先進動力總成控制的挑戰與解決方案       來源：yumanting.com

 每一代新一代動力總成控制系統設計人員都面臨著更高復雜性和更高計算性能的挑戰。在全球法規的推動下，性能要求包括增加吞吐量，內存，外設和高級封裝功能。越來越嚴格的排放法規，以及前所未有的燃油效率目標，需要復雜的系統，遠遠超越傳統火花點火（SI）發動機和變速箱控制。混合動力電動車輛和插入式混合動力電動車輛與電動機，電池和系統管理電子設備的增加決定了偏離傳統改進趨勢的控制技術。
作為汽車動力總成微控制器（MCU）的領先供應商，飛思卡爾半導體解決了這些挑戰，因為它促進了汽車行業在電子控制方面的開創性努力。本白皮書將提供需要高級控制體系結構和多核解決方案的背景，以滿足當前和未來的動力總成需求。

全球法規影響動力總成

根據國際能源署（IEA）的報告“運輸能源效率”，交通運輸占全球二氧化碳排放量的23％。基于全球的擔憂，各地政府都采取措施減少二氧化碳和其他排放物，提高車輛的燃油經濟性。（減少燃料消耗直接導致更低的二氧化碳排放量。）

圖1：全球CAFE法規各不相同，但都需要對當今船隊的系統進行重大改變。

在美國，最近的立法要求汽車制造商在2025年之前達到每加侖54.5英里的企業平均燃料經濟（CAFE）目標。從今天乘用車的平均27.8英里/加侖的減少要求平均增加5％的汽車燃料經濟性到2021年每年輕型卡車將達到3.5％，之后所有車輛將增長5％。歐盟（EU）在油耗方面已經遠遠領先于美國，計劃在2020年前實現65英里的平均車隊平均水平。
圖1顯示了歐盟法規的逐步實施，即到2012年將每輛汽車的排放限制在120克/公里的二氧化碳排放量的65％，并在2015年將要求提高到100％。違規可能導致歐盟罰款每售出一輛汽車，每克二氧化碳的價格高達95歐元。內燃機的改進以及電氣化都需要符合標準。
歐洲在這一領域的法規領先，但其他地區，包括美國和日本，都有自己的挑戰性要求。在美國，滿足2016年目標（見圖1）的變化將需要最大的改進。即使到2016年達到這個水平，這個價值也會與歐洲五年前的情況相匹配。這個改進的機會需要更高的動力總成控制性能。
雖然減少二氧化碳的一些改進可以通過減輕重量，滾動阻力和改善空氣動力特性來實現，但是動力總成已經被確定為可以提供最大改進的系統，具有10％的發動機燃料消耗減少和10至15g的二氧化碳減少。在這種情況下，增加MCU額外性能的支出，例如將DMIPS從200（生產車輛的高端功能）提高到600或800，可以避免每輛車95歐元的附加費用。因此，績效會直接影響成本或避免懲罰。
為了滿足這些全球性的政府要求，汽車制造商必須大幅度更新現有的軟件和硬件，但卻受到限制，包括運行新算法的內存和吞吐量以及任何新控制的成本影響。這些限制的解決方案是采用業界最流行的動力總成架構構建的雙核MCU。

如表1所示，基于PowerArchitecture?技術的雙核Qorivva MPC5676R MCU在眾多影響動力總成控制的領域提供了重大改進。旨在提供系統設計人員所要求的改進，下一代控制系統的復雜性日益增加，從現在的系統中可以直接獲得一些令人興奮的可能性。
MPC5676R是第一款用于動力總成應用的雙核Power Architecture器件，與其單核前代產品MPC5674F幾乎無縫兼容。同時，它還引入了一套強大的新型雙核心功能，以應對虛擬感知和啟發式控制算法等新型計算密集型軟件的挑戰。這些功能使開發人員無需使用許多外部組件，與傳統系統相比，可將系統成本降低近30％，并使先進的節能技術更加經濟實惠。
可以通過實例和概念來看待功能的增加，也可以使用以前難以或不可能的新型雙核MCU實現的功能。

