張 薇王維志

淺談新一代三核處理器AURIX的應(yīng)用

張 薇1王維志2

（1.中機(jī)車輛技術(shù)服務(wù)中心，北京 100070；2.中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300001）

當(dāng)今汽車電子的核心控制單元也就是ECU從應(yīng)用層面來看已經(jīng)不單單控制主（被）動(dòng)式安全設(shè)備、發(fā)動(dòng)(電)機(jī)管理、底盤、引擎與車身控制，而是逐漸開發(fā)車載式的多媒體、娛樂、影音與通訊系統(tǒng)等附加功能。這里介紹由英飛凌公司在國內(nèi)開始推廣的一款電子芯片——AURIX。

汽車電子 ECU 微控制器 AURIX

1 Infineon公司及產(chǎn)品（AURIX）特色

Infineon公司，總部設(shè)在德國慕尼黑。主要生產(chǎn)汽車和工業(yè)電子芯片、保密及IC卡應(yīng)用IC、通訊多媒體芯片、存儲器件等。Infineon公司是全球十大半導(dǎo)體制造商之一。隨著中國汽車制造行業(yè)的發(fā)展，英飛凌公司也將發(fā)展的目光匯聚于中國這一世界第一消費(fèi)大國。英飛凌新一代電子芯片（AURIX）也在今年在全國開始推廣。

隨著全球能源危機(jī)與環(huán)境危機(jī)的逐漸加深，排放法規(guī)日益嚴(yán)格。而且，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，安全性、舒適性和經(jīng)濟(jì)性日益要求嚴(yán)格。為滿足應(yīng)用需求，汽車電子芯片的集成度和復(fù)雜度愈來愈高，很大程度上增加了汽車電子芯片的系統(tǒng)性失效和隨機(jī)硬件故障的概率，增大了事故風(fēng)險(xiǎn)，因此安全是汽車電子芯片的首要而且是最重要的問題。為了達(dá)到汽車電子功能安全的要求，IEC61508和ISO26262功能安全標(biāo)準(zhǔn)相繼被提出。AURIX作為新一代三核處理器，具有l(wèi)ockstep功能，也就是在一個(gè)CPU內(nèi)核運(yùn)算過程中，將會有負(fù)在該CPU上的一個(gè)輔助內(nèi)核做延后兩個(gè)時(shí)鐘周期的相同運(yùn)算，最后將二者結(jié)果進(jìn)行比對，如果出現(xiàn)問題，則程序進(jìn)入系統(tǒng)陷阱，而該陷阱的處理措施將完全由用戶靈活設(shè)定，不管是忽略還是系統(tǒng)復(fù)位或者其他中斷處理都有詳細(xì)的安全接口。另外閃存也具有相似的保護(hù)機(jī)制。這些都是為了更好的服務(wù)用戶，更好的配合ISO26262標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施。

圖1　曲軸轉(zhuǎn)角與凸輪軸相位關(guān)系圖

當(dāng)然作為三核處理器，它的最大優(yōu)勢還是效率，計(jì)算機(jī)為實(shí)現(xiàn)更高的速度，已經(jīng)發(fā)展為4核、8核甚至百核，這無疑使得汽車電子相關(guān)的微控制器的發(fā)展也會提上日程。

2 AURIX的應(yīng)用程序控制優(yōu)勢

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)相位捕捉與噴油相位時(shí)間控制

2.1.1 傳統(tǒng)方式控制

在AURIX芯片推出之前，關(guān)于發(fā)動(dòng)機(jī)的相位捕捉與噴油信號控制一般是這樣一個(gè)過程：首先使用捕獲比較單元，捕捉發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速脈沖，包括凸輪軸信號，曲軸信號兩種，如圖1中相關(guān)關(guān)系分析，一般來說發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸信號也就是角度信號是由58+2的碼盤與霍爾傳感器獲得，經(jīng)過一些信號的處理工作獲得如上所示的關(guān)系圖，58是完整齒數(shù)，2是代表兩個(gè)缺齒，但是上圖來源于四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)，我們需要確定具體的沖程以確定具體的噴油，這時(shí)我們僅僅知道360°也就是飛輪旋轉(zhuǎn)一周的具體相位。所以需要凸輪軸來具體獲得準(zhǔn)確的相位。發(fā)動(dòng)機(jī)一個(gè)工作循環(huán)是曲軸的720°，而凸輪軸只轉(zhuǎn)360°，我們要確定具體的相位就要二者協(xié)同處理。在軟件上要完成的工作就是第一步確定凸輪軸的當(dāng)前位置，利用定時(shí)器獲得凸輪軸信號兩個(gè)下降脈沖沿之間的時(shí)間間隔，用當(dāng)前脈沖間隔經(jīng)過修正減去上一個(gè)時(shí)間間隔，則可以確定最小間隔的那兩個(gè)齒，從而得到工作循環(huán)的始點(diǎn)，然后在相同的原理找到曲軸的工作循環(huán)始點(diǎn)。用經(jīng)過發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中負(fù)載與轉(zhuǎn)速等情況確定的角度（也就是噴油提前角，翻譯到軟件上也就是曲軸特定齒數(shù)）確定噴油和點(diǎn)火等，值得說明的是，一般發(fā)動(dòng)機(jī)是N缸發(fā)動(dòng)機(jī)則會有N+1個(gè)凸輪軸齒，這也是為了修正噴油時(shí)刻而設(shè)置的。

