多核微控制器對先進(jìn)傳動控制單元的作用分析

隨著電子控制和建模技術(shù)的演進(jìn)，傳動系統(tǒng)得到了更好的管理，從而車輛的效率得到提高并減少了排放。電子控制和動力傳動系統(tǒng)在追求不斷改善的同時，圍繞價值鏈密切的合作給我們提供了大量新的機(jī)遇。

這篇報告將從傳動應(yīng)用趨勢和挑戰(zhàn)的回顧開始。滿足這些預(yù)期需要轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)微控制器為多核架構(gòu)。這樣轉(zhuǎn)變的原因是基于物理學(xué)以及現(xiàn)代硅技術(shù)，使得多核微控制器具有強(qiáng)大的性能、功能安全、信息安全、可拓展外設(shè)和I/O口、減少功率損耗。
然后我們通過系統(tǒng)適應(yīng)度和校準(zhǔn)控制的兩個例子進(jìn)行介紹，第一個例子是研究可變力螺線管的管理來滿足液壓離合器；第二個例子是解決控制電動機(jī)的各種應(yīng)用程序如離合器、傳動齒輪、傳動鎖或者油泵。

近年來傳動系統(tǒng)軟件的規(guī)模和復(fù)雜性呈指數(shù)級增長，該系統(tǒng)集成了大量強(qiáng)大的新功能,需要適應(yīng)各種發(fā)動機(jī)和車輛的多樣性。本文檔將評估推動傳動系統(tǒng)不斷改進(jìn)的駕駛需求，探索電子將如何適應(yīng)現(xiàn)代日益苛刻的要求。

趨勢與挑戰(zhàn)
傳動系統(tǒng)是動力系統(tǒng)的核心，二氧化碳減排的挑戰(zhàn)正在推動更多電氣化的車輛，混合動力、插電式以及純電動將進(jìn)入市場，預(yù)期到2020年電氣化車輛會占到總量的10％。傳動系統(tǒng)需要多源扭矩的融合，同時加入了新的驅(qū)動模式，如：慣性滑行, 滑動, 順坡下滑等，
車輛制動時需要恢復(fù)能量，另外傳動系統(tǒng)需要支持坡道制動和停車制動功能，提供扭矩向量，與車輛穩(wěn)定系統(tǒng)無縫連接在一起。這些需求不斷推進(jìn)傳動系統(tǒng)演變?yōu)殡娮泳€性控制，加速了向更高級別ASIL的腳步。在未來，單一的故障安全系統(tǒng)是不夠的，故障可運(yùn)行功能可能成為自動駕駛汽車上必不可缺的功能。客戶們正在詢問自適應(yīng)巡航控制、高級駕駛輔助系統(tǒng)、自動駕駛上的新功能，如下圖－1。這些系統(tǒng)通過GPS、攝像機(jī)、雷達(dá)、光電雷達(dá)、V2V、V2I、V2C得到復(fù)雜的信息，一個真正可行、可靠的系統(tǒng)將通過傳動系統(tǒng)優(yōu)化客戶的駕駛體驗、使得燃油經(jīng)濟(jì)性更高、減少排放。完整的汽車團(tuán)體將會在汽車的創(chuàng)新與改革中面對大量的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的OEM廠商被特斯拉、谷歌和蘋果這些新興企業(yè)不斷推動創(chuàng)新。

圖－1 車輛簡化模塊圖型

電氣電子架構(gòu)
首先現(xiàn)在新的需求正影響著電氣電子的架構(gòu)，過去的方法是在每個機(jī)械功能上加入一個電子控制單元，然后所有的電子控制單元通過不同的通信總線相連接，大多數(shù)的板網(wǎng)架構(gòu)通過中央網(wǎng)關(guān)連接。這樣的架構(gòu)在成本上很昂貴，也很難持續(xù)下去。過去30年的汽車電子主要由三個基本的問題構(gòu)成：這個功能在做什么？誰發(fā)展了這個功能？這個功能是如何、在哪里運(yùn)行？這種傳統(tǒng)的方法經(jīng)常會由于電氣電子架構(gòu)的變化而改動，汽車業(yè)有望逐步轉(zhuǎn)移到域控制器體系結(jié)構(gòu)，應(yīng)用領(lǐng)域的邊界將被重提從而促進(jìn)系統(tǒng)和支持分布式計算的進(jìn)化，這樣一來功能分配將被進(jìn)一步簡化。