內燃機動力總成控制

除了解決當今柴油發動機的復雜要求（包括輸送多個燃料脈沖以消除不希望的噪音并減少排放物中的微粒）之外，先進的雙核MCU還可以改善火花點火發動機控制。在柴油發動機中，共軌噴油系統中的精確燃油控制需要復雜的計算來確定噴油正時，風量和壓力，發動機溫度等等。一些相同的技術正在為SI發動機添加或修改。

汽油直接噴射

盡管處理某些高級控制要求的方法已經存在多年，但是由于性能的限制，在一個MCU中處理這些方法的組合要么是非常困難的，要么是不可能的。例如，汽油直噴已經在歐洲進行了很多年，在美國也越來越多
燃油經濟性和馬力提高10-15％，碳氫排放量減少25％，預計直噴將在動力總成應用中迅速擴大，從2010年的20％左右上升到2017年的近40％策略分析。替換更寬容但更省油的端口注入需要處理能力提高一個數量級。MCU不必將一個脈沖打開或關閉一段時間，而是將其置于一個位置，MCU必須處理一個復雜的峰值并保持波形，并采用檢測閥門運動的方法。該過程涉及精確的電流測量和顯著的高速切換，以開發電流曲線。每個循環可能有多個注射。結果是，
雙核MCU內部具有45K專用RAM的三個96通道增強型定時單元旨在輕松靈活地處理復雜的引擎定時事件。機械齒輪齒通常可以達到六度的精度，但是為了最佳地控制燃料噴霧和火花，需要0.1度精度。由于輸入數據不如所需的輸出精確，所以MCU必須預測何時需要火花。
如圖3所示，MCU的三個第二代增強型時間處理器單元（eTPU2）中的一個可用于預測直接注入所需的精確時間并補償機械限制。eTPU2測量最后兩顆牙齒之間的時間，并進行角度 - 時間轉換，這是芯片的虛擬感應功能之一。要實現每缸大約36,000轉/秒，需要顯著的性能。雙核處理器通過更嚴格的控制提供了這種能力來提高燃油經濟性。

圖2：MPC5676R框圖顯示了雙核和附加外設。

啟停系統

在怠速時關閉發動機的啟停（或停車啟動）或怠速停止系統，當駕駛員踩下加速踏板時可自動重啟，可提高燃油經濟性4至10％，甚至高達25％ 。
直接注入，這些系統也將經歷強勁的增長，并有助于實現排放法規遵從。最初在歐洲已經被廣泛使用的地方，預計啟停系統在所有地區都將有顯著的增長率，一些專家預測在未來的四到五年內，北美的實施率將高達35％。
起停系統增加了控制電子設備的負擔。為了使這些系統盡可能無縫，系統必須檢測發動機停止的位置。這可能需要檢測發動機方向的反轉以確定發動機靜止的曲軸循環中的確切位置。除了標準的曲軸傳感器外，還需要額外的傳感器或更復雜的傳感器來提供這些信息。雙核MCU的eTPU2提供了解決啟停系統復雜性的能力，即使這個方面與直接注入的時序要求相結合。

