué)運(yùn)算。例如，在引擎預(yù)熱階段，空氣流量(MAF)傳感器和引擎轉(zhuǎn)速計(jì)(以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(RPM)表示)的輸出數(shù)據(jù)會(huì)被MCU采樣，然后需要根據(jù)測得的數(shù)值，計(jì)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(shù))空氣-燃油比，N是汽缸的數(shù)量。上面的計(jì)算不僅涉及精確的乘法和除法，還必須對(duì)要射入的燃油量進(jìn)行重復(fù)計(jì)算以適應(yīng)快速變化的引擎工作條件。因此，當(dāng)廢氣含氧量(EGO)傳感器已預(yù)熱充分，能夠測量廢氣的質(zhì)量時(shí)，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(jì)算密集型操作的其他實(shí)例還有：a)對(duì)來自各種傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行有限沖激響應(yīng)(FIR)或無限沖激響應(yīng)(IIR)濾波，以消除噪聲。應(yīng)用實(shí)例：引擎爆震檢測、熄火檢測或在持續(xù)監(jiān)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(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以在后續(xù)的處理階段使用頻譜。應(yīng)用實(shí)例：主動(dòng)振動(dòng)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(jí)，對(duì)其進(jìn)行定標(biāo)，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(yīng)用實(shí)例：導(dǎo)航控制。圖1描繪了一個(gè)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(wù)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(qiáng)的信號(hào)處理能力，這就要求使用自適應(yīng)濾波等數(shù)學(xué)密集型算法。進(jìn)行這樣的計(jì)算要求所使用的處理器具有非常高速的數(shù)學(xué)運(yùn)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(duì)成本的考慮又常常會(huì)使昂貴的32位MCU無法在這樣的場合得到使用。一個(gè)專門針對(duì)重復(fù)性數(shù)學(xué)處理進(jìn)行優(yōu)化的特殊處理器架構(gòu)--16位數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)可用來執(zhí)行這樣的密集型任務(wù)。圖工簡化的引筆控制系統(tǒng)但就DSP本身（沒有處理控制任務(wù)的相關(guān)MCU）來說，它并不是非常適合在汽車系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。b）DSP無法對(duì)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片外存儲(chǔ)器和外設(shè)。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(tái)將是16位數(shù)字信號(hào)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(wù)，例如，獲取對(duì)汽車速度和轉(zhuǎn)向角度的定期采樣以計(jì)算防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（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(shù)據(jù)，例如，同時(shí)測量汽車速度、加速度、車身和車輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以及轉(zhuǎn)向角度，從而確定主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的制動(dòng)水平。c）向執(zhí)行機(jī)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(hào)以合適的周期開關(guān)燃油噴射器或點(diǎn)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(qiáng)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(yùn)算。DSC的主要特性典型的DSC架構(gòu)具備一些CPU和外設(shè)的特性，因而適用于眾多汽車應(yīng)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(shí)，最令人關(guān)注的特性。增強(qiáng)的CPU功能16位DSC最強(qiáng)有力的功能可能就要屬其強(qiáng)大的數(shù)學(xué)處理能力。一個(gè)真正的DSC包含兩個(gè)40位累加器，可用來存儲(chǔ)兩個(gè)獨(dú)立的16位X16位乘法運(yùn)算的結(jié)果。大多數(shù)信號(hào)處理算法以及許多一般數(shù)學(xué)計(jì)算，都包含有動(dòng)態(tài)"乘積和"的計(jì)算。諸如MAC（乘-累加）等特殊指令能夠在一個(gè)指令周期內(nèi)，求得兩個(gè)16位數(shù)的乘積，將結(jié)果添加到累加器，然后從RAM預(yù)取一對(duì)數(shù)據(jù)值。因?yàn)橛袃蓚€(gè)累加器，這種架構(gòu)還能在回寫數(shù)據(jù)到一個(gè)累加器的同時(shí)在另一個(gè)累加器中執(zhí)行計(jì)算。閑2櫛境T通過CAN總線遙接的幾個(gè)戳車系統(tǒng)構(gòu)件40位寬的累加器允許數(shù)據(jù)暫時(shí)溢出(當(dāng)在累加器中累加大量數(shù)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(nèi)，這個(gè)范圍由一種稱為"飽和"的機(jī)制確定，在回寫數(shù)據(jù)到RAM時(shí)，這種機(jī)制還將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yùn)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(jī)構(gòu)相關(guān)的計(jì)算以及監(jiān)視汽車系統(tǒng)性能的理想之選。