浅谈新一代三核处理器AURIX的应用

张 薇王维志

浅谈新一代三核处理器AURIX的应用

张 薇1王维志2

（1.中机车辆技术服务中心，北京 100070；2.中国汽车技术研究中心，天津 300001）

当今汽车电子的核心控制单元也就是ECU从应用层面来看已经不单单控制主（被）动式安全设备、发动(电)机管理、底盘、引擎与车身控制，而是逐渐开发车载式的多媒体、娱乐、影音与通讯系统等附加功能。这里介绍由英飞凌公司在国内开始推广的一款电子芯片——AURIX。

汽车电子 ECU 微控制器 AURIX

1 Infineon公司及产品（AURIX）特色

Infineon公司，总部设在德国慕尼黑。主要生产汽车和工业电子芯片、保密及IC卡应用IC、通讯多媒体芯片、存储器件等。Infineon公司是全球十大半导体制造商之一。随着中国汽车制造行业的发展，英飞凌公司也将发展的目光汇聚于中国这一世界第一消费大国。英飞凌新一代电子芯片（AURIX）也在今年在全国开始推广。

随着全球能源危机与环境危机的逐渐加深，排放法规日益严格。而且，随着电子技术的发展，安全性、舒适性和经济性日益要求严格。为满足应用需求，汽车电子芯片的集成度和复杂度愈来愈高，很大程度上增加了汽车电子芯片的系统性失效和随机硬件故障的概率，增大了事故风险，因此安全是汽车电子芯片的首要而且是最重要的问题。为了达到汽车电子功能安全的要求，IEC61508和ISO26262功能安全标准相继被提出。AURIX作为新一代三核处理器，具有lockstep功能，也就是在一个CPU内核运算过程中，将会有负在该CPU上的一个辅助内核做延后两个时钟周期的相同运算，最后将二者结果进行比对，如果出现问题，则程序进入系统陷阱，而该陷阱的处理措施将完全由用户灵活设定，不管是忽略还是系统复位或者其他中断处理都有详细的安全接口。另外闪存也具有相似的保护机制。这些都是为了更好的服务用户，更好的配合ISO26262标准实施。

图1　曲轴转角与凸轮轴相位关系图

当然作为三核处理器，它的最大优势还是效率，计算机为实现更高的速度，已经发展为4核、8核甚至百核，这无疑使得汽车电子相关的微控制器的发展也会提上日程。

2 AURIX的应用程序控制优势

2.1 发动机相位捕捉与喷油相位时间控制

2.1.1 传统方式控制

在AURIX芯片推出之前，关于发动机的相位捕捉与喷油信号控制一般是这样一个过程：首先使用捕获比较单元，捕捉发动机转速脉冲，包括凸轮轴信号，曲轴信号两种，如图1中相关关系分析，一般来说发动机曲轴信号也就是角度信号是由58+2的码盘与霍尔传感器获得，经过一些信号的处理工作获得如上所示的关系图，58是完整齿数，2是代表两个缺齿，但是上图来源于四冲程发动机，我们需要确定具体的冲程以确定具体的喷油，这时我们仅仅知道360°也就是飞轮旋转一周的具体相位。所以需要凸轮轴来具体获得准确的相位。发动机一个工作循环是曲轴的720°，而凸轮轴只转360°，我们要确定具体的相位就要二者协同处理。在软件上要完成的工作就是第一步确定凸轮轴的当前位置，利用定时器获得凸轮轴信号两个下降脉冲沿之间的时间间隔，用当前脉冲间隔经过修正减去上一个时间间隔，则可以确定最小间隔的那两个齿，从而得到工作循环的始点，然后在相同的原理找到曲轴的工作循环始点。用经过发动机运行过程中负载与转速等情况确定的角度（也就是喷油提前角，翻译到软件上也就是曲轴特定齿数）确定喷油和点火等，值得说明的是，一般发动机是N缸发动机则会有N+1个凸轮轴齿，这也是为了修正喷油时刻而设置的。

但是如此一来，相应的微控制器就要周期性的处理诸多终端服务程序，而且缸数越多控制越复杂。给微控制器的负在能力提出了更高的要求。然而AURIX却是截然不同的控制方式。

2.1.2 AURIX芯片控制

一般来说，AURIX是5核处理器，这是因为有两个lockstep核加一个GTM模块，这就是三个运算处理单元，另外有三个Core0-2。CPU多的好处就是可以分工合作，减轻每个核的负担。

AURIX中运算单元GTM模块就是一个这样的内核，它专注于产生复杂的脉冲波（理论上是任何复杂脉冲波），这是由于它本身就是一个8位处理器，再加上经过反复设计优化的脉冲信号采集模块TIM，与脉冲信号输出模块TOM与ATOM，使之成为名副其实的可以产生任意脉冲波的模块。

以发动机相关喷油点火控制为例进行分析如下。

首先输入曲轴与凸轮轴信号，通过TIM模块送人GTM模块，期间经历的过程，（1）利用两个TIM通道输入上述两路脉冲信号，经过硬件固化的滤波处理得到比较理想的曲轴与凸轮信号关系，再经过与GTM内部的时钟信号匹配处理将每个周期的信号数字化，也就是说将该高低电平时间用数字量表示，反映到实时时钟之后，得到的就是相应的数字表示的时间值。将得到的相应沿的时间值（时间戳）和获得该规整的脉冲波的滤波计数器中的数值与该电位的高低打包成49位的一个数据包传送到ARU（GTM运算模块）。

