一種高效實(shí)用的發(fā)動(dòng)機(jī)片上爆震檢測解決方案

發(fā)動(dòng)機(jī)爆震及控制

????? 現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(EMS) 中，爆震控制是核心算法之一。由于頻繁爆震會(huì)損壞發(fā)動(dòng)機(jī)，ECU必須采取措施制止爆震。為避免爆震，可以保守地設(shè)置點(diǎn)火提前角。但這以犧牲最佳點(diǎn)火時(shí)機(jī)為代價(jià)，使動(dòng)力和燃油效率性能降低。增加爆震控制功能，發(fā)動(dòng)機(jī)就可以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)點(diǎn)火時(shí)間。它可以逐漸加快點(diǎn)火正時(shí)，以提供更大的動(dòng)力。當(dāng)監(jiān)測到爆震時(shí)，點(diǎn)火正時(shí)才后跳幾度來消除爆震，一般來說，爆震系統(tǒng)能提升約3%的動(dòng)力性和5%的燃油經(jīng)濟(jì)性。

????? 爆震控制算法的最大挑戰(zhàn)是實(shí)現(xiàn)有效的爆震檢測。因?yàn)橐焖贉?zhǔn)確地(如千分之一秒內(nèi))從發(fā)動(dòng)機(jī)的正常噪音中分辨出爆震絕非易事，通常用專門的ASIC來完成。但MCU的功能日益強(qiáng)大，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，要求MCU在控制發(fā)動(dòng)機(jī)的同時(shí)完成精準(zhǔn)的爆震檢測，目的是降低成本并提高系統(tǒng)可靠性。典型的MCU如飛思卡爾的Copperhead(MPC5554)，其內(nèi)核強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力可以勝任各種爆震檢測算法。

爆震檢測的標(biāo)準(zhǔn)方法

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????? 爆震發(fā)生在做功沖程剛開始的時(shí)間里(壓縮沖程活塞運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)(TDC)稍后的時(shí)間里)。我們不僅知道爆震共鳴聲的大致頻率(約為7K及其諧波)，還知道爆震發(fā)生的大致曲軸角度范圍。圖1是根據(jù)該原理的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的爆震檢測框圖。常用的爆震傳感器內(nèi)部封裝一個(gè)壓電陶瓷，將監(jiān)聽到的發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行聲音轉(zhuǎn)換為電信號。來自爆震傳感器的電信號通過一個(gè)帶通濾波器。帶通濾波器將所需要的頻率信號提取出來。根據(jù)曲軸角度信號產(chǎn)生一個(gè)角度窗口，這個(gè)窗口覆蓋了爆震可能發(fā)生的時(shí)段。這樣，從檢測窗口輸出的信號就是在時(shí)域和頻域都做了選擇的，我們感興趣的爆震信號。為了判斷爆震的強(qiáng)度，最直接的方法就是將信號絕對值加起來，即能量集成。將能量集成后的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定的爆震能量參考值進(jìn)行比較，就可以判斷出爆震是否發(fā)生。

基于Monaco的片上爆震檢測方案

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????? 飛思卡爾推出了第一款90納米技術(shù)的專門針對中低端EMS應(yīng)用的微處理器系列Monaco(MPC563xM)。 Monaco是基于Power Architecture架構(gòu)的32位微處理器，其許多片上外設(shè)的及聯(lián)動(dòng)邏輯設(shè)計(jì)充分考慮了爆震檢測的需要。把這些外設(shè)有效的配置運(yùn)作起來就能夠高效地實(shí)現(xiàn)各種爆震檢測方案。對于相對簡單的爆震算法，一旦CPU將這些外設(shè)初始化好，它們甚至可以自治地運(yùn)作，不再需要CPU的實(shí)時(shí)干預(yù)。即使對比較復(fù)雜的爆震算法，這些外設(shè)也能夠完成絕大部分的工作，極大降低了CPU的運(yùn)算負(fù)荷。圖2是基于Monaco的一個(gè)比較典型的片上爆震檢測方案結(jié)構(gòu)圖。圖中展示了所有與爆震功能有關(guān)的外設(shè)及邏輯連接。ADC的輸入端有可配置阻值的4個(gè)偏置電阻和一個(gè)可變增益放大器(VGA)，用于使動(dòng)態(tài)范圍最大化以及補(bǔ)償發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器輸出信號幅度的變化。

爆震信號的采樣

????? Monaco的ADC支持高達(dá)1MHz的采樣頻率及8、 10或12位的采樣精度。本例選擇200K@12bit。Monaco上周期中斷定時(shí)器(PIT)的一個(gè)特性是：不僅能夠配置成周期中斷，還能夠配置成周期地直接觸發(fā)片上的EQADC。本例將PIT周期置為5us并觸發(fā)AD轉(zhuǎn)換，于是得到一個(gè)精確的200kHz的AD轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號。