圖－2 車輛電氣電子架構(gòu)圖型

來自于高級別需求的次要影響對以下性能指標(biāo)不斷增加的要求：計算性能、存儲空間、連通性、車輛安全以及信息安全，另外汽車系統(tǒng)將與更多的消費(fèi)設(shè)備相互作用，同時軟件需要在線升級能力。

高性能和不斷增加的存儲空間
雖然在汽車電子領(lǐng)域，處理器性能每五年增長三倍，但滿足現(xiàn)代需求的計算能力并不容易達(dá)到。物理性能與現(xiàn)實操作的限制使得計算能力的提升不能僅僅依靠增加CPU的頻率，功率圖描述了隨著CPU頻率不斷增加，非線性功率損耗也進(jìn)一步增加，如圖－3。控制功率損耗的一個方法是十年前在PC業(yè)推出的一個設(shè)備集成多個核的方法。
大多數(shù)的代碼自動生成軟件在一些應(yīng)用中可能達(dá)到超過80％，多核處理器的使用需要提供新的軟件開發(fā)工具：性能建模、多核處理器系統(tǒng)的標(biāo)桿管理、自動負(fù)載平衡、多核處理器的調(diào)試、片上儀器、校準(zhǔn)和快速原型設(shè)計。
AURIXTM家族的32位多核微處理器擁有65nm技術(shù)，已經(jīng)廣泛的使用于安全相關(guān)和信息安全領(lǐng)域的嵌入式系統(tǒng)。變速器控制需要經(jīng)常將ECU放到傳動系統(tǒng)中，并在超高溫下運(yùn)行。提供了特殊的裸芯片版本，環(huán)境溫度可以達(dá)到170℃。另外可選的是新的開放式下散熱片封裝，它同樣能在環(huán)境溫度達(dá)到145℃運(yùn)行一定的時間。

圖－3處理器體系結(jié)構(gòu)和性能提升

AURIXTM家族中高端芯片：TC297T、TC298T和TC299T，含有3顆TriCore CPU。高性能核心版本TC1.6P在每個周期內(nèi)執(zhí)行三個指令，雙核可以達(dá)到300MHz，一些核含有額外的檢測核，檢測核在下文會提及到。3顆TriCore內(nèi)核通過一個64位的快速通道連接，可以在總線主控、CPU和存儲器之間給予快速并行訪問。這是防止硬件訪問沖突。（圖－3）
除此之外AURIXTM家族中3核版本為了適用于不同的應(yīng)用和性能部分同樣提供了雙核以及單核版本（有和沒有鎖步檢查核）。TC29xT衍生品共含有8兆字節(jié)的程序閃存，被分成4個2兆字節(jié)的獨(dú)立讀取接口，從而允許不同CPU的并行訪問，并且沒有速度限制。相對于90nm技術(shù)的先驅(qū)產(chǎn)品，在閃存編程性能上已經(jīng)取得巨大的進(jìn)展。CAN實際可實現(xiàn)的編程速率在25－50KB/s，F(xiàn)lexRay速率可以達(dá)到400KB/s，以太網(wǎng)速率在1MB/s。數(shù)據(jù)閃存可以為EEPROM仿真和SRAM補(bǔ)充提供配置。EEPROM仿真已經(jīng)實現(xiàn)10年內(nèi)最大數(shù)據(jù)50萬次擦寫。

功能安全
日益復(fù)雜的傳動系統(tǒng)與更加嚴(yán)格的功能安全要求息息相關(guān)，安全性必須符合ISO26262。為了得到證書，電子架構(gòu)必須被修改來滿足ASIL D（汽車安全完整性等級D）。一個多核微處理器架構(gòu)是一個靈活構(gòu)建模塊，具有不對稱的、對稱的以及同步配置的可能性。
開發(fā)汽車電子應(yīng)用產(chǎn)品也會綁定到特定的流程和開發(fā)方法，它需要以下選題指南、建議、最佳實踐和標(biāo)準(zhǔn)。

圖－4 變力電磁控制的安全架構(gòu)