敲檢測

爆震控制系統優化了燃燒循環，并將燃油經濟性提高了三到五個百分點。爆震檢測的控制技術包括缸內壓力感測，振動傳感器和火花塞電離。在當今的系統中，專用的專用集成電路（ASIC）通常在幾毫秒的時間窗內識別來自其他發動機噪聲的爆震信號。來自爆震檢測傳感器的模擬信號通常以150KHz采樣，并作為輸入參數應用于火花控制系統。爆震檢測涉及大量的數字濾波和計算。
具有三個增強時間處理器單元的雙核MCU可以處理這種復雜性以及其他控制任務。如圖4所示，一旦模擬信號被數字化，eTPU2將使用虛擬感測來預測爆震窗口。
雙核MCU的四通道ADC可以在800 KHz的頻率下連續轉換，從而允許充足的帶寬同時對系統中的爆震和其他模擬輸入進行采樣。雙核MCU具有十二個抽取濾波器，能夠支持最先進的爆震檢測系統，并且還具有用于其他控制功能的多個濾波器。它甚至可以處理復雜的爆震檢測壓力感測技術，需要多個模數（ADC）轉換器和大容量的RAM和閃存陣列來處理大量的數據和復雜的算法。此外，MPC5676R硬件集成商，DMA和SPE代碼消除了外部硬件。最終的結果是通過省去傳動系統中的ASIC，濾波器，外部ADC和多路復用器來降低系統成本。

圖3：高級eTPU2定時器提供直接注入的精度。

缸內壓力感測

缸內壓力感應可以替代爆震/失火檢測，質量空氣流量和歧管絕對壓力傳感器以及汽缸平衡子系統。然而，在整個720度（八缸發動機的每個氣缸一個傳感器）上最多可獲得八個壓力曲線對閉環燃燒控制提出了挑戰。對于雙核MCU，一種可能的解決方案是在一個專用核心上包含多個并行抽取濾波器路徑和高性能軟件，而另一個核心運行應用策略。在目前的系統中，爆震和拉姆達傳感器為下一個發動機循環提供反饋。通過壓力控制系統，設計人員想要降低當前循環中的壓力。為了滿足更低NOx的歐6要求，

MultiAir系統

菲亞特開創的MultiAir系統采用電動液壓技術，而不是機械可變氣門正時（VVT），控制進氣的技術將功率提高到10％，扭矩提高到15％。另外，它可以減少10％到25％的二氧化碳排放量。該方法允許發動機小型化，并且在與增壓器一起使用時提供更大的改進。
菲亞特/克萊斯勒MultiAir系統目前使用單獨的ECU。利用雙核系統，可將MultiAir控制功能集成到發動機ECU中，從而降低總體成本。

氣缸停用

混合動力系統需要在車輛停止時完全停用發動機，并且發動機將正常地閑置并消耗燃料而不增加任何英里到MPG計算。這要求MCU具有更高的性能。發動機運行時的氣缸停用涉及在一定的輕載行駛條件下將八缸氣缸變成四氣缸或六氣缸變成三缸發動機。也稱為“可變位移”或“位移指令”，這項技術是由于取決于公路和巡航條件或測試周期從10％提高到16％。在這些系統中，數字控制通過電控節氣門選擇性地停用汽缸。這個過程需要改進動力傳動系統微控制器的計算能力和精確定時，以及額外的扭矩匹配軟件。雙核MCU不僅僅是這些系統面臨的挑戰。

自動變速器

自動變速器控制越來越成為現代復雜動力總成系統的標準部分。今天的六速變速箱有六個或更多精密電流控制電磁閥，由數字電子裝置驅動。這要求過采樣電流波形32,64或128次，對于上一代傳輸大約在300微秒而不是1毫秒。計算和感應能力比之前所需要的要大得多。最近宣布，九速自動變速器的標準六速自動變速器的燃油經濟性提高了16％。越來越復雜的傳輸可以依靠雙核MCU的處理，定時和過濾能力。

雙離合變速器

雙離合器六檔變速器提供了手動變速箱的燃油效率，同時還提供了便捷的高檔自動變速器。雙離合變速器（DCT）的效率更高（減少高達百分之九的燃油消耗），并以毫秒為單位進行換檔，并且需要更多的處理能力才能正確及時地進行網格劃分。從本質上說，這款離合器的機電版本預計將從2010年的約10％上升到2017年的20％以上。DCT需要改進的MCU性能，以便在離合器應用時同步不同軸的轉速。這可以通過雙核MCU中的一個eTPU2輕松完成。

