汽车电子应用推动混合控制器的发展

一种新兴的电子控制器种类正在出现,它集微控制器单元(MCU)最有用的控制功能与数字信号处理器(DSP) 的强大处理能力于一身。这些混合数字信号控制器(DSC)特别适合于汽车环境,包括对机电系统及传动装置的实时控制等。

MCU被优化用于对来自不同信号源的几乎所有输入数据组合执行各种逻辑与诊断操作。DSP则擅长处理重复性的数字密集型任务。新兴的DSC将MCU的控制功能与DSP的快速计算能力结合在一起,从而构建出一个混合架构。这种可编程内核适合于许多传统上同时需要MCU与DSP的工程设计。

DSC的控制功能基于其总指令集及内核架构。为有效执行控制任务,指令集必须包含位操作、正交及多寻址模式等元素。主要执行与控制有关操作的软件非常依赖这类指令集的特性,以实现高代码密度并减少所需求的总存储量。该内核架构本身应允许使用大量通用寄存器文件,并能有效处理中断。MCU应用倾向于出现大量中断,因为它们一般都与真实世界接口。

但指令集与架构还只是困难的一部分。诸如存储器和外设等集成单元亦可能影响器件的整体控制有效性及成本。例如,充分集成且可靠的非易失性闪存可减少芯片面积并降低总系统成本。

尽管DSC可提供的Mips数值是考虑的重点,但设计者必须避免犯眼睛只盯着Mips的常见错误。事实上,衡量DSC工作性能的指标是Mips能力与外设功能的组合。功能强大的全功能外设可减轻DSC内核的负载压力,并能以一种更有效的方式来完成特定功能。因此,当为给定应用选择最佳器件时,最好要综合考虑Mips能力与集成的外设功能。

对器件特性同样重要的是支持它们的软件开发工具及环境。MCU设计者期望能拥有可靠且低成本的软件开发工具与环境。在选择DSC器件时,设计者应挑选那些可提供各种性价比选择的低成本开发环境。在很多项目中,多名工程师将负责不同的部分。重要的是为每个工程师提供一个价格适中且灵活的开发环境。基于很多同样的原因,设计者还应该选择那些低成本及高度集成的软件开发工具。

将MCU处理、DSP处理以及功能强大的外设集成到一个DSC器件中的优势与最近几年一直在推动的其他类型的集成优势相同:更低的整体器件成本、更小的占位面积、更少的逻辑控制以及更高的可靠性等。软件开发也可以具有很大优势。过去,如果一个应用同时需要MCU及DSP处理,则可能需要同时使用两个器件,而且每个器件都将拥有独立的软件开发环境及指令集。使用DSC,工程师仅需面对一个开发环境及一套指令集,这能大大简化软件开发工作并降低开发成本。

图1:新兴的数字信号控制器将MCU的控制功能与DSP的快
速计算能力结合在一起,从而创造出一种混合架构。

几家半导体厂商目前正在积极为设计者提供这种集成的DSC功能。汽车客户正在将这些器件用于要求高性能控制能力及DSP级信号处理能力的机电系统实时控制中。

目前的趋势是从传统的液压转向系统过渡到直接辅助电动转向系统。随着转向系统从液压走向电控,这要求更快的计算能力以及微控制器功能。用于“线控驾驶(steer-by-wire)”系统的主处理器必须提供控制能力,以处理通信协议并执行基本的安全诊断。主处理器还必须提供足够的信号处理能力来处理电机精密操作所需的复杂算法。

此外,人们普遍预计使用液压的标准制动系统在不远的将来会被全电气制动系统所取代。尽管实现这个远景仍需克服一些挑战,但优于传统液压制动系统的优势使开发线控制动系统的动机非常强烈。

线控制动系统的优势包括更轻的重量、更高的控制精度以及更易于与未来高级汽车动态控制系统中的其他子系统进行集成等。届时,每个车轮都可能拥有一个带辅助控制电路的电机控制传动装置。

作者:Scott Lynch

DSP标准产品部营运经理

Freescale半导体公司