汽车电子MCU技术原理与需求分析

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        汽车作为一部大型的机电一体化设备,汽车电子在汽车整体成本中的比例越来越大。目前欧美发达国家汽车电子的平均成本达350美元以上,其涵盖了从车身控制、动力传动、车身安全,到车内娱乐的各个方面。

  微控制器(MCU)作为汽车电子系统内部运算和处理的核心,也遍布悬挂、气囊、门控和音响等几十种次系统(Sub-System)中。由于汽车作为高速交通工具承载了对用户生命安全的保障,同时汽车经常工作在十分恶劣的环境中,其对内部电子设备的可靠性要求要远高于一般性电子产品。因此汽车电子所用的MCU与一般性产品的结构差异虽然并不很大,而一般的MCU产品由于可靠性不能符合厂商的要求而并不能被选用,这也是汽车电子产品同一般性电子产品市场的区别之一。

  技术特性需求

  CAN和LIN是最常见的车身系统总线接口,因此汽车电子类MCU除了在可靠性和抵抗恶劣环境等方面有较高要求外,还要能实现对上述总线接口的支持。

  CAN总线即控制器局域网 (Controller Area Net),是一种现场总线,最初由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计,主要用于各种过程检测及控制。CAN总线分为高速CAN和低速CAN,前者主要用于动力和安全等关键性的应用,如发动机控制单元、自动变速器控制、ABS控制、安全气囊控制等;后者则通常针对一般性车身应用,如集控锁、行李箱锁、车窗,及车内灯光等。CAN总线的协议也在不断演进发展,从最早期的1.x版本已发展到目前的CAN2.0A及其扩展版CAN2.0B,其中CAN2.0B又分为主动(Active)式和被动(Passive)式。

  由于CAN总线协议的版本和分类不同,对车用MCU的要求也有差异。除了提到的协议版本,CAN总线控制器缓存和接收过滤器的数量也影响了MCU的选用。如图所示,ST的CAN控制器针对不同的应用场景,有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同类型。其中如beCAN、bxCAN两款适合中高端车身功能控制及低端网关;FullCAN适合引擎管理系统;cCAN则适合高端的网关和动力传动控制。

ST不同的CAN控制器的缓存及接收过滤器数量

图一 ST不同的CAN控制器的缓存及接收过滤器数量

  LIN(Local Interconnect Network)总线是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总线,主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络。在带宽要求不高、功能简单、实时性要求低的场合,如车身电器的控制等方面,使用LIN总线可有效的简化网络线束、降低成本、提高网络通讯效率和可靠性。如图所示,LIN主要适合于车内空调控制(Air-Conditioning Control)、车门控制模块(Door Modules)、座椅控制、智能性交换器(Smart Switches)、低成本传感器(Low-Cost Sensors)等分布式通讯应用。

LIN的应用领域

图二 LIN的应用领域

  网关控制器

  车内网关控制器(Gateway)的作用是车内电子系统中不同网络的通讯枢纽,使分布在车身内的各个单元可实现沟通。网关一般包括总线收发器、稳压器(Regulator),以及支持多种网络协议的低成本、高效能微控制器;并广泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等车用电子通讯接口。网关控制器设计上比较灵活,一般厂家会依据自己的需求而定制。针对不同的应用,其可以集成在车身控制单元或仪表组件等设备当中,也可以作为一个独立的模块出现。

  嵌入式闪存的作用

  MCU嵌入式内存可为满足工控机系统的需求提供保障,稳定性可得到提升,也有助于实现更低的成本和增大工作处理的弹性。因此在MCU上提供嵌入式内存,甚至整合DSP的单元,已成为目前的设计趋势。

