AURIX? TC4x CDSP介紹及應(yīng)用

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引言

英飛凌微AURIX? TC4x控制器中的CDSP-Converter Digital Signal Processor是一種專門設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)高性能可編程的數(shù)字信號處理和控制單元。其核心是Synopsys DesignWare^? ARC^? EM5D(ARC) 32位的處理器。CDSP用于進(jìn)行后處理來自Delta-Sigma ADC(DSADC)、外部調(diào)制器(EXMOD)、時(shí)分復(fù)用ADC(TMADC)、載波模式幅度(CARMAG)或通用寄存器(GP)的信號等等。CDSP模塊提供了豐富的ARC核CPU指令集，支持多種算法和數(shù)據(jù)類型，包括浮點(diǎn)數(shù)、定點(diǎn)數(shù)、復(fù)數(shù)等，因此可以廣泛應(yīng)用于音頻、視頻、通信等數(shù)字信號處理領(lǐng)域。

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CDSP架構(gòu)簡介

圖1 TC4x微控制器示意圖

圖1 TC4x微控制器示意，其中，CDSP位于ADC模塊中可通過LLI低延時(shí)總線，快速實(shí)現(xiàn)與PPU的數(shù)據(jù)交換和通信；也可通過CPB轉(zhuǎn)換器外設(shè)總線通信能夠同時(shí)傳輸多個(gè)數(shù)據(jù)位，以提高數(shù)據(jù)傳輸速度和效率。

CDSP核心架構(gòu)主要模塊及功能如下：

核架構(gòu)：新思科技 ARC v2 DSP Core EM5D

• 采用哈佛結(jié)構(gòu)的處理器，具有級精簡指令集計(jì)算（RISC）三級流水線技術(shù)

• 一個(gè)32x32的單周期乘-累加（MAC）單元，用于高效的數(shù)字信號處理

• 1個(gè)主端口，用于獲取模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）的結(jié)果，并將結(jié)果寫入結(jié)果先進(jìn)先出（FIFO）緩沖區(qū)

• 具有2個(gè)從接口，用于外部主設(shè)備訪問指令和數(shù)據(jù)存儲器

• 具有3KB的指令緩存ICCM和3KB的數(shù)據(jù)緩存DCCM

• 指令集架構(gòu)專注于數(shù)字信號處理

• 時(shí)鐘頻率為160Mhz

 獨(dú)立的處理器輸入接口

• DSADC內(nèi)部結(jié)果寄存器

• EXMOD內(nèi)部結(jié)果寄存器

• DSADC載波發(fā)生器的載波幅度值（CARMAG）

• TMADC內(nèi)部結(jié)果寄存器

• 4個(gè)通用寄存器

• 通過FPI總線系統(tǒng)對程序RAM和數(shù)據(jù)RAM進(jìn)行寫訪問

每個(gè)處理器的輸出接口

• 主結(jié)果輸出寄存器（RES0），帶有深度為4的FIFO

• 2個(gè)輔助結(jié)果寄存器

• 通過FPI總線系統(tǒng)對數(shù)據(jù)RAM進(jìn)行讀訪問

事件信號（服務(wù)請求生成）

• 結(jié)果生成（在FIFO模式下，根據(jù)FIFO填充級別進(jìn)行配置）
  

• 時(shí)間戳生成

• 限制檢查條件（信號在范圍內(nèi)或范圍外）

• 處理器狀態(tài)（處理器喚醒錯(cuò)誤，系統(tǒng)已停止）

  等等，詳細(xì)信息參閱使用手冊。

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CDSP特性及性能

CDSP的工作頻率：160 MHz

算力：18 x CDSP: 18 x 289 DMIPS（兩個(gè)CDSP核相當(dāng)于一個(gè)Trcore核算力）

CDSP通常處理來自DSADC、EXMOD、TMADC、GP、CARMAG等的輸入信號，軟件實(shí)現(xiàn)不僅TC2x/TC3x 的硬件濾波功能，還可以靈活的實(shí)現(xiàn)其濾波算法，如圖2所示：

圖2 濾波功能TC2x/3x硬件實(shí)現(xiàn)到TC4x CDSP軟件實(shí)現(xiàn)

用戶可以通過英飛凌CDSP自行編程實(shí)現(xiàn)FIR，IIR，DA，MAT，龍伯格觀測器等等濾波算法。

英飛凌同時(shí)提供相應(yīng)商用庫文件濾波功能。例如：快速傅里葉轉(zhuǎn)換FFT，龍伯格觀測器Luenberger Observer，多通道平均multi-channelaveraging等等功能。

圖3 模型開發(fā)中支持的工具鏈

Simulink模型支持。英飛凌提供軟件例程，用戶可通過MATLAB模型實(shí)現(xiàn)軟件代碼及算法的生成、從而快速部署，大大簡化開發(fā)難度和加快用戶的開發(fā)速度。參考示意圖3：