從風(fēng)險分析開始，系統(tǒng)架構(gòu)將會定義它的安全目標(biāo)和ASIL分解。按照ISO26262來說，硅供應(yīng)商不會負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的認(rèn)證。然而，供應(yīng)商有責(zé)任設(shè)計一個元件或者一組元件來滿足ASIL對于不同應(yīng)用產(chǎn)品的要求。這些應(yīng)用產(chǎn)品家族安全要求集于一處，被稱為SEooC，SEooC是無需懂得特定汽車體系即可開發(fā)的預(yù)先資格安全要素。這是一個靈活的和成本有效的解決方案，包含：一個安全微控制器、一個安全供電、安全門驅(qū)動模塊以及更多所需模塊。在應(yīng)用產(chǎn)品家族中，這個方法允許驗證工作和文檔的重用，如圖－4。
AURIXTM就是為了支持安全性能高達(dá)ASIL D級應(yīng)用產(chǎn)品而誕生的，AURIXTM安全設(shè)計允許無縫地驗證指令集、程序、數(shù)據(jù)流和記憶的完整性。微控制器家族依靠一個鎖步結(jié)構(gòu)來處理代碼和數(shù)據(jù)。
術(shù)語“鎖步核”的意思是兩個完全相同的核在處理相同的代碼和數(shù)據(jù)。它們無時無刻不在驗證結(jié)果，如果發(fā)生干擾，在兩個核上的影響可能不一樣，將被一個比較機(jī)制檢測到。為了增加檢測機(jī)制，兩個核放置在遠(yuǎn)離對方的地方，邏輯布局是不同的，并且代碼執(zhí)行在彼此間有一定延時。這些多樣性允許高錯誤檢測和可能的應(yīng)對方法。
為了保證共因故障問題得到管理，例如電源故障和振蕩器故障，AURIXTM配置了TLF35584安全電源模塊，兩個裝置已經(jīng)調(diào)節(jié)至無縫連接在一起，并允許滿足一個簡單、有效的ISO26262體系結(jié)構(gòu)實現(xiàn)。

車輛的連接和安全
現(xiàn)在的車輛已經(jīng)與便攜式設(shè)備相連接，例如智能手機(jī)、筆記本電腦、便攜式自動導(dǎo)航系統(tǒng)、車載自動診斷系統(tǒng)軟件保護(hù)器等等。不斷增加車輛上的連接設(shè)備、云基礎(chǔ)設(shè)施和車輛的改進(jìn)提供了各種機(jī)會。一個最典型的例子就是通過GSM或者是無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了軟件的在線更新。傳動系統(tǒng)正在受益于可預(yù)見的信息，如方位、路況、交通、天氣情況等來最大的優(yōu)化變速策略并在路上最有效地傳遞轉(zhuǎn)矩。

圖－5 車輛的連接和安全

另外一個對于傳輸系統(tǒng)來說具有巨大潛力的是遠(yuǎn)程診斷。ECU可能預(yù)先發(fā)送一些監(jiān)測或診斷數(shù)據(jù)給云進(jìn)行評估，云可能會回饋一些調(diào)節(jié)、校準(zhǔn)更新以及軟件更新，或者是服務(wù)訪問請求。如果第一故障診斷結(jié)果可以通過提醒的方式送達(dá)至駕駛者，駕駛者可以選擇繼續(xù)行駛或者是中止現(xiàn)在的行程進(jìn)行必要的維修和修理服務(wù)。所有這些新的功能都以安全通信為前提，安全通信可以驗證消息、需要的話可以執(zhí)行數(shù)據(jù)加密。車載網(wǎng)絡(luò)需要方法來保護(hù)，如防火墻、沙盒和入侵檢測來阻止可能的攻擊。為了保障車輛安全和信息完整，盡快實現(xiàn)進(jìn)一步的安全性加強(qiáng)措施是很有必要的。

軟件的在線更新
IHS Automotive評估報告中寫到通過軟件的在線更新，全世界的成本節(jié)省將從2015年27億美元增長至2022年超過350億美元。兩個關(guān)鍵方面確定客戶的接受程度：防止操縱攻擊和車輛的可用性。而第一個顯然也包括原始設(shè)備制造商和供應(yīng)商IP地址的保護(hù)，車輛的可用性大大取決于固件更新的持續(xù)時間和ECU的性能。討論了兩種基本的方法：軟件后臺分區(qū)安裝和鑰匙關(guān)閉模式下的安裝。