  车用MCU嵌入式内存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash,其中NOR Flash作为微控制器程序及数据储存的内存可使MCU具有更高的弹性,已逐渐成为目前设计的主流。由于嵌入内存而使MCU无需与外部组件进行高速串连,因此不易产生信号干扰的问题,降低了接线的复杂度,提高了稳定性。此外,嵌入式内存省去了外接元件,也可有效减少PCB尺寸,给产品设计更大的灵活性。在数据安全性方面,MCU嵌入式内存的数据保护机制可实现较高的可靠性,保证其中的数据免遭盗取。

  DSP提升设计弹性

  数字信号处理(DSP)技术是当今高科技数码产业的技术基础。从MP3随身听到航空航天等的高技术应用,DSP技术无所处不在并增长迅速。在汽车电子系统设计中,除在上文提到的在MCU嵌入内存外,为MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升数据处理的弹性。DSP属于系统的软件功能范畴,因此可灵活地根据厂商或客户的需求进行功能改进和升级。此外,DSP与处理器(ARM、PowerPC等) 相结合可实现多任务分工处理,例如可把关键的控制功能交由处理器完成,而让DSP专职进行运算方面的工作,这样可降低系统功耗并提高处理效率。

       DSP一般用于处理大量的数字信号、编解码,及通信数据分析。在汽车电子系统中,例如车载辅助路况警示安全系统,DSP可用于处理和识别复杂的路况信息并及时为司机提供实时建议和警告。

具备MAC单元的16位MCU

图三 具备MAC单元的16位MCU(以ST10为例)

16位车用MCU的应用场景

图四 16位车用MCU的应用场景

  MCU的处理能力与应用场合

  车载MCU的市场主要集中在8、16和32位的微控器,可按汽车电子产品的不同需求用于不同性能的场景。

  8位MCU由于处理能力的限制主要应用于风扇、空调、雨刷、车窗、集线盒、座椅控制、门控等比较简单的系统。16位MCU则属一般用于中端设备,主要应用场合为引擎控制动、离合器控制、底盘机构和悬挂、电子剎车、电子式动力方向盘,和电子式涡轮系统等动力和传动系统。32位MCU在汽车电子领域主要用于预碰撞(Pre-crash)模块、自适应巡航控制(ACC)、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能、复杂的X-by-wire等传动功能,以及多媒体信息系统(Telematics)、安全系统和引擎控制方面等需要较高智能性、运算性能、实时性能的模块。

       目前,16位MCU的生存空间似乎受到8位和32位MCU的不断挤压。8位微控制器的处理器核心功率不断提升,随着嵌入式内存容量的增加,以及接脚数更具弹性,再加上成熟的技术促使成本进一步降低,让8位微控制器的适用市场空间变得更大,能向上涵盖一些16位MCU的应用,也能向下取代多数4位MCU。32位MCU在越来越强调智能性、实时性和多样化的今天十分具有市场潜力,除了处理复杂的运算及控制功能,32位MCU产品也将扮演车用电子系统中的主控处理中心角色,也就是将分散各处的中低阶电子控制单元(ECU)集中管理。而这些能力都不是16位MCU所具备的。

  16位MCU似乎处境十分尴尬,但在加入更高容量内存及上文提到的具备DSP-MAC的条件下,16位产品仍然能满足特殊应用功能的需求。而且在组件的质量、性能,和成本上其已获得市场认可,仍然存在其适当的市场空间。另一方面,虽然32位MCU产品在一般市场上已被广泛应用,但目前一般出现在高端汽车产品中。而在大多数的传动及安全系统等关键性应用上仍以16位MCU为主。主要的原因是32位MCU大多仍处于汽车电子零件规格的验证阶段,之后还需要通过车厂本身的各种环境测试,所以成为市场主流还需要等待一段时间。

  1. 8位MCU

  如上文所述,8位车用MCU通常要求系统能提供快速执行速度和数据处理能力、高效环境切换(Context Switching)和内存使用、弹性的I/O,以及广泛的系统功能延伸性。此外还要求支持CAN及LIN总线协议接口,而且会嵌入Flash或ROM,适合广泛的中低阶系统应用。

