数字信号控制器在汽车设计中的应用

　　简 介

　　汽车设计从过去单纯的机械式系统，到如今常常包含多达100个微处理器的现代汽车，已经走过了很长的历程。传统汽车上用到电子器件的部分仅仅是那些娱乐设施，最常见的是汽车收音机。直到有关诸如废气排放量和节油性等汽车各方面性能的政府规定出台以后，对汽车功能的电子控制才开始变得越来越普遍。最初，某些功能是依靠分立式硬件元件或数字逻辑执行的。随着单片机(MCU)等嵌入式处理器解决方案的出现，使用MCU来代替固定硬件的好处正逐步显现，这是因为设计者可以对MCU进行编程以执行模块所要求的特定任务。汽车设计中大量采用了各种MCU，从用在转动挡风玻璃雨刮器和开门等功能的最简单的8位MCU到控制引擎的复杂32位MCU。这个范围的中间是大量的16位MCU，它们本身在计算能力、存储容量、功耗和外设特性方面也呈现出相当大的多样性。为每个独立的汽车子系统选择合适的处理器，并在不同的子系统间合理地分配处理能力，对汽车产品的性能、可靠性和增强功能起着至关重要的作用。

　　数字信号控制器：单片机和数字信号处理器领域的佼佼者

　　大多数汽车控制和监视操作都需要大量的数学运算。例如，在引擎预热阶段，空气流量(MAF)传感器和引擎转速计(以每分钟转数(RPM)表示)的输出数据会被MCU采样，然后需要根据测得的数值，计算出要求喷射到每个汽缸的燃油量，公式如下：

　　F=MAF/(K*N*RPM/120)

　　其中，K是给定润滑剂温度下的理想(常数)空气-燃油比，N是汽缸的数量。

　　上面的计算不仅涉及精确的乘法和除法，还必须对要射入的燃油量进行重复计算以适应快速变化的引擎工作条件。因此，当废气含氧量(EGO)传感器已预热充分，能够测量废气的质量时，必须持续监视EGO传感器的输出数据，以调节燃油喷射速率，从而获得最佳的引擎性能并减少废气的排放量。

　　计算密集型操作的其他实例还有：

　　a)对来自各种传感器的数据进行有限冲激响应(FIR)或无限冲激响应(IIR)滤波，以消除噪声。应用实例：引擎爆震检测、熄火检测或在持续监视燃油液位时消除油料晃动的影响。

　　b)进行快速傅立叶变换(FFT)对数据进行分析，以在后续的处理阶段使用频谱。应用实例：主动振动控制或排气噪声消除。

　　c)根据传感器输入数据的数量级，对其进行定标，以及归一化和线性化处理。

　　d)比例-积分(PI)或比例-积分-微分(PID)控制算法。应用实例：导航控制。

　　图1描绘了一个简化的引擎控制系统，它本身就是汽车中各种处理器所执行任务的一部分。