帶有ARM內(nèi)核的車規(guī)級(jí)MCU的高速測(cè)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(jí)換代，供應(yīng)鏈本地化也催生搭配ARM內(nèi)核的車規(guī)級(jí)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。

01

趨勢(shì)

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

02

系統(tǒng)概述

目前主流的ARM內(nèi)核的車規(guī)級(jí)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(duì)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(cè)量方案。

M核->通過(guò)SWD接口實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量與標(biāo)定

具有M核的MCU測(cè)量標(biāo)定和傳統(tǒng)MCU類似，通常沒(méi)有以太網(wǎng)接口或者沒(méi)有足夠的資源去集成以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)。但是在開(kāi)發(fā)階段，MCU的調(diào)試資源是開(kāi)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(duì)于測(cè)量標(biāo)定工具CANape來(lái)說(shuō)，POD使用方法和傳統(tǒng)XCP測(cè)量沒(méi)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(huì)將通過(guò)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(guò)螺紋連接在ECU殼體外部。

POD的詳細(xì)參數(shù)如下：

表：VX1543B技術(shù)參數(shù)

A核->基于XCPonEthernet實(shí)現(xiàn)高速測(cè)量

與標(biāo)定

集成A核的MCU通常會(huì)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(guò)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(guò)XCPonEthernet和POD對(duì)異構(gòu)多核系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。

圖：S32G的高速測(cè)量方案

03

針對(duì)SWD接口的VX1000集成詳解

?集成配置?

1）? 首先將VX1000驅(qū)動(dòng)代碼集成到ECU應(yīng)用程序中。集成方法非常簡(jiǎn)便，Vector為用戶提供相應(yīng)的源代碼和集成手冊(cè)。VX1000驅(qū)動(dòng)代碼通常只在開(kāi)發(fā)階段使用，到量產(chǎn)階段會(huì)被移除。用戶可以通過(guò)配置文件VX1000_cfg.h對(duì)VX1000應(yīng)用驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(wèn)端口）總線訪問(wèn)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(wèn)端口，Access Port），實(shí)際通訊僅使用兩根信號(hào)線：

SWDCLK：主機(jī)發(fā)送的時(shí)鐘信號(hào)。由于處理器時(shí)鐘和SWD時(shí)鐘之間沒(méi)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(hào)。數(shù)據(jù)由主機(jī)在SWDCLK信號(hào)的上升沿期間設(shè)置，并由DP調(diào)試端口在SWDCLK信號(hào)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(lái)訪問(wèn)DAP總線，重用TMS和TCK JTAG信號(hào)分別傳輸SWDIO和SWDCLK信號(hào)。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(lái)上傳和下載數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)XCP中的測(cè)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)。通常基礎(chǔ)模塊通過(guò)讀取gVX1000結(jié)構(gòu)體實(shí)現(xiàn)與ECU的握手通訊，對(duì)齊ECU的代碼集成狀態(tài)。在VX1000驅(qū)動(dòng)程序會(huì)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(cè)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(kù)A2L文件。A2L文件中包含和底層驅(qū)動(dòng)相關(guān)的接口信息，例如IP地址和DAQ測(cè)量的通道編號(hào)等。用戶可以通過(guò)ASAP2Studio手動(dòng)編輯A2L文件，或者利用ASAP2 Toolset編寫腳本來(lái)自動(dòng)創(chuàng)建A2L。

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

測(cè)量性能

VX1000通過(guò)SWD接口進(jìn)行DAQ測(cè)量的方法稱為OLDA（Online Data Acquisition）。DAQ測(cè)量開(kāi)始前，VX1000通過(guò)XCP從CANape接收DAQ配置，包括通過(guò)哪些事件（DAQ Event）測(cè)量哪些信號(hào)（DAQ Table），測(cè)量開(kāi)始后MCU會(huì)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(cè)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(cè)量事件觸發(fā)時(shí)，ARM核使用VX1000驅(qū)動(dòng)程序?qū)y(cè)量數(shù)據(jù)從RAM中的實(shí)際存儲(chǔ)位置復(fù)制到VX1000驅(qū)動(dòng)程序設(shè)置的測(cè)量緩沖區(qū)（OLDA Memory）。此后，VX1000以內(nèi)存直接訪問(wèn)的方式（DMA）從緩沖區(qū)（OLDA Memory）中檢索數(shù)據(jù)。

1）測(cè)量性能的約束部分來(lái)自MCU的ARM核性能和RAM內(nèi)存資源。為了滿足更高性能的測(cè)量，通常需要預(yù)留更多的測(cè)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(cè)量1MB/s的數(shù)據(jù)需要消耗大約3%的CPU負(fù)載。相對(duì)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(cè)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(cè)量帶寬可以達(dá)到約2MB/s，例如1ms周期可以測(cè)量總共2000個(gè)1Byte的信號(hào)。

圖：OLDA測(cè)量方式

04

結(jié)論

VX1000高速測(cè)量標(biāo)定解決方案滿足了基于ARM內(nèi)核的車規(guī)級(jí)MCU對(duì)于測(cè)量數(shù)據(jù)不斷增長(zhǎng)的需求，提高功能開(kāi)發(fā)的效率。開(kāi)發(fā)人員既能夠在臺(tái)架測(cè)試中訪問(wèn)ECU內(nèi)部數(shù)據(jù)，也可車載使用。





審核編輯：劉清