       ST72561是ST专为车用环境设计的8位MCU产品,其整合了CAN及LIN总线接口,具有强大的错误诊断和信号处理功能,待机功耗较低,小于50μA,并具有周期性唤醒功能。

       ST72561通过新增的处理器接口来支持基于Bosch CAN核心的beCAN控制单元,集成2个传送mailbox、三个RX-FIFO,和六个过滤器群组,能够有效地按ID进行信息过滤;此外,其CAN控制器全面支持具备增强型消息过滤功能的29位识别码。ST72561的LIN接口则面向ST针对硬件设计提出的的“主-从LINSCI连接接口”等最优化技术,能对LIN总线数据自动进行标头处理与过滤。该机制可大幅降低系统负担和成本,使电路设计得到简化,系统性能也得到较大提升。据测试,高达90%的用于LIN总线通信的CPU负载可被节省。

ST7261在车体应用上的系统架构

图五 ST7261在车体应用上的系统架构

  2. 16位MCU

16位车用MCU按内存及封装接脚数的选择与分类

                       图六 16位车用MCU按内存及封装接脚数的选择与分类

  ST推出的ST10为16位车用MCU,适合车身的传动、底盘及安全系统等强调高效能、高实时性,和低功耗的应用。该系列产品提供16个优先级的中断控制器和紧密整合的DMA,CPU频率最高可达64MHz,因此十分适合要求较高的硬实时应用。

  ST10具有DSP-MAC功能。其DSP-MAC乘法/累加加速器提供了功能强大的DSP函数,并配有一整套数学软件库,使自行定义的算法能够更快速、简便的实现。ST10内建高容量的Flash内存,容量最大可达832KB,可实现100,000次以上的擦写次数。ST10具有极高的兼容性,广泛支持多种系统外围和接口,如ASC/LIN、CAN、I2C和SSC等。ST10的跨平台开发能力给用户的前期投资提供了潜在保护。它除了支持ST的开发工具,也支持英飞凌(Infineon)的C16x和XC16 x平台,为现有用户升级到密度更高的闪存提供了一条快捷方式。此外,得益于ST最新的0.18μm制造工艺,及较大的工作温度范围(-40℃~+125℃)产品寿命得到有效延长,数据保存时间可长达20年。有助于延长产品使用寿命和优化成本。

  3. 32位MCU

  32位汽车用MCU拥有更高的处理能力,以及高于8位和16位MCU的排错能力,但由于种种原因,其普及还需要一定时间。

  目前影响32位MCU竞争力的因素有很多,成本问题是其中之一。单芯片是低成本的必然趋势,如果将一些总线开关、中断控制器和排错电路等系统外围电路整合至MCU,其成本可得到有效降低;此外,单芯片方案还能缩小产品尺寸,促进小型化,高频电路干扰也可由此降低。另一方面,低成本的实现还需要更优化和更具性价比的生产制程和加工技术来支持。

  鉴于32位MCU的卓越处理能力,当前最广泛的应用为汽车的高档多媒体设备。32位MCU如果搭配FlexRay等更高速的总线接口,也可进一步提升整体系统通讯的实时性。

  STA2058为ST推出的32位汽车用MCU产品,其优秀的性能和弹性的构架非常适用于汽车多媒体信息系统(Telematics)。STA2058整合了32位ARM7TDMI微处理器和嵌入式闪存(Embedded Flash),广泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口,以及RTCA-SC159、WAAS、EGNOS等GPS系统。此外,STA2058EX更拥有外接内存接口,可以用作远程信息处理服务平台,允许通过免黏结逻辑(Glueless)而与GSM/GPRS模块、芯片卡、音频功能DSP等外部装置相连。

  结论

  汽车电子在整体车身成本中的比重越来越显著,MCU的重要性也不断得到提升。而汽车电子有其特殊的门槛,即安全性和可靠性的考虑。因此MCU在实现较高的智能性、操控性、实时性,和弹性的同时,必须要能满足较高标准的可靠性要求,以保障行车的安全。

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