圖－6 軟件的在線更新

軟件在線更新和在服務(wù)站上更新最大的區(qū)別在于在線連接原始設(shè)備制造商的數(shù)據(jù)中的脆弱性和不可預(yù)測性。原始設(shè)備制造商服務(wù)包當(dāng)你下載數(shù)據(jù)的時候都第一時間被存儲在中央數(shù)據(jù)存儲。下載過程在后臺執(zhí)行，可以在任何時間進(jìn)行下載，不會影響到車輛的正常行駛。
軟件在線更新控制的典型任務(wù)：
1、與原始設(shè)備制造商更新系統(tǒng)交互；
2、從原始設(shè)備制造商服務(wù)器下載服務(wù)包到中央存儲器；
3、中央存儲器中數(shù)據(jù)處理；
a、無線協(xié)議解密
b、檢查完整性和身份驗證，如HASH的私人車輛鑰匙
c、為目標(biāo)ECU打開和重新包裝
4、分發(fā)各包到特定ECU；
5、監(jiān)督更新過程中目標(biāo)的ECU，檢查是否成功；
6、重新啟動所有的ECU與新軟件的車載網(wǎng)絡(luò)。
當(dāng)軟件在服務(wù)站更新的時候，車輛通常是在一個預(yù)測環(huán)境和長時間的關(guān)閉情況下。而對于軟件在線更新的環(huán)境下則完全不同，不管在哪里都可以更新，環(huán)境可以各不相同，甚至不能使用汽車的時間直接影響業(yè)主接受做更新。不同汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和特定的總線實現(xiàn)的傳輸速度是公認(rèn)的一個瓶頸。因此汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑荚O(shè)備制造商主要影響不同的方法和需要解決的問題。

提供更多的架構(gòu)和技術(shù)潛力
向域控制的遷移將加速。在2020年，我們將會看到6核及以上控制器、嵌入式實時系統(tǒng)的嵌入式閃存的16Mbyte存儲大小。很快的，40nm和28nm技術(shù)將會變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)將允許在合理的功耗下提高時鐘頻率，它不會像在PC市場上的速度是高于多個GHz，但將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于今天的300MHz。處理能力的需求不斷增長將會創(chuàng)造性能集群的需求，如此強(qiáng)大的中央域控制器將緊密相連的“衛(wèi)星”的ECU，管理身邊高實時性和安全關(guān)鍵應(yīng)用產(chǎn)品。

圖－7 表現(xiàn)性能和存儲器大小的提升

圖－8半導(dǎo)體技術(shù)進(jìn)化的路線圖

非易失性存儲器的需求將由以下兩個增加：軟件的增長和軟件更新向在線更新的遷移。技術(shù)將繼續(xù)萎縮，根據(jù)國際半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展路線圖依然預(yù)測可能性達(dá)到小于5nm，傳統(tǒng)的嵌入式閃存技術(shù)將在低于28nm后將不具成本優(yōu)勢。新技術(shù)或新的分區(qū)在2020后進(jìn)入準(zhǔn)備時間。對內(nèi)存大小的要求將快速增長，以滿足代碼的執(zhí)行和數(shù)據(jù)存儲，此外性能要求將推送實現(xiàn)多個高速緩存。多核的發(fā)展將不可避免，新的功能將被添加來保證在這個收縮水平的內(nèi)存和計算的完整性、車輛安全和信息安全。

電機(jī)控制
傳動系統(tǒng)中經(jīng)常使用的電機(jī)控制，如油泵（潤滑、離合器運(yùn)動）、換檔和停車鎖。這些電機(jī)大多數(shù)是永磁同步電機(jī)。這個實現(xiàn)已經(jīng)于2015年5月20日由Robert Tan和Hansen Chen在美國的國際傳動領(lǐng)域?qū)＜?a href="http://www.wenjunhu.com/article/bbs/" target="_blank">論壇上提出，利用分塊變換或矢量控制來控制它們。新的硅傳感器技術(shù)在成本和空間方面非常有效，可以很容易地更換昂貴的電機(jī)位置傳感器如解析器（見下一章）。
傳動電機(jī)經(jīng)常被用于重要的安全控制回路，建議使用SEooC像在以前的章節(jié)中解釋的那樣。由于傳動系統(tǒng)是使用多種線控子系統(tǒng)，這樣不僅故障安全而且故障可運(yùn)行，下面的圖表給出了一個實現(xiàn)的例子。在例子中，電機(jī)兩邊各一個三相繞組，由單獨(dú)的電子和電池供電。如果一邊失敗，另一邊可以接管總功率50%的控制權(quán)，動態(tài)性能將會降低，但系統(tǒng)能在故障以后繼續(xù)運(yùn)行。