靈活的中斷結(jié)構(gòu)DSC架構(gòu)的中斷結(jié)構(gòu)具有極高的靈活性。通常，支持大量的可獨(dú)立選擇和設(shè)定優(yōu)先級(jí)的中斷源和向量(對(duì)于包含多個(gè)傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的應(yīng)用非常有用！)。中斷延時(shí)具有高度的確定性，便于系統(tǒng)開發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)。運(yùn)行時(shí)自編程(RTSP)大多數(shù)汽車應(yīng)用需要對(duì)常量進(jìn)行存儲(chǔ)，這些常量可用于根據(jù)環(huán)境條件、傳感器的種類和預(yù)先測得的偏移量校準(zhǔn)傳感器的輸出數(shù)據(jù)。后處理算法也會(huì)使用到常量，比如濾波系數(shù)、活塞尺寸和目標(biāo)空氣-燃油比等預(yù)先確定的系統(tǒng)特性參數(shù)，以及誤差門限值。若在RAM中存儲(chǔ)這些常量會(huì)浪費(fèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的容量。DSC器件通常有閃存程序存儲(chǔ)器和閃存數(shù)據(jù)EEPROM，這些存儲(chǔ)器可用來可靠而高效地存儲(chǔ)和訪問這些常量。在具有閃存的DSC中，用戶程序甚至可以根據(jù)環(huán)境、數(shù)據(jù)或工作條件的變化實(shí)時(shí)修改這些常量。在許多系統(tǒng)中，還有可能使用控制器局域網(wǎng)(CAN)等串行通信通道，使用自舉程序算法來重新編寫代碼段或常量。在線串行編程(ICSP)閃存DSC允許用戶使用一種稱為"在線串行編程(In-CircuitSerialProgramming?)"的方法在現(xiàn)場方便地升級(jí)應(yīng)用程序固件。這允許在不同的汽車子系統(tǒng)和不同的工作/環(huán)境條件下重復(fù)使用同一個(gè)控制器，此外還允許修正軟件漏洞、校準(zhǔn)傳感器，以及在保證開銷和延時(shí)最少的情況下，使功能得到增強(qiáng)。高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)傳感器在許多汽車子系統(tǒng)中的廣泛使用促使具有足夠速度和分辨率的片上ADC成為迫切需要，以便允許對(duì)輸入量的快速微小變化進(jìn)行測量。在閉環(huán)工作中尤其重要，比如要采樣進(jìn)氣歧管壓力以確定點(diǎn)火的精確時(shí)機(jī)，從而產(chǎn)生最佳的轉(zhuǎn)矩。分辨率小于12位或非線性誤差大于1個(gè)最低有效位（LSB）的ADC無法滿足多數(shù)汽車功能的需要。在某些子系統(tǒng)中，采樣速度是考慮的重點(diǎn)，尤其是在氣囊控制等對(duì)安全要求嚴(yán)格的功能中。在其他情況下，主要考慮的可能是同時(shí)測量不同物理量的能力。例如，主動(dòng)懸架系統(tǒng)可能需要同時(shí)獲取對(duì)汽車速度、加速度、車身/車輪相對(duì)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向角度的采樣。應(yīng)根據(jù)模塊所需的ADC功能選擇合適的DSC器件。脈寬調(diào)制（PWM）汽車系統(tǒng)中使用的一些閥門和執(zhí)行機(jī)構(gòu)由占空比可變的脈沖控制。PWM控制功能的兩個(gè)常見實(shí)例為：燃油噴射閥，該閥門會(huì)在脈沖有效時(shí)開啟以控制噴射到汽缸中的燃油量；以及點(diǎn)火發(fā)生器，當(dāng)脈沖下降為低電壓電平時(shí)，產(chǎn)生火花。DSC支持自動(dòng)產(chǎn)生具有指定波形和極性的PWM信號(hào)。動(dòng)力轉(zhuǎn)向、自動(dòng)變速器和空調(diào)等子系統(tǒng)均包含復(fù)雜的電機(jī)控制算法。有些DSC具備多種片內(nèi)外設(shè)來支持此類高級(jí)PWM算法。正交編碼器接口（QEI）精確而快速地測量汽車以及其中的各種機(jī)械構(gòu)件的速度和位置對(duì)于有效控制汽車運(yùn)行的許多方面非常重要。例如，防碰撞系統(tǒng)需要測量速度和加速度。通常選擇正交編碼器（如光電編碼器）作為這一測量的傳感器。有些DSC包含內(nèi)部正交編碼器接口，能夠在軟件開銷最少的情況下有效解碼正交編碼器產(chǎn)生的信號(hào)?？刂破骶钟蚓W(wǎng)（CAN）由于一輛汽車包含許多處理器來執(zhí)行各種各樣的功能，因此為了共享傳感器和控制信息，不同子系統(tǒng)之間有效而可靠的通信就非常重要。模塊之間相互通信的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它不需要用多個(gè)傳感器對(duì)同一個(gè)物理量進(jìn)行重復(fù)測量，此外還能在系統(tǒng)級(jí)進(jìn)行有效的監(jiān)視和診斷。例如，電池監(jiān)視的功能，MCU不僅需要不時(shí)地測量電池的電壓，還要將控制信號(hào)發(fā)送給各種其他模塊以控制它們的開關(guān)，從而優(yōu)化電池的使用并確保汽車啟動(dòng)。CAN總線標(biāo)準(zhǔn)在汽車網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)中處于重要地位。許多DSC包含一個(gè)或多個(gè)片內(nèi)CAN控制器，使之自然而然地成為了應(yīng)用在汽車設(shè)計(jì)中的不二選擇。在汽車網(wǎng)絡(luò)中使用DSC，借助軟件對(duì)高層協(xié)議（如，符合OSEK標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和CAN應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)方案）的支持，還可實(shí)現(xiàn)其他額外功能。第且代削5屆TTBlAutomottveAppilcatiom圖3豺字信號(hào)控制黯在汽車中的卷顯應(yīng)用典型應(yīng)用下面列出了數(shù)字信號(hào)控制器在汽車中的典型應(yīng)用。電子動(dòng)力轉(zhuǎn)向電子離合器和變速箱控制防翻滾和穩(wěn)定性控制車廂噪聲消除高級(jí)電池監(jiān)視系統(tǒng)氣囊控制點(diǎn)火控制泊車傳感器燃油壓力傳感器溫度控制引擎爆震檢測引擎熄火檢測自適應(yīng)導(dǎo)航控制燃料電池車內(nèi)娛樂設(shè)施車載免提電話套件基于人體生物學(xué)的無鑰門禁結(jié)論隨著汽車系