帶有ARM內核的車規級MCU的高速測量與標定的解決方案

在“新三化”的背景下，車用MCU芯片正在快速升級換代，供應鏈本地化也催生搭配ARM內核的車規級MCU不斷落地。相關的MCU產品日益豐富，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

隨著軟件的復雜度提高，ARM內核MCU的測量標定正從低速場景過渡到高速場景，ECU內部測量信號的數量和頻率越來越大。當數據吞吐量超過CAN總線帶寬時，需要新的高速測量接口。針對以上需求，Vector為用戶提供系統的可擴展的高速測量方案。

系統概述

目前主流的ARM內核的車規級MCU是使用Cortex-M系列處理器，用于安全相關的控制功能。M核的最高時鐘頻率通常不到400MHz，功耗相對較低。擁有復雜功能的網關控制器或者域控制器上的多核異構MCU還可能集成Cortex-A系列處理器，以滿足復雜的操作系統和高性能計算的需求。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接口實現高速測量與標定

具有M核的MCU測量標定和傳統MCU類似，通常沒有以太網接口或者沒有足夠的資源去集成以太網驅動。但是在開發階段，MCU的調試資源是開放的，利用SWD（Serial Wire Debug）調試協議可以實現高速數據傳輸。轉接板VX1543B POD（Plug-On Device）兼容SWD調試接口，而且體積緊湊可以輕松集成到ECU上。對于測量標定工具CANape來說，POD使用方法和傳統XCP測量沒有差別，因為連接POD和標定工具之間的VX1000基礎模塊會將通過SWD傳輸的數據打包成標準的XCPonEthernet報文。VX1000詳細介紹參考https://www.vector.com/vx1000。

圖：VX1000系統連接

VX1543B Serial POD是一個小型的高性能電路板，直接連接到ECU中的MCU調試接口。由于尺寸小且堅固耐用，可以用于緊湊且要求苛刻的安裝環境。用戶可以直接將POD封裝在ECU殼體內部，也可以單獨封裝POD并通過螺紋連接在ECU殼體外部。

POD的詳細參數如下：

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技術參數

A核->基于XCPonEthernet實現高速測量

與標定

集成A核的MCU通常會運行復雜的操作系統，應用數據吞吐量更大，傳統的調試接口不再適用。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對異構多核系統進行測量。

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驅動代碼集成到ECU應用程序中。集成方法非常簡便，Vector為用戶提供相應的源代碼和集成手冊。VX1000驅動代碼通常只在開發階段使用，到量產階段會被移除。用戶可以通過配置文件VX1000_cfg.h對VX1000應用驅動程序的功能和行為進行配置。該文件以宏定義形式配置所有選項，默認情況下大部分都被注釋掉，用戶只需激活適當的宏定義，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驅動代碼在內的軟件刷寫到ECU后，用戶可以將POD連接到ECU的SWD調試接口。SWD使用DAP（Debug Access Port，調試訪問端口）總線訪問數據。在DAP總線上有一個主設備（DP調試端口，Debug Port）和多個從設備（AP訪問端口，Access Port），實際通訊僅使用兩根信號線：

SWDCLK：主機發送的時鐘信號。由于處理器時鐘和SWD時鐘之間沒有關系，因此頻率選擇取決于主機接口。根據實際情況，最大調試時鐘頻率可以在20MHz~80MHz之間。

SWDIO：攜帶與DP調試端口交互數據的雙向信號。數據由主機在SWDCLK信號的上升沿期間設置，并由DP調試端口在SWDCLK信號的下降沿期間采樣。

有些MCU的調試接口是串行/JTAG調試端口（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。只要發送特定序列數據就能從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據，對應XCP中的測量和標定功能。

圖：POD的配置界面

VXconfig還需要配置基礎模塊的參數。通常基礎模塊通過讀取gVX1000結構體實現與ECU的握手通訊，對齊ECU的代碼集成狀態。在VX1000驅動程序會定義這個結構體，VX1000必須知道ECU應用程序中該結構的地址。用戶可以在生成的應用程序鏈接器映射文件中找到該地址。

圖：基礎模塊（Base Module）的配置界面

3）? 將正確配置寫入到VX1000設備后，測量標定工作遵循CANape的標準操作，基本輸入是標定數據庫A2L文件。A2L文件中包含和底層驅動相關的接口信息，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編寫腳本來自動創建A2L。

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

測量性能

VX1000通過SWD接口進行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會按照相應的配置周期性或者按事件觸發上傳數據。

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的數據索引表中（gVX1000結構體的一部分）。

當測量事件觸發時，ARM核使用VX1000驅動程序將測量數據從RAM中的實際存儲位置復制到VX1000驅動程序設置的測量緩沖區（OLDA Memory）。此后，VX1000以內存直接訪問的方式（DMA）從緩沖區（OLDA Memory）中檢索數據。

1）測量性能的約束部分來自MCU的ARM核性能和RAM內存資源。為了滿足更高性能的測量，通常需要預留更多的測量緩沖區（OLDA Memory）和CPU負載。CPU負載的消耗是由數據拷貝產生的，通常每測量1MB/s的數據需要消耗大約3%的CPU負載。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的實際通訊頻率。根據芯片類型和電磁兼容環境條件可以配置在20MHz~80MHz之間。以40MHz為例，有效測量帶寬可以達到約2MB/s，例如1ms周期可以測量總共2000個1Byte的信號。