但是如此一來，相應(yīng)的微控制器就要周期性的處理諸多終端服務(wù)程序，而且缸數(shù)越多控制越復(fù)雜。給微控制器的負(fù)在能力提出了更高的要求。然而AURIX卻是截然不同的控制方式。

2.1.2 AURIX芯片控制

一般來說，AURIX是5核處理器，這是因?yàn)橛袃蓚€(gè)lockstep核加一個(gè)GTM模塊，這就是三個(gè)運(yùn)算處理單元，另外有三個(gè)Core0-2。CPU多的好處就是可以分工合作，減輕每個(gè)核的負(fù)擔(dān)。

AURIX中運(yùn)算單元GTM模塊就是一個(gè)這樣的內(nèi)核，它專注于產(chǎn)生復(fù)雜的脈沖波（理論上是任何復(fù)雜脈沖波），這是由于它本身就是一個(gè)8位處理器，再加上經(jīng)過反復(fù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的脈沖信號采集模塊TIM，與脈沖信號輸出模塊TOM與ATOM，使之成為名副其實(shí)的可以產(chǎn)生任意脈沖波的模塊。

以發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)噴油點(diǎn)火控制為例進(jìn)行分析如下。

首先輸入曲軸與凸輪軸信號，通過TIM模塊送人GTM模塊，期間經(jīng)歷的過程，（1）利用兩個(gè)TIM通道輸入上述兩路脈沖信號，經(jīng)過硬件固化的濾波處理得到比較理想的曲軸與凸輪信號關(guān)系，再經(jīng)過與GTM內(nèi)部的時(shí)鐘信號匹配處理將每個(gè)周期的信號數(shù)字化，也就是說將該高低電平時(shí)間用數(shù)字量表示，反映到實(shí)時(shí)時(shí)鐘之后，得到的就是相應(yīng)的數(shù)字表示的時(shí)間值。將得到的相應(yīng)沿的時(shí)間值（時(shí)間戳）和獲得該規(guī)整的脈沖波的濾波計(jì)數(shù)器中的數(shù)值與該電位的高低打包成49位的一個(gè)數(shù)據(jù)包傳送到ARU（GTM運(yùn)算模塊）。

圖2　GTM模塊

圖3　DPLL RAM

（2）將濾波得到的脈沖信號傳遞到DPLL模塊（顧名思義-GTM中集成的一個(gè)倍頻模塊），在DPLL模塊其中一個(gè)作用就是確定循環(huán)起點(diǎn)，和傳統(tǒng)控制中的芯片一樣，分為116齒的曲軸信號始點(diǎn)的確定就是由ARU核心處理器經(jīng)過兩個(gè)脈沖波的匹配計(jì)算，再與DPLL中所存放的116個(gè)RAM值做（這個(gè)RAM值其實(shí)就是一個(gè)MAP表，RAM中確定的只是相應(yīng)116個(gè)齒對應(yīng)的周期數(shù)，和循環(huán)始點(diǎn)。實(shí)際的確定過程還是由時(shí)間戳之間的差值確定是否有缺齒，再與曲軸信號的修正作用結(jié)合）比對最終獲得循環(huán)始點(diǎn)。這個(gè)過程需要ARU的參與計(jì)算時(shí)間戳之間的時(shí)間差和完成數(shù)據(jù)存儲功能。

（3）下面就要提到倍頻功能了。提到倍頻就要說明一些基本問題，傳統(tǒng)的噴油控制，由于碼盤齒數(shù)的限制，只能通過時(shí)間修正獲得相對精確角度的噴油，但是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在實(shí)時(shí)變化，當(dāng)前循環(huán)內(nèi)的時(shí)間和下一循環(huán)的時(shí)間不同是完全可能的，而且相對于58+2的齒來說每個(gè)齒對應(yīng)6度，這個(gè)范圍是相當(dāng)大的，而且隨著高壓共軌技術(shù)與壓電噴油器技術(shù)的日新月異，多次噴射（多達(dá)5次）已經(jīng)慢慢投入市場。這些都給單單以時(shí)間修正確定噴油時(shí)刻的噴油策略提出挑戰(zhàn)，而AURIX的DPLL倍頻功能卻可以非常靈活的達(dá)到控制目的。據(jù)TC275數(shù)據(jù)手冊介紹，DPLL可以把每個(gè)脈沖（高、低脈沖）最高倍頻到1024個(gè)周期。那么，如此一來就是每一度對應(yīng)170個(gè)齒。這一就會將每一度在我們的思維中細(xì)分到170份，如此也就實(shí)現(xiàn)了噴油過程不僅能夠用時(shí)間控制也達(dá)到了可以用角度控制的要求。

（4）ARU通過控制ATOM輸出噴油脈沖，前面三個(gè)過程的最終目的就是確定需要的噴油時(shí)間以及輸出噴油脈沖。也是這一部分的功能確定按角度或者實(shí)時(shí)時(shí)間來確定噴油時(shí)長。

