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。

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