AURIX? TC4x CDSP介紹及應用

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引言

英飛凌微AURIX? TC4x控制器中的CDSP-Converter Digital Signal Processor是一種專門設計用于實現高性能可編程的數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用于進行后處理來自Delta-Sigma ADC(DSADC)、外部調制器(EXMOD)、時分復用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，支持多種算法和數據類型，包括浮點數、定點數、復數等，因此可以廣泛應用于音頻、視頻、通信等數字信號處理領域。

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CDSP架構簡介

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低延時總線，快速實現與PPU的數據交換和通信；也可通過CPB轉換器外設總線通信能夠同時傳輸多個數據位，以提高數據傳輸速度和效率。

CDSP核心架構主要模塊及功能如下：

核架構：新思科技 ARC v2 DSP Core EM5D

• 采用哈佛結構的處理器，具有級精簡指令集計算（RISC）三級流水線技術

• 一個32x32的單周期乘-累加（MAC）單元，用于高效的數字信號處理

• 1個主端口，用于獲取模數轉換器（ADC）的結果，并將結果寫入結果先進先出（FIFO）緩沖區

• 具有2個從接口，用于外部主設備訪問指令和數據存儲器

• 具有3KB的指令緩存ICCM和3KB的數據緩存DCCM

• 指令集架構專注于數字信號處理

• 時鐘頻率為160Mhz

 獨立的處理器輸入接口

• DSADC內部結果寄存器

• EXMOD內部結果寄存器

• DSADC載波發生器的載波幅度值（CARMAG）

• TMADC內部結果寄存器

• 4個通用寄存器

• 通過FPI總線系統對程序RAM和數據RAM進行寫訪問

每個處理器的輸出接口

• 主結果輸出寄存器（RES0），帶有深度為4的FIFO

• 2個輔助結果寄存器

• 通過FPI總線系統對數據RAM進行讀訪問

事件信號（服務請求生成）

• 結果生成（在FIFO模式下，根據FIFO填充級別進行配置）
  

• 時間戳生成

• 限制檢查條件（信號在范圍內或范圍外）

• 處理器狀態（處理器喚醒錯誤，系統已停止）

  等等，詳細信息參閱使用手冊。

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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CDSP核相當于一個Trcore核算力）

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

圖2 濾波功能TC2x/3x硬件實現到TC4x CDSP軟件實現

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

英飛凌同時提供相應商用庫文件濾波功能。例如：快速傅里葉轉換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模型實現軟件代碼及算法的生成、從而快速部署，大大簡化開發難度和加快用戶的開發速度。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。在安全設計中，冗余性是一種重要的機制，用于提高系統的可靠性和安全性。

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劃。

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

TC4x MCAL符合ASPICE版本3.1的ASPICE L3流程認證，符合ISO 26262第2版、ISO 21434和MISRA標準。

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CDSP應用場景

兼容傳統內燃機應用，數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部DS調制器轉換為比特流信號。

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

• 基于數字濾波器鏈內部整流器和積分器功能，計算每個帶寬（fB1、fB2、fB3）的爆震強度。其系統框架圖參考示意圖4：

圖4 CDSP實現爆震檢測

xEV Inverter應用中，CDSP實現平均電流檢測和龍伯格觀測器，實現高效低成本的旋變解碼功能。通過3路DSADC通道測量，CDSP軟件后處理實現電機平均電流測量；使用2路DSADC通道測量，輸入CDSP，實現Luenberger觀測器計算速度和位置信息。Luenberger觀測器能夠提供精確角度信息，能夠支持更高的電機轉速，提高效率降低成本。其系統框架圖參考示意圖5：

圖5 CDSP實現平均電流檢測和龍伯格觀測器架構示意圖

適用于<1kW的小型電機的無傳感器電機控制：DSADC和CDSP實現的FFT快速傅里葉變換，實現無傳感器的電機閉環控制，保證精度和效率的同時有效降低開發難度和減少物料成本。其系統框架圖參考示意圖6：

圖6 無傳感器電機控制示意圖

圖7 基于人工智能CDSP的新音頻應用

CDSP基于軟件和人工智能的新音頻應用提供了可能性：這包括音頻處理、識別和增強功能等領域。例如：硅麥采集到聲音信息，通過TC4x外部調制器EXMOD輸入CDSP進行后處理。最后通過LLI低延時總線，提供給PPU進行計算，從而快速實現AI算法。其系統框架圖參考示意圖7：

CDSP在ADAS應用中用于電壓監測和濾波。來自ADC采集電壓數據，CDSP能夠快速、高效、靈活的進行后處理。

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

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總結

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 的傳統濾波應用，還開啟了新的混合信號應用新篇章：

圖8 TC4x CDSP靈活的濾波應用

截至目前，CDSP涵蓋了內燃機和xEV的所有應用。

研發人員通過英飛凌CDSP軟件庫，可以靈活的配置濾波參數進行快速高效的系統原型設計，以適應客戶應用。

CDSP同PPU結合應用，高效解決AI人工智能算法。

CDSP結合處理ADC信號，加速ADAS的處理速度和效率。

這些應用只是開始，CDSP還有更多潛在的應用等待您的發掘……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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