圖－9故障后保全功能電機(jī)控制系統(tǒng)

角度位置傳感器的潛在優(yōu)勢
角度位置傳感在電機(jī)驅(qū)動應(yīng)用領(lǐng)域一直以旋轉(zhuǎn)編碼器為主，xMR技術(shù)的進(jìn)步將提供方案逐漸取代傳統(tǒng)的方法，這個技術(shù)的優(yōu)勢在于其成本低、在所有的速度和加速度條件下有著非常好的精度（例如0.15゜的精度）、空間更小、重量減輕以及避免傳感器錯位放置，此外，通過使用硅技術(shù)可以添加過濾器來減少來自齒輪、軸承、道路、發(fā)動機(jī)和電機(jī)極的噪聲。此方法可以運(yùn)行一個自動校準(zhǔn)功能、避免復(fù)雜以及昂貴的標(biāo)定。該系統(tǒng)也能很好的對抗來自電機(jī)附近的磁擾動。另外微控制器的端到端保護(hù)數(shù)字傳感器連接（如通過循環(huán)冗余校驗）會協(xié)助滿足ASIL要求和長期來看代替原模擬傳感器連接。

圖－10 新的角度位置傳感器

可變力電磁閥離合器的控制
離合器的控制系統(tǒng)包含圖－11中的可變力電磁閥（1）、短管閥（2）和液壓離合器（3），是非常復(fù)雜和非線性的，它是受到許多參數(shù)的變化影響，如電池電壓、油溫、制造工藝和老化程度。在大多數(shù)傳動系統(tǒng)中，在生產(chǎn)線的末端會執(zhí)行一個非常昂貴的標(biāo)定，這些標(biāo)定可以選用不同的控制方法、自校準(zhǔn)、系統(tǒng)學(xué)習(xí)和適應(yīng)。
第一階段是利用抖動電流控制來避免可變力電磁閥非線性曲線，如滯環(huán)非線性行為?？刂破饕残枰焖夙憫?yīng)電池電壓的細(xì)微變化，并有+ / - 1%電流的準(zhǔn)確性或更好。這個實現(xiàn)問題已經(jīng)于2015年9月16日由Yan博士在中國的國際傳動領(lǐng)域?qū)＜艺搲咸岢觥?/p>

圖－11 離合器控制原理圖

第二步，可以建立完整的系統(tǒng)模型，控制離合器的ECU可以運(yùn)行一個周期的識別序列和學(xué)習(xí)/適應(yīng)控制參數(shù)，這種適應(yīng)可以使用系統(tǒng)的反饋，如機(jī)油壓力、一個準(zhǔn)確的軸位置或在離合器之前和之后的速度傳感器。高性能單片機(jī)將通過傳遞函數(shù)和計算電流設(shè)定點(diǎn)來調(diào)整離合器系統(tǒng)。

圖－12 離合器控制框圖

總結(jié)
在性能、功能安全和信息安全上，AURIXTM的強(qiáng)大能力眾所周知。處理性能開放了自適應(yīng)系統(tǒng)的新領(lǐng)域，將降低成本和復(fù)雜標(biāo)定和下線前的微調(diào)。
對于未來自動駕駛、高級駕駛輔助系統(tǒng)、車連網(wǎng)和新能源的要求將會帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。傳動系統(tǒng)將會得益于新的技術(shù)，如軟件的在線更新、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程服務(wù)等。
當(dāng)然仍有許多問題沒有得到答案。軟件的在線更新對于存儲器的架構(gòu)以及空間大小有什么影響？我們是否可以繼續(xù)增加核數(shù)，并保持復(fù)雜性在一個正確的等級？