汽車電子中MCU技術(shù)原理及其需求分析

汽車作為一部大型的機(jī)電一體化設(shè)備，汽車電子在汽車整體成本中的比例越來(lái)越大。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家汽車電子的平均成本達(dá)350美元以上，其涵蓋了從車身控制、動(dòng)力傳動(dòng)、車身安全，到車內(nèi)娛樂(lè)的各個(gè)方面。

微控制器(MCU)作為汽車電子系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算和處理的核心，也遍布懸掛、氣囊、門(mén)控和音響等幾十種次系統(tǒng)(Sub-System)中。由于汽車作為高速交通工具承載了對(duì)用戶生命安全的保障，同時(shí)汽車經(jīng)常工作在十分惡劣的環(huán)境中，其對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的可靠性要求要遠(yuǎn)高于一般性電子產(chǎn)品。因此汽車電子所用的MCU與一般性產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)差異雖然并不很大，而一般的MCU產(chǎn)品由于可靠性不能符合廠商的要求而并不能被選用，這也是汽車電子產(chǎn)品同一般性電子產(chǎn)品市場(chǎng)的區(qū)別之一。

技術(shù)特性需求

CAN和LIN是最常見(jiàn)的車身系統(tǒng)總線接口，因此汽車電子類MCU除了在可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有較高要求外，還要能實(shí)現(xiàn)對(duì)上述總線接口的支持。

CAN總線即控制器局域網(wǎng) (Controller Area Net)，是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，最初由德國(guó)BOSCH公司為汽車監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)，主要用于各種過(guò)程檢測(cè)及控制。CAN總線分為高速CAN和低速CAN，前者主要用于動(dòng)力和安全等關(guān)鍵性的應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、自動(dòng)變速器控制、ABS控制、安全氣囊控制等;后者則通常針對(duì)一般性車身應(yīng)用，如集控鎖、行李箱鎖、車窗，及車內(nèi)燈光等。CAN總線的協(xié)議也在不斷演進(jìn)發(fā)展，從最早期的1.x版本已發(fā)展到目前的CAN2.0A及其擴(kuò)展版CAN2.0B，其中CAN2.0B又分為主動(dòng)(Active)式和被動(dòng)(Passive)式。

由于CAN總線協(xié)議的版本和分類不同，對(duì)車用MCU的要求也有差異。除了提到的協(xié)議版本，CAN總線控制器緩存和接收過(guò)濾器的數(shù)量也影響了MCU的選用。如圖所示，ST的CAN控制器針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同類型。其中如beCAN、bxCAN兩款適合中高端車身功能控制及低端網(wǎng)關(guān);FullCAN適合引擎管理系統(tǒng);cCAN則適合高端的網(wǎng)關(guān)和動(dòng)力傳動(dòng)控制。

圖一　ST不同的CAN控制器的緩存及接收過(guò)濾器數(shù)量

LIN(Local Interconnect Network)總線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，主要用作CAN等高速總線的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò)。在帶寬要求不高、功能簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求低的場(chǎng)合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)線束、降低成本、提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率和可靠性。如圖所示，LIN主要適合于車內(nèi)空調(diào)控制(Air-Conditioning Control)、車門(mén)控制模塊(Door Modules)、座椅控制、智能性交換器(Smart Switches)、低成本傳感器(Low-Cost Sensors)等分布式通訊應(yīng)用。

圖二　LIN的應(yīng)用領(lǐng)域

網(wǎng)關(guān)控制器

車內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制器(Gateway)的作用是車內(nèi)電子系統(tǒng)中不同網(wǎng)絡(luò)的通訊樞紐，使分布在車身內(nèi)的各個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)溝通。網(wǎng)關(guān)一般包括總線收發(fā)器、穩(wěn)壓器(Regulator)，以及支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的低成本、高效能微控制器;并廣泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等車用電子通訊接口。網(wǎng)關(guān)控制器設(shè)計(jì)上比較靈活，一般廠家會(huì)依據(jù)自己的需求而定制。針對(duì)不同的應(yīng)用，其可以集成在車身控制單元或儀表組件等設(shè)備當(dāng)中，也可以作為一個(gè)獨(dú)立的模塊出現(xiàn)。

嵌入式閃存的作用

MCU嵌入式內(nèi)存可為滿足工控機(jī)系統(tǒng)的需求提供保障，穩(wěn)定性可得到提升，也有助于實(shí)現(xiàn)更低的成本和增大工作處理的彈性。因此在MCU上提供嵌入式內(nèi)存，甚至整合DSP的單元，已成為目前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

車用MCU嵌入式內(nèi)存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中NOR Flash作為微控制器程序及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的內(nèi)存可使MCU具有更高的彈性，已逐漸成為目前設(shè)計(jì)的主流。由于嵌入內(nèi)存而使MCU無(wú)需與外部組件進(jìn)行高速串連，因此不易產(chǎn)生信號(hào)干擾的問(wèn)題，降低了接線的復(fù)雜度，提高了穩(wěn)定性。此外，嵌入式內(nèi)存省去了外接元件，也可有效減少PCB尺寸，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)更大的靈活性。在數(shù)據(jù)安全性方面，MCU嵌入式內(nèi)存的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制可實(shí)現(xiàn)較高的可靠性，保證其中的數(shù)據(jù)免遭盜取。