動力總成電氣化

短期來看，發動機小型化，汽油直接噴射轉換和啟停實施將在提高車輛燃油經濟性和達到排放標準方面發揮主導作用。沒有這兩個特征的車輛在未來幾年內有更大的可能性轉移到這些車輛上。在較長的時間內，也許是三到七年，全車電氣化和插電式混合動力汽車和電動汽車將大幅增長。七年之后，將會出現多技術的出現。

圖4：使用抽取濾波器（DecFil），ADC，eTPU2和額外的雙核MCU硬件和軟件功能的爆震檢測示例。

混合動力汽車和電動汽車中的電子控制將車輛中的微控制器發揮到了新的層次。電動機的功能可以像在中型或者甚至是微型混合動力車中的起動 - 停止系統一樣簡單地用于全混合動力車輛，插電式混合動力車輛或者全電動車輛。在這些車輛中，MCU控制電機并管理電池。對于還具有用于推進或充電的發動機的混合動力車，控制增加了管理內燃機的復雜性。

電機控制

在混合動力汽車和電動汽車中，逆變器操作涉及到精確的波形整形。采用三相逆變器控制，需要智能外設來簡化計算和計時。該過程類似于已經在其他車輛系統（例如電動助力轉向（EPS））中實施的高效三相電機的控制，但是需要更多的計算能力。
使用小而強大的電動機需要大量的極點，并且在例如大約1kHz的頻率下工作。為了滿足這些要求，雙核MCU利用了eTPU2的高分辨率能力，如圖5所示。在低速情況下，必須產生不到10％的額定電壓。雙核MCU中的eTPU2可以產生這個低電壓來實現平滑的轉矩控制。

圖5：與底部顯示的較低分辨率輸出相比，eTPU2（頂部）的高分辨率能力允許在低電壓下產生平滑的波形，以在該工作區域實現平滑的轉矩控制。

多個eTPU為系統設計者提供了更多選擇。有了MPC5676R中的三個eTPU，一些系統設計人員正在考慮用一個MCU控制兩個直流電機。

電池管理

混合動力和電動汽車中的電池管理是一項復雜的任務，因為它涉及的不僅僅是管理進出電池的電力。監控單個電池以安全地接通電源并斷開電源，這意味著需要多個輸入和輸出以及用于控制的大量計算能力。動力總成MCU需要與電池管理系統進行廣泛的溝通。雙核MCU解決方案提供一系列串行通信協議，例如eSCI，DSPI，FlexRay，微秒級通道和CAN，以提供一系列可靠的通信設計選項。

解決系統問題

除了解決動力總成子系統日益復雜的問題之外，最新的多核動力總成體系結構MCU還有幾個強大的功能，可以對動力總成系統設計產生重大影響。這些例子包括：自檢，簡化校準，降低功耗，軟件任務和共享數據管理。

自檢

雙核MCU具有擴展自檢能力。自檢控制單元包括可編程邏輯內置自檢（LBIST）功能，該功能尚未在其他動力總成MCU上使用。有了這個功能，MPC5676R改善了與軟件執行相關的硬件邏輯（如核心流水線和緩存控制器）的故障覆蓋率。

圖6：VertiCal系統

LBIST功能提高了檢測潛在故障條件的能力，為MCU和控制系統提供了更高的可靠性。通常在啟動時執行，自檢涉及硬件的非常廣泛的檢查。自檢操作會阻止運行任何應用程序代碼，因為自檢會控制芯片上的所有邏輯。為了實現可編程性，LBIST在一個內核上運行，而另一個內核運行應用程序代碼。這為系統設計人員提供了進行自我檢查以確定芯片邏輯狀態的機會。

