淺談新一代三核處理器AURIX的應用

張 薇王維志

淺談新一代三核處理器AURIX的應用

張 薇1王維志2

（1.中機車輛技術服務中心，北京 100070；2.中國汽車技術研究中心，天津 300001）

當今汽車電子的核心控制單元也就是ECU從應用層面來看已經不單單控制主（被）動式安全設備、發動(電)機管理、底盤、引擎與車身控制，而是逐漸開發車載式的多媒體、娛樂、影音與通訊系統等附加功能。這里介紹由英飛凌公司在國內開始推廣的一款電子芯片——AURIX。

汽車電子 ECU 微控制器 AURIX

1 Infineon公司及產品（AURIX）特色

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

隨著全球能源危機與環境危機的逐漸加深，排放法規日益嚴格。而且，隨著電子技術的發展，安全性、舒適性和經濟性日益要求嚴格。為滿足應用需求，汽車電子芯片的集成度和復雜度愈來愈高，很大程度上增加了汽車電子芯片的系統性失效和隨機硬件故障的概率，增大了事故風險，因此安全是汽車電子芯片的首要而且是最重要的問題。為了達到汽車電子功能安全的要求，IEC61508和ISO26262功能安全標準相繼被提出。AURIX作為新一代三核處理器，具有lockstep功能，也就是在一個CPU內核運算過程中，將會有負在該CPU上的一個輔助內核做延后兩個時鐘周期的相同運算，最后將二者結果進行比對，如果出現問題，則程序進入系統陷阱，而該陷阱的處理措施將完全由用戶靈活設定，不管是忽略還是系統復位或者其他中斷處理都有詳細的安全接口。另外閃存也具有相似的保護機制。這些都是為了更好的服務用戶，更好的配合ISO26262標準實施。

圖1　曲軸轉角與凸輪軸相位關系圖

當然作為三核處理器，它的最大優勢還是效率，計算機為實現更高的速度，已經發展為4核、8核甚至百核，這無疑使得汽車電子相關的微控制器的發展也會提上日程。

2 AURIX的應用程序控制優勢

2.1 發動機相位捕捉與噴油相位時間控制

2.1.1 傳統方式控制

在AURIX芯片推出之前，關于發動機的相位捕捉與噴油信號控制一般是這樣一個過程：首先使用捕獲比較單元，捕捉發動機轉速脈沖，包括凸輪軸信號，曲軸信號兩種，如圖1中相關關系分析，一般來說發動機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，經過一些信號的處理工作獲得如上所示的關系圖，58是完整齒數，2是代表兩個缺齒，但是上圖來源于四沖程發動機，我們需要確定具體的沖程以確定具體的噴油，這時我們僅僅知道360°也就是飛輪旋轉一周的具體相位。所以需要凸輪軸來具體獲得準確的相位。發動機一個工作循環是曲軸的720°，而凸輪軸只轉360°，我們要確定具體的相位就要二者協同處理。在軟件上要完成的工作就是第一步確定凸輪軸的當前位置，利用定時器獲得凸輪軸信號兩個下降脈沖沿之間的時間間隔，用當前脈沖間隔經過修正減去上一個時間間隔，則可以確定最小間隔的那兩個齒，從而得到工作循環的始點，然后在相同的原理找到曲軸的工作循環始點。用經過發動機運行過程中負載與轉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）確定噴油和點火等，值得說明的是，一般發動機是N缸發動機則會有N+1個凸輪軸齒，這也是為了修正噴油時刻而設置的。

但是如此一來，相應的微控制器就要周期性的處理諸多終端服務程序，而且缸數越多控制越復雜。給微控制器的負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，這是因為有兩個lockstep核加一個GTM模塊，這就是三個運算處理單元，另外有三個Core0-2。CPU多的好處就是可以分工合作，減輕每個核的負擔。

AURIX中運算單元GTM模塊就是一個這樣的內核，它專注于產生復雜的脈沖波（理論上是任何復雜脈沖波），這是由于它本身就是一個8位處理器，再加上經過反復設計優化的脈沖信號采集模塊TIM，與脈沖信號輸出模塊TOM與ATOM，使之成為名副其實的可以產生任意脈沖波的模塊。