AURIX-GTM模塊的優(yōu)勢毋庸置疑，以其強(qiáng)大的信號處理功能和精確的時(shí)間控制以及簡單的操控方式必將會慢慢替代傳統(tǒng)的控制方式。另外GTM是一個(gè)相對獨(dú)立的運(yùn)算單元，系統(tǒng)主核（Core0-2）只需要定時(shí)的輸入一些控制信號給該模塊就可以達(dá)到控制功能，這樣極大的降低了主核的負(fù)擔(dān)，為進(jìn)一步功能的擴(kuò)展提供了可能。

GTM模塊對于新能源汽車電機(jī)控制同樣有著重要的意義，而且傳統(tǒng)的CCU6所做的電機(jī)控制，在應(yīng)用GTM模塊之后，變成一個(gè)監(jiān)控模塊，在AURIX電機(jī)控制過程中檢測和比對輸出結(jié)果，這樣更好的符合了功能安全的要求。

2.2 ADC采集模塊

與以往ADC采集模塊不同，AURIX的DSADC（Delta Sigma ADC）采集模塊主要有一下幾個(gè)優(yōu)勢之處。

（1）增益誤差大幅度降低，數(shù)據(jù)精度提高。

（2）高頻信號噪聲處理能力增強(qiáng)。

（3）成本降低。

DSADC對處理發(fā)動(dòng)機(jī)爆震信號和電機(jī)旋轉(zhuǎn)變壓器信號具有突出的意義，就旋變信號來說，現(xiàn)在普遍的電機(jī)位置解決方案是采用旋變解碼器，這個(gè)附加設(shè)備的造價(jià)在$10左右，這將使得成本增加，而且同步也是一個(gè)需要考慮的問題，但是AURIX內(nèi)置的DSADC模塊卻非常好的解決了這個(gè)問題，它不僅可以通過GTM模塊提供觸發(fā)脈沖，還能夠通過GTM的時(shí)間基準(zhǔn)單元獲取實(shí)時(shí)的時(shí)間戳，這些都是在低于微秒級的時(shí)間范圍內(nèi)。

而且AURIX芯片DSADC是一個(gè)轉(zhuǎn)換精度達(dá)到16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。而且隨著芯片制造技術(shù)的提高使補(bǔ)償與誤差等降低。

集成MASH（Multi Stage Noise Shaping）數(shù)的高頻信號采集器。級數(shù)可選2到4功能，這是一個(gè)可供選擇噪聲修正級，對應(yīng)于不同需要的高頻信號頻率。

圖4　MASH分級信號處理結(jié)果

最后，一般來說ADC采樣結(jié)束會發(fā)送中斷，告知CPU進(jìn)行信號處理。并且如果有一些重要的模擬量要周期的頻繁的獲取采樣值，這就造成了CPU會忙于ADC結(jié)果的處理，而大大降低了系統(tǒng)效率。但是AURIX處理器針對于這一點(diǎn)卻做了非常重要的改進(jìn)，內(nèi)部集成DMA（直接存取功能），而且DMA是硬件集成不需要CPU參與，DMA將ADC的運(yùn)算結(jié)果存放在規(guī)定的Flash里面。等到CPU需要模擬量轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果時(shí)，就會直接從對應(yīng)的Flash提取運(yùn)算結(jié)果。而DMA是一個(gè)獨(dú)立的雙引擎獨(dú)立轉(zhuǎn)運(yùn)數(shù)據(jù)的模塊，是ADC模塊重要的輔助單元。

3 總結(jié)

英飛凌公司在國內(nèi)新推出的AURIX三核處理器，以其高效的設(shè)計(jì)，方便的使用方法以及低廉的價(jià)格，將會在未來10年以上獲得一定的市場份額。關(guān)于AURIX芯片的學(xué)習(xí)，也必將會變的日益大眾化，學(xué)習(xí)該芯片將有廣闊的應(yīng)用前景。而且隨著全球的環(huán)境危機(jī)能源危機(jī)，汽車行業(yè)電子控制會日益多元化，功能更加細(xì)致全面，這無疑使得多核架構(gòu)成為繼續(xù)發(fā)展的主流。而在國內(nèi)多核處理器剛剛開始推廣的初期，作為軟件工程師學(xué)習(xí)，開發(fā)多核架構(gòu)也是一種必須的過程。

[1]英飛凌公司TC275-Cstep user manual.

[2]英飛凌公司AURIX training level 1-2.

On the Application of A New Generation of Triple-core Processor AURIX

ZHANG Wei1, WANG Weizhi2
(1.Vehicle technology service center in the machine,Beijing 100070;2.China Automotive Technology and Research Center,Tianjin 300001)

Nowadays, from the application level, the core control unit of automotive electronics (ECU) has not only control the active or passive mobile security equipment, engine or generator management, chassis, engine and body control, but gradually developed in car multimedia, entertainment, video and communications systems, etc.. So the paper introduces an electronic chip (AURIX) by the Infineon Corporation promoted in the China.

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