Vehicle ECU Design Incorporating LIN/CAN Vehicle Interface with Kalman Filter Function

LIN/CAN 차량용 인터페이스와 칼만 필터 기능을 통합한 차량용 ECU 설계

In this paper, an automotive ECU (electronic control unit) with Kalman filter accelerator is designed and implemented. RISC-V is exploited as a processor core. Accelerator for Kalman filter matrix operation, CAN (controller area network) controller for in-vehicle network, and LIN (local interconnect network) controller are designed and embedded. Kalman filter operation consists of time update process and measurement update process. Current state variable and its error covariance are estimated in time update process. Final values are corrected from input measurement data and Kalman gain in measurement update process. Usually floating-point multiplication is exploited in software implementation, but fixed-point multiplier considering accuracy analysis is exploited in this paper to reduce hardware area. In 28nm silicon fabrication, its operating frequency, area, and gate counts are 100MHz, 0.37mm², and 760k gates, respectively.

본 논문에서는 자동차의 위치 및 자세 추정에 사용되는 칼만 필터 가속기를 내장한 차량용 ECU(electronic control unit)를 설계하고 구현하였다. 프로세서 코어는 RISC-V를 사용하였으며 칼만 필터의 행렬 연산을 수행하는 가속기, 차량 내 통신에 사용되는 CAN(controller area network) 제어기, 센서 연결에 사용되는 LIN(local interconnect network) 제어기를 내장하였다. 칼만 필터 연산은 시간 업데이트와 측정 업데이트의 두 단계로 나뉘며 시간 업데이트 단계에서는 현재 상태변수와 오차 공분산을 예측하고 측정 업데이트 단계에서는 입력값을 받아 칼만 이득을 계산하여 값을 보정한다. 보통 소프트웨어에서는 곱셈에 부동소숫점 연산을 사용하지만 본 논문에서는 하드웨어 면적을 줄이기 위해 정밀도 분석을 고려한 고정소숫점 곱셈기를 사용하였다. 설계된 ECU는 Verilog HDL을 이용하여 검증하였으며 28nm 실리콘 공정으로 구현하였다. 28nm 실리콘 공정으로 구현하였을 때 동작 주파수는 100MHz, 면적은 0.37mm², 게이트 수는 76만 게이트였다.