帶有ARM內(nèi)核的車規(guī)級MCU的高速測量與標(biāo)定的解決方案

在“新三化”的背景下，車用MCU芯片正在快速升級換代，供應(yīng)鏈本地化也催生搭配ARM內(nèi)核的車規(guī)級MCU不斷落地。相關(guān)的MCU產(chǎn)品日益豐富，逐漸覆蓋雨刷、車窗、車燈等車身控制模塊，以及汽車智能化所需的智能座艙、ADAS控制器等。

趨勢

隨著軟件的復(fù)雜度提高，ARM內(nèi)核MCU的測量標(biāo)定正從低速場景過渡到高速場景，ECU內(nèi)部測量信號的數(shù)量和頻率越來越大。當(dāng)數(shù)據(jù)吞吐量超過CAN總線帶寬時(shí)，需要新的高速測量接口。針對以上需求，Vector為用戶提供系統(tǒng)的可擴(kuò)展的高速測量方案。

系統(tǒng)概述

目前主流的ARM內(nèi)核的車規(guī)級MCU是使用Cortex-M系列處理器，用于安全相關(guān)的控制功能。M核的最高時(shí)鐘頻率通常不到400MHz，功耗相對較低。擁有復(fù)雜功能的網(wǎng)關(guān)控制器或者域控制器上的多核異構(gòu)MCU還可能集成Cortex-A系列處理器，以滿足復(fù)雜的操作系統(tǒng)和高性能計(jì)算的需求。不同ARM處理器及其組合可以按照處理器核心的類型適配具體的測量方案。

M核->通過SWD接口實(shí)現(xiàn)高速測量與標(biāo)定

具有M核的MCU測量標(biāo)定和傳統(tǒng)MCU類似，通常沒有以太網(wǎng)接口或者沒有足夠的資源去集成以太網(wǎng)驅(qū)動。但是在開發(fā)階段，MCU的調(diào)試資源是開放的，利用SWD（Serial Wire Debug）調(diào)試協(xié)議可以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。轉(zhuǎn)接板VX1543B POD（Plug-On Device）兼容SWD調(diào)試接口，而且體積緊湊可以輕松集成到ECU上。對于測量標(biāo)定工具CANape來說，POD使用方法和傳統(tǒng)XCP測量沒有差別，因?yàn)檫B接POD和標(biāo)定工具之間的VX1000基礎(chǔ)模塊會將通過SWD傳輸?shù)臄?shù)據(jù)打包成標(biāo)準(zhǔn)的XCPonEthernet報(bào)文。VX1000詳細(xì)介紹參考https://www.vector.com/vx1000。

圖：VX1000系統(tǒng)連接

VX1543B Serial POD是一個(gè)小型的高性能電路板，直接連接到ECU中的MCU調(diào)試接口。由于尺寸小且堅(jiān)固耐用，可以用于緊湊且要求苛刻的安裝環(huán)境。用戶可以直接將POD封裝在ECU殼體內(nèi)部，也可以單獨(dú)封裝POD并通過螺紋連接在ECU殼體外部。

POD的詳細(xì)參數(shù)如下：

尺寸（長/寬/高）	23 x 24 x 7 mm（不包含殼體封裝） 53 x 27.5 x 16 mm（外殼無安裝螺紋)
重量	3g（不包含線束和殼體封裝）
供電	通過VX1000基礎(chǔ)模塊
功耗	0.8W在最高工作溫度下
工作溫度	-40°C ~ +115°C?

表：VX1543B技術(shù)參數(shù)

A核->基于XCPonEthernet實(shí)現(xiàn)高速測量

與標(biāo)定

集成A核的MCU通常會運(yùn)行復(fù)雜的操作系統(tǒng)，應(yīng)用數(shù)據(jù)吞吐量更大，傳統(tǒng)的調(diào)試接口不再適用。不過這類MCU的資源豐富，可以在ECU軟件里直接集成XCPonEthernet。以S32G為例，可以分別通過XCPonEthernet和POD對異構(gòu)多核系統(tǒng)進(jìn)行測量。

圖：S32G的高速測量方案

針對SWD接口的VX1000集成詳解

?集成配置?

1）? 首先將VX1000驅(qū)動代碼集成到ECU應(yīng)用程序中。集成方法非常簡便，Vector為用戶提供相應(yīng)的源代碼和集成手冊。VX1000驅(qū)動代碼通常只在開發(fā)階段使用，到量產(chǎn)階段會被移除。用戶可以通過配置文件VX1000_cfg.h對VX1000應(yīng)用驅(qū)動程序的功能和行為進(jìn)行配置。該文件以宏定義形式配置所有選項(xiàng)，默認(rèn)情況下大部分都被注釋掉，用戶只需激活適當(dāng)?shù)暮甓x，配置文件本身也帶有大量功能描述。