????? 爆震只在特定角度窗內(nèi)(TDC稍后的一段時(shí)間)才可能發(fā)生，故只需讓ADC在恰當(dāng)?shù)拇翱趦?nèi)工作。這個(gè)窗口由eTPU產(chǎn)生。eTPU是一個(gè)獨(dú)立于內(nèi)核以外的 RISC引擎，在Monaco中eTPU與32個(gè)定時(shí)通道緊密組合在一起，專注于復(fù)雜、高實(shí)時(shí)性的定時(shí)邏輯。其最重要的功能是根據(jù)輸入的曲軸和凸輪軸的脈沖信號來產(chǎn)生發(fā)動(dòng)機(jī)工作的角度基準(zhǔn)。這樣使EMS的控制算法可基于角度空間，eTPU還同時(shí)提供基于角度的噴油和點(diǎn)火控制功能。飛思卡爾提供了完備的 eTPU微碼和全面的庫函數(shù)以便用戶使用。其中包括爆震窗口的產(chǎn)生：在不同的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下對于不同的汽缸都能實(shí)時(shí)給出所期望的基于角度的窗口。

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????? Monaco 片上外設(shè)間的聯(lián)動(dòng)邏輯允許ADC支持高級外部觸發(fā)模式。圖3描述了在MCU內(nèi)部如何產(chǎn)生AD觸發(fā)信號及相關(guān)信號的波形。Monaco的EQADC集成了一個(gè)并行接口(PSI)，爆震數(shù)字信號可以通過PSI直接輸送到片上的硬件數(shù)字濾波器(Decimation Filter)。使用PSI的一個(gè)顯著好處是：在濾波過程中不需要CPU的干預(yù)。

硬件數(shù)字濾波器

????? 硬件數(shù)字濾波器的核心是硬件乘加器(MAC)。缺省輸入樣點(diǎn)的精度為16位。通過軟件可以將硬件數(shù)字濾波器設(shè)置成8階的有限沖擊相應(yīng)濾波器(8th FIR)或4階的無限沖擊濾波器(4th IIR)。硬件數(shù)字濾波器有9個(gè)24位的系數(shù)寄存器，分別存放8個(gè)濾波器系數(shù)和1個(gè)常數(shù)項(xiàng)。MAC單元的累加結(jié)果精度達(dá)51位。在本例中我們將Decimation Filter設(shè)計(jì)為一個(gè)4th IIR低通濾波器，截止頻率為16kHz。硬件數(shù)字濾波器還支持對濾波后的信號亞采樣，亞采樣率從2:1到16:1。目的是降低后續(xù)CPU處理的負(fù)荷。在本例中選擇4:1，截止頻率為16kHz的信號用50k的樣點(diǎn)率就足夠了，不需要高到200k。

信號處理引擎

????? 信號處理引擎(SPE)屬于內(nèi)核的一部分，具有強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。SPE具有各種靈活的乘法及乘加指令，并支持單指令多數(shù)據(jù)(SIMD)功能，在每個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘內(nèi)能夠完成兩個(gè)32位的乘加運(yùn)算(MAC)。飛思卡爾提供了完備的可供高層調(diào)用的DSP庫，包括常用的FFT，IIR和FIR運(yùn)算。在對高級的爆震檢測應(yīng)用中，往往采用FFT作更精細(xì)的頻域分析。在本例中使用6th IIR實(shí)現(xiàn)一個(gè)帶通 濾波器來提取爆震信號。該帶通濾波器的截止頻率設(shè)在9kHz和15kHz。最后的能量集成也由SPE來完成，這只涉及到加法運(yùn)算和對結(jié)果的簡單修正。整個(gè)爆震檢測的CPU所需的負(fù)荷小于3%。

????? 需要指出的是，DMA在實(shí)現(xiàn)該爆震檢測的方案中起到兩個(gè)重要作用：負(fù)責(zé)將存在系統(tǒng)RAM中的EQADC的命令實(shí)時(shí)搬運(yùn)到CFIFO中；將硬件數(shù)字濾波器低通處理后數(shù)據(jù)搬運(yùn)到系統(tǒng)RAM中暫存，并在每個(gè)爆震窗口的數(shù)據(jù)搬運(yùn)完后產(chǎn)生中斷。CPU在中斷服務(wù)程序中調(diào)用SPE的帶通濾波。

本文小結(jié)

????? 飛思卡爾新一代面向中低端EMS應(yīng)用的Monaco系列MCU集成了高效的片上爆震檢測能力。針對爆震控制的應(yīng)用，Monaco系列不僅保留了經(jīng)典的 Power Architecture強(qiáng)大的數(shù)字信號處理能力，更深入優(yōu)化了片上的外設(shè)及相互間的聯(lián)動(dòng)邏輯。無論是較復(fù)雜的高級爆震算法還是較直接簡單的爆震檢測都很適合在Monaco上實(shí)現(xiàn)。