簡化的校準過程

雙核MPC5676R具有專利機制，通過允許外部校準工具直接與MPC5676R的存儲器管理單元（MMU）非直接交互，可以更輕松地校準引擎映射。該方法大大簡化了在引擎校準過程中執行的存儲器映射的AB切換，并且消除了對外部邏輯（例如，嚴格用于校準的外部雙端口RAM）的需要，以及需要中斷處理器的操作以切換記憶。
將這一專利機制與經過驗證的VertiCal校準系統相結合，可將校準過程與應用程序代碼隔離，從而實現更快，更強大的系統開發生命周期。
VertiCal校準系統在芯片級封裝（CSP）中使用生產硅芯片，以確保生產和校準系統之間的完全硬件和軟件兼容性，支持覆蓋存儲器的簡化使用，基于Nexus的調試工具支持，支持全功能校準工具通過提供全面的設備信號，靈活地支持新的調試和校準功能（如高速串行通信），并允許在不影響標準MCU I / O資源的情況下進行系統校準。

在低功耗約束下性能更高

在現代車輛所需的低功率限制下獲得更高的性能決定了個人計算機微處理器供應商已經擁抱了數年的設計理念的改變。這種變化是由性能進一步提高的局限性造成的，而犧牲了功耗的增加。
波拉克的規則指出，業績的增長大致與復雜性增長的平方根成正比。換句話說，為了從一個核心獲得兩倍的性能，它的復雜性必須增加四倍。一般來說，增加的復雜度基本上等于功耗的增加。如圖7所示，使用兩個以相同頻率運行的CPU可以降低功耗。增加邏輯門或增加頻率的其他選項都會導致更高的功耗。

圖7：加倍CPU是實現兩倍性能的最有效方法。

軟件任務和共享數據管理

將本文描述的技術應用于MPC5676R的雙核架構時，很可能需要協調軟件任務和訪問共享資源，如ADC結果表，程序變量和硬件I / O訪問。
MPC5676R通過使用硬件高速緩存一致性機制和信號量，提供增強的功能以支持任務同步和共享數據管理。高速緩存一致性提供了一種在內核之間共享快速訪問高速緩存數據的方法以及由DMA控制器更新的數據。利用內存映射硬件信號量塊實現信號量或者通過軟件實現的預留機制提供在核心之間共享資源和同步任務的手段。程序員可以利用這些強大的技術來提高應用軟件和硬件的性能，可靠性和靈活性。

軟件工具和啟用

飛思卡爾擁有用于支持雙核MCU的全面生態系統的工具和軟件。作為業界標準Power Architecture系列產品的一部分，最新的雙核MCU受益于飛思卡爾的全面開發工具以及VertiCal校準解決方案的多核支持的第三方。隨著性能要求的提高，轉換非常簡單。有幾家公司為軟件工具，編譯器和調試器提供了大量的開發工具。
Power Architecture技術在汽車領域的廣泛使用吸引了許多第三方工具開發商。這簡化了系統設計人員的工作，盡管他們解決的問題遠比過去復雜得多。熟悉Power Architecture工具集的設計人員可以很方便地將其用于雙核處理器。全面的軟件兼容性可縮短開發時間并縮短上市時間。雙核MCU為其他Power Architecture系列成員提供了非常簡單的遷移路徑，并且與單核MPC5674F兼容。因此，這些工具集中的投資適用于下一代處理器。另外，MPC5676R的6 MB非易失性閃存支持計算密集型建模環境和自動代碼生成軟件工具（如AUTOSAR），無需增加片外存儲器的成本和復雜性。此外，飛思卡爾現在提供了一個完整的集成開發環境，以100％的周期精度來設計，測試和調試eTPU軟件。

動力總成啟用的歷史

自20世紀70年代最早的MCU應用以來，飛思卡爾一直是汽車動力總成的一個組成部分，當時需要開創性技術來滿足清潔空氣法規。1998年推出的32位Power Architecture技術開創了動力總成性能的新紀元，成為業內最成功的32位動力總成微控制器系列。
現在，隨著汽車制造商及其一級供應商應對全球每個地區的新排放和燃油經濟性問題，基于Power Architecture技術的靈活雙核MCU為他們提供性能和設計工具，以解決極其復雜的問題變成可以解決的情況。