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CDSP safety

硬件安全概念主要依賴于冗余性。在安全設(shè)計(jì)中，冗余性是一種重要的機(jī)制，用于提高系統(tǒng)的可靠性和安全性。

CDSP軟件是硬件功能安全案例的一部分，沒有專門的功能安全計(jì)劃。

CDSP針對ASIL-D級別的流程認(rèn)證和功能認(rèn)證（硬件+軟件），其中包括時(shí)序要求。

TC4x MCAL符合ASPICE版本3.1的ASPICE L3流程認(rèn)證，符合ISO 26262第2版、ISO 21434和MISRA標(biāo)準(zhǔn)。

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CDSP應(yīng)用場景

兼容傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用，數(shù)字濾波器模塊配置用于爆震檢測：

• 爆震傳感器的輸出電壓由內(nèi)部DS調(diào)制器轉(zhuǎn)換為比特流信號。

• 比特流連接到具有SW濾波器鏈的三個(gè)CDSP，由此每個(gè)實(shí)例被配置有相應(yīng)的帶通特性（fB1、fB2、fB3）。

• 基于數(shù)字濾波器鏈內(nèi)部整流器和積分器功能，計(jì)算每個(gè)帶寬（fB1、fB2、fB3）的爆震強(qiáng)度。其系統(tǒng)框架圖參考示意圖4：

圖4 CDSP實(shí)現(xiàn)爆震檢測

xEV Inverter應(yīng)用中，CDSP實(shí)現(xiàn)平均電流檢測和龍伯格觀測器，實(shí)現(xiàn)高效低成本的旋變解碼功能。通過3路DSADC通道測量，CDSP軟件后處理實(shí)現(xiàn)電機(jī)平均電流測量；使用2路DSADC通道測量，輸入CDSP，實(shí)現(xiàn)Luenberger觀測器計(jì)算速度和位置信息。Luenberger觀測器能夠提供精確角度信息，能夠支持更高的電機(jī)轉(zhuǎn)速，提高效率降低成本。其系統(tǒng)框架圖參考示意圖5：

圖5 CDSP實(shí)現(xiàn)平均電流檢測和龍伯格觀測器架構(gòu)示意圖

適用于<1kW的小型電機(jī)的無傳感器電機(jī)控制：DSADC和CDSP實(shí)現(xiàn)的FFT快速傅里葉變換，實(shí)現(xiàn)無傳感器的電機(jī)閉環(huán)控制，保證精度和效率的同時(shí)有效降低開發(fā)難度和減少物料成本。其系統(tǒng)框架圖參考示意圖6：

圖6 無傳感器電機(jī)控制示意圖

圖7 基于人工智能CDSP的新音頻應(yīng)用

CDSP基于軟件和人工智能的新音頻應(yīng)用提供了可能性：這包括音頻處理、識別和增強(qiáng)功能等領(lǐng)域。例如：硅麥采集到聲音信息，通過TC4x外部調(diào)制器EXMOD輸入CDSP進(jìn)行后處理。最后通過LLI低延時(shí)總線，提供給PPU進(jìn)行計(jì)算，從而快速實(shí)現(xiàn)AI算法。其系統(tǒng)框架圖參考示意圖7：

CDSP在ADAS應(yīng)用中用于電壓監(jiān)測和濾波。來自ADC采集電壓數(shù)據(jù)，CDSP能夠快速、高效、靈活的進(jìn)行后處理。

靈活的過濾器解決方案（CDSP軟件庫實(shí)現(xiàn)），覆蓋多種應(yīng)用。更多應(yīng)用，讓我們攜手共同研究探索。 

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總結(jié)

與前幾代相比，圖8所示，TC4x CDSP具有革命性的解決方案,它不僅僅兼容TC2x/TC3x 的傳統(tǒng)濾波應(yīng)用，還開啟了新的混合信號應(yīng)用新篇章：

圖8 TC4x CDSP靈活的濾波應(yīng)用

截至目前，CDSP涵蓋了內(nèi)燃機(jī)和xEV的所有應(yīng)用。

研發(fā)人員通過英飛凌CDSP軟件庫，可以靈活的配置濾波參數(shù)進(jìn)行快速高效的系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)，以適應(yīng)客戶應(yīng)用。

CDSP同PPU結(jié)合應(yīng)用，高效解決AI人工智能算法。

CDSP結(jié)合處理ADC信號，加速ADAS的處理速度和效率。

這些應(yīng)用只是開始，CDSP還有更多潛在的應(yīng)用等待您的發(fā)掘……敬請期待！

參考

[1]AURIX_TC4Dx_UM_v0.74_DRAFT_2024-02-08.pdf

[2]AURIX_TC49x-N_UM_v0.71_DRAFT_2024-02-29.pdf

[3]TriCore_TC1.8_architecture_manual_volume_1.pdf

[4]TriCore_TC1.8_architecture_manual_volume_2.pdf.

[5]https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-AURIX_TC4x-ProductBrochure-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8eeb092c018eed7720b614e9

[6]https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Infineon_High_voltage_traction_inverter_presentation-Presentations-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8afe5bd0018b291672a47e70

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