圖：VX1000集成配置流程

2）??將包括VX1000驅(qū)動代碼在內(nèi)的軟件刷寫到ECU后，用戶可以將POD連接到ECU的SWD調(diào)試接口。SWD使用DAP（Debug Access Port，調(diào)試訪問端口）總線訪問數(shù)據(jù)。在DAP總線上有一個(gè)主設(shè)備（DP調(diào)試端口，Debug Port）和多個(gè)從設(shè)備（AP訪問端口，Access Port），實(shí)際通訊僅使用兩根信號線：

SWDCLK：主機(jī)發(fā)送的時(shí)鐘信號。由于處理器時(shí)鐘和SWD時(shí)鐘之間沒有關(guān)系，因此頻率選擇取決于主機(jī)接口。根據(jù)實(shí)際情況，最大調(diào)試時(shí)鐘頻率可以在20MHz~80MHz之間。

SWDIO：攜帶與DP調(diào)試端口交互數(shù)據(jù)的雙向信號。數(shù)據(jù)由主機(jī)在SWDCLK信號的上升沿期間設(shè)置，并由DP調(diào)試端口在SWDCLK信號的下降沿期間采樣。

有些MCU的調(diào)試接口是串行/JTAG調(diào)試端口（SWJ-DP），可以使用JTAG或SWD來訪問DAP總線，重用TMS和TCK JTAG信號分別傳輸SWDIO和SWDCLK信號。只要發(fā)送特定序列數(shù)據(jù)就能從JTAG接口切換到SWD接口。

在配置工具VXconfig中，可以配置POD的工作電壓和頻率。SWD可以用來上傳和下載數(shù)據(jù)，對應(yīng)XCP中的測量和標(biāo)定功能。

圖：POD的配置界面

VXconfig還需要配置基礎(chǔ)模塊的參數(shù)。通?；A(chǔ)模塊通過讀取gVX1000結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)與ECU的握手通訊，對齊ECU的代碼集成狀態(tài)。在VX1000驅(qū)動程序會定義這個(gè)結(jié)構(gòu)體，VX1000必須知道ECU應(yīng)用程序中該結(jié)構(gòu)的地址。用戶可以在生成的應(yīng)用程序鏈接器映射文件中找到該地址。

圖：基礎(chǔ)模塊（Base Module）的配置界面

3）? 將正確配置寫入到VX1000設(shè)備后，測量標(biāo)定工作遵循CANape的標(biāo)準(zhǔn)操作，基本輸入是標(biāo)定數(shù)據(jù)庫A2L文件。A2L文件中包含和底層驅(qū)動相關(guān)的接口信息，例如IP地址和DAQ測量的通道編號等。用戶可以通過ASAP2Studio手動編輯A2L文件，或者利用ASAP2 Toolset編寫腳本來自動創(chuàng)建A2L。

4） CANape中可以根據(jù)需要具體配置測量和標(biāo)定窗口。注意：測量總帶寬是有限制的，詳細(xì)參考3.2節(jié)。

測量性能

VX1000通過SWD接口進(jìn)行DAQ測量的方法稱為OLDA（Online Data Acquisition）。DAQ測量開始前，VX1000通過XCP從CANape接收DAQ配置，包括通過哪些事件（DAQ Event）測量哪些信號（DAQ Table），測量開始后MCU會按照相應(yīng)的配置周期性或者按事件觸發(fā)上傳數(shù)據(jù)。

在測量配置初始化階段，DAQ信息是由VX1000以傳輸表（DAQ Table）的形式寫入MCU的數(shù)據(jù)索引表中（gVX1000結(jié)構(gòu)體的一部分）。

當(dāng)測量事件觸發(fā)時(shí)，ARM核使用VX1000驅(qū)動程序?qū)y量數(shù)據(jù)從RAM中的實(shí)際存儲位置復(fù)制到VX1000驅(qū)動程序設(shè)置的測量緩沖區(qū)（OLDA Memory）。此后，VX1000以內(nèi)存直接訪問的方式（DMA）從緩沖區(qū)（OLDA Memory）中檢索數(shù)據(jù)。

1）測量性能的約束部分來自MCU的ARM核性能和RAM內(nèi)存資源。為了滿足更高性能的測量，通常需要預(yù)留更多的測量緩沖區(qū)（OLDA Memory）和CPU負(fù)載。CPU負(fù)載的消耗是由數(shù)據(jù)拷貝產(chǎn)生的，通常每測量1MB/s的數(shù)據(jù)需要消耗大約3%的CPU負(fù)載。相對于在MCU中直接集成XCPonEth的方法效率更高。

2）在MCU資源充裕的情況下，測量總帶寬取決于SWD的實(shí)際通訊頻率。根據(jù)芯片類型和電磁兼容環(huán)境條件可以配置在20MHz~80MHz之間。以40MHz為例，有效測量帶寬可以達(dá)到約2MB/s，例如1ms周期可以測量總共2000個(gè)1Byte的信號。