DSP提升設(shè)計(jì)彈性

數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)是當(dāng)今高科技數(shù)碼產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。從MP3隨身聽(tīng)到航空航天等的高技術(shù)應(yīng)用，DSP技術(shù)無(wú)所處不在并增長(zhǎng)迅速。在汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除在上文提到的在MCU嵌入內(nèi)存外，為MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升數(shù)據(jù)處理的彈性。DSP屬于系統(tǒng)的軟件功能范疇，因此可靈活地根據(jù)廠商或客戶的需求進(jìn)行功能改進(jìn)和升級(jí)。此外，DSP與處理器(ARM、PowerPC等)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)分工處理，例如可把關(guān)鍵的控制功能交由處理器完成，而讓DSP專職進(jìn)行運(yùn)算方面的工作，這樣可降低系統(tǒng)功耗并提高處理效率。

DSP一般用于處理大量的數(shù)字信號(hào)、編解碼，及通信數(shù)據(jù)分析。在汽車電子系統(tǒng)中，例如車載輔助路況警示安全系統(tǒng)，DSP可用于處理和識(shí)別復(fù)雜的路況信息并及時(shí)為司機(jī)提供實(shí)時(shí)建議和警告。

圖三　具備MAC單元的16位MCU(以ST10為例)

圖四　16位車用MCU的應(yīng)用場(chǎng)景

MCU的處理能力與應(yīng)用場(chǎng)合

車載MCU的市場(chǎng)主要集中在8、16和32位的微控器，可按汽車電子產(chǎn)品的不同需求用于不同性能的場(chǎng)景。

8位MCU由于處理能力的限制主要應(yīng)用于風(fēng)扇、空調(diào)、雨刷、車窗、集線盒、座椅控制、門(mén)控等比較簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。16位MCU則屬一般用于中端設(shè)備，主要應(yīng)用場(chǎng)合為引擎控制動(dòng)、離合器控制、底盤(pán)機(jī)構(gòu)和懸掛、電子x車、電子式動(dòng)力方向盤(pán)，和電子式渦輪系統(tǒng)等動(dòng)力和傳動(dòng)系統(tǒng)。32位MCU在汽車電子領(lǐng)域主要用于預(yù)碰撞(Pre-crash)模塊、自適應(yīng)巡航控制(ACC)、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能、復(fù)雜的X-by-wire等傳動(dòng)功能，以及多媒體信息系統(tǒng)(Telematics)、安全系統(tǒng)和引擎控制方面等需要較高智能性、運(yùn)算性能、實(shí)時(shí)性能的模塊。

目前，16位MCU的生存空間似乎受到8位和32位MCU的不斷擠壓。8位微控制器的處理器核心功率不斷提升，隨著嵌入式內(nèi)存容量的增加，以及接腳數(shù)更具彈性，再加上成熟的技術(shù)促使成本進(jìn)一步降低，讓8位微控制器的適用市場(chǎng)空間變得更大，能向上涵蓋一些16位MCU的應(yīng)用，也能向下取代多數(shù)4位MCU。32位MCU在越來(lái)越強(qiáng)調(diào)智能性、實(shí)時(shí)性和多樣化的今天十分具有市場(chǎng)潛力，除了處理復(fù)雜的運(yùn)算及控制功能，32位MCU產(chǎn)品也將扮演車用電子系統(tǒng)中的主控處理中心角色，也就是將分散各處的中低階電子控制單元(ECU)集中管理。而這些能力都不是16位MCU所具備的。

16位MCU似乎處境十分尷尬，但在加入更高容量?jī)?nèi)存及上文提到的具備DSP-MAC的條件下，16位產(chǎn)品仍然能滿足特殊應(yīng)用功能的需求。而且在組件的質(zhì)量、性能，和成本上其已獲得市場(chǎng)認(rèn)可，仍然存在其適當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)空間。另一方面，雖然32位MCU產(chǎn)品在一般市場(chǎng)上已被廣泛應(yīng)用，但目前一般出現(xiàn)在高端汽車產(chǎn)品中。而在大多數(shù)的傳動(dòng)及安全系統(tǒng)等關(guān)鍵性應(yīng)用上仍以16位MCU為主。主要的原因是32位MCU大多仍處于汽車電子零件規(guī)格的驗(yàn)證階段，之后還需要通過(guò)車廠本身的各種環(huán)境測(cè)試，所以成為市場(chǎng)主流還需要等待一段時(shí)間。

1. 8位MCU

如上文所述，8位車用MCU通常要求系統(tǒng)能提供快速執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)處理能力、高效環(huán)境切換(Context Switching)和內(nèi)存使用、彈性的I/O，以及廣泛的系統(tǒng)功能延伸性。此外還要求支持CAN及LIN總線協(xié)議接口，而且會(huì)嵌入Flash或ROM，適合廣泛的中低階系統(tǒng)應(yīng)用。

ST72561是ST專為車用環(huán)境設(shè)計(jì)的8位MCU產(chǎn)品，其整合了CAN及LIN總線接口，具有強(qiáng)大的錯(cuò)誤診斷和信號(hào)處理功能，待機(jī)功耗較低，小于50μA，并具有周期性喚醒功能。

ST72561通過(guò)新增的處理器接口來(lái)支持基于Bosch CAN核心的beCAN控制單元，集成2個(gè)傳送mailbox、三個(gè)RX-FIFO，和六個(gè)過(guò)濾器群組，能夠有效地按ID進(jìn)行信息過(guò)濾;此外，其CAN控制器全面支持具備增強(qiáng)型消息過(guò)濾功能的29位識(shí)別碼。ST72561的LIN接口則面向ST針對(duì)硬件設(shè)計(jì)提出的的“主-從LINSCI連接接口”等最優(yōu)化技術(shù)，能對(duì)LIN總線數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)行標(biāo)頭處理與過(guò)濾。該機(jī)制可大幅降低系統(tǒng)負(fù)擔(dān)和成本，使電路設(shè)計(jì)得到簡(jiǎn)化，系統(tǒng)性能也得到較大提升。據(jù)測(cè)試，高達(dá)90%的用于LIN