图2　GTM模块

图3　DPLL RAM

（2）将滤波得到的脉冲信号传递到DPLL模块（顾名思义-GTM中集成的一个倍频模块），在DPLL模块其中一个作用就是确定循环起点，和传统控制中的芯片一样，分为116齿的曲轴信号始点的确定就是由ARU核心处理器经过两个脉冲波的匹配计算，再与DPLL中所存放的116个RAM值做（这个RAM值其实就是一个MAP表，RAM中确定的只是相应116个齿对应的周期数，和循环始点。实际的确定过程还是由时间戳之间的差值确定是否有缺齿，再与曲轴信号的修正作用结合）比对最终获得循环始点。这个过程需要ARU的参与计算时间戳之间的时间差和完成数据存储功能。

（3）下面就要提到倍频功能了。提到倍频就要说明一些基本问题，传统的喷油控制，由于码盘齿数的限制，只能通过时间修正获得相对精确角度的喷油，但是发动机转速在实时变化，当前循环内的时间和下一循环的时间不同是完全可能的，而且相对于58+2的齿来说每个齿对应6度，这个范围是相当大的，而且随着高压共轨技术与压电喷油器技术的日新月异，多次喷射（多达5次）已经慢慢投入市场。这些都给单单以时间修正确定喷油时刻的喷油策略提出挑战，而AURIX的DPLL倍频功能却可以非常灵活的达到控制目的。据TC275数据手册介绍，DPLL可以把每个脉冲（高、低脉冲）最高倍频到1024个周期。那么，如此一来就是每一度对应170个齿。这一就会将每一度在我们的思维中细分到170份，如此也就实现了喷油过程不仅能够用时间控制也达到了可以用角度控制的要求。

（4）ARU通过控制ATOM输出喷油脉冲，前面三个过程的最终目的就是确定需要的喷油时间以及输出喷油脉冲。也是这一部分的功能确定按角度或者实时时间来确定喷油时长。

AURIX-GTM模块的优势毋庸置疑，以其强大的信号处理功能和精确的时间控制以及简单的操控方式必将会慢慢替代传统的控制方式。另外GTM是一个相对独立的运算单元，系统主核（Core0-2）只需要定时的输入一些控制信号给该模块就可以达到控制功能，这样极大的降低了主核的负担，为进一步功能的扩展提供了可能。

GTM模块对于新能源汽车电机控制同样有着重要的意义，而且传统的CCU6所做的电机控制，在应用GTM模块之后，变成一个监控模块，在AURIX电机控制过程中检测和比对输出结果，这样更好的符合了功能安全的要求。

2.2 ADC采集模块

与以往ADC采集模块不同，AURIX的DSADC（Delta Sigma ADC）采集模块主要有一下几个优势之处。

（1）增益误差大幅度降低，数据精度提高。

（2）高频信号噪声处理能力增强。

（3）成本降低。

DSADC对处理发动机爆震信号和电机旋转变压器信号具有突出的意义，就旋变信号来说，现在普遍的电机位置解决方案是采用旋变解码器，这个附加设备的造价在$10左右，这将使得成本增加，而且同步也是一个需要考虑的问题，但是AURIX内置的DSADC模块却非常好的解决了这个问题，它不仅可以通过GTM模块提供触发脉冲，还能够通过GTM的时间基准单元获取实时的时间戳，这些都是在低于微秒级的时间范围内。

而且AURIX芯片DSADC是一个转换精度达到16位的模数转换模块。而且随着芯片制造技术的提高使补偿与误差等降低。

集成MASH（Multi Stage Noise Shaping）数的高频信号采集器。级数可选2到4功能，这是一个可供选择噪声修正级，对应于不同需要的高频信号频率。

图4　MASH分级信号处理结果

最后，一般来说ADC采样结束会发送中断，告知CPU进行信号处理。并且如果有一些重要的模拟量要周期的频繁的获取采样值，这就造成了CPU会忙于ADC结果的处理，而大大降低了系统效率。但是AURIX处理器针对于这一点却做了非常重要的改进，内部集成DMA（直接存取功能），而且DMA是硬件集成不需要CPU参与，DMA将ADC的运算结果存放在规定的Flash里面。等到CPU需要模拟量转换的数字结果时，就会直接从对应的Flash提取运算结果。而DMA是一个独立的双引擎独立转运数据的模块，是ADC模块重要的辅助单元。

3 总结

英飞凌公司在国内新推出的AURIX三核处理器，以其高效的设计，方便的使用方法以及低廉的价格，将会在未来10年以上获得一定的市场份额。关于AURIX芯片的学习，也必将会变的日益大众化，学习该芯片将有广阔的应用前景。而且随着全球的环境危机能源危机，汽车行业电子控制会日益多元化，功能更加细致全面，这无疑使得多核架构成为继续发展的主流。而在国内多核处理器刚刚开始推广的初期，作为软件工程师学习，开发多核架构也是一种必须的过程。

[1]英飞凌公司TC275-Cstep user manual.

[2]英飞凌公司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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