以發動機相關噴油點火控制為例進行分析如下。

首先輸入曲軸與凸輪軸信號，通過TIM模塊送人GTM模塊，期間經歷的過程，（1）利用兩個TIM通道輸入上述兩路脈沖信號，經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系，再經過與GTM內部的時鐘信號匹配處理將每個周期的信號數字化，也就是說將該高低電平時間用數字量表示，反映到實時時鐘之后，得到的就是相應的數字表示的時間值。將得到的相應沿的時間值（時間戳）和獲得該規整的脈沖波的濾波計數器中的數值與該電位的高低打包成49位的一個數據包傳送到ARU（GTM運算模塊）。

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中集成的一個倍頻模塊），在DPLL模塊其中一個作用就是確定循環起點，和傳統控制中的芯片一樣，分為116齒的曲軸信號始點的確定就是由ARU核心處理器經過兩個脈沖波的匹配計算，再與DPLL中所存放的116個RAM值做（這個RAM值其實就是一個MAP表，RAM中確定的只是相應116個齒對應的周期數，和循環始點。實際的確定過程還是由時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合）比對最終獲得循環始點。這個過程需要ARU的參與計算時間戳之間的時間差和完成數據存儲功能。

（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，傳統的噴油控制，由于碼盤齒數的限制，只能通過時間修正獲得相對精確角度的噴油，但是發動機轉速在實時變化，當前循環內的時間和下一循環的時間不同是完全可能的，而且相對于58+2的齒來說每個齒對應6度，這個范圍是相當大的，而且隨著高壓共軌技術與壓電噴油器技術的日新月異，多次噴射（多達5次）已經慢慢投入市場。這些都給單單以時間修正確定噴油時刻的噴油策略提出挑戰，而AURIX的DPLL倍頻功能卻可以非常靈活的達到控制目的。據TC275數據手冊介紹，DPLL可以把每個脈沖（高、低脈沖）最高倍頻到1024個周期。那么，如此一來就是每一度對應170個齒。這一就會將每一度在我們的思維中細分到170份，如此也就實現了噴油過程不僅能夠用時間控制也達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，前面三個過程的最終目的就是確定需要的噴油時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時時間來確定噴油時長。

AURIX-GTM模塊的優勢毋庸置疑，以其強大的信號處理功能和精確的時間控制以及簡單的操控方式必將會慢慢替代傳統的控制方式。另外GTM是一個相對獨立的運算單元，系統主核（Core0-2）只需要定時的輸入一些控制信號給該模塊就可以達到控制功能，這樣極大的降低了主核的負擔，為進一步功能的擴展提供了可能。

GTM模塊對于新能源汽車電機控制同樣有著重要的意義，而且傳統的CCU6所做的電機控制，在應用GTM模塊之后，變成一個監控模塊，在AURIX電機控制過程中檢測和比對輸出結果，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優勢之處。

（1）增益誤差大幅度降低，數據精度提高。

（2）高頻信號噪聲處理能力增強。

（3）成本降低。

DSADC對處理發動機爆震信號和電機旋轉變壓器信號具有突出的意義，就旋變信號來說，現在普遍的電機位置解決方案是采用旋變解碼器，這個附加設備的造價在$10左右，這將使得成本增加，而且同步也是一個需要考慮的問題，但是AURIX內置的DSADC模塊卻非常好的解決了這個問題，它不僅可以通過GTM模塊提供觸發脈沖，還能夠通過GTM的時間基準單元獲取實時的時間戳，這些都是在低于微秒級的時間范圍內。

而且AURIX芯片DSADC是一個轉換精度達到16位的模數轉換模塊。而且隨著芯片制造技術的提高使補償與誤差等降低。

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

圖4　MASH分級信號處理結果

最后，一般來說ADC采樣結束會發送中斷，告知CPU進行信號處理。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結果的處理，而大大降低了系統效率。但是AURIX處理器針對于這一點卻做了非常重要的改進，內部集成DMA（直接存取功能），而且DMA是硬件集成不需要CPU參與，DMA將ADC的運算結果存放在規定的Flash里面。等到CPU需要模擬量轉換的數字結果時，就會直接從對應的Flash提取運算結果。而DMA是一個獨立的雙引擎獨立轉運數據的模塊，是ADC模塊重要的輔助單元。

3 總結

英飛凌公司在國內新推出的AURIX三核處理器，以其高效的設計，方便的使用方法以及低廉的價格，將會在未來10年以上獲得一定的市場份額。關于AURIX芯片的學習，也必將會變的日益大眾化，學習該芯片將有廣闊的應用前景。而且隨著全球的環境危機能源危機，汽車行業電子控制會日益多元化，功能更加細致全面，這無疑使得多核架構成為繼續發展的主流。而在國內多核處理器剛剛開始推廣的初期，作為軟件工程師學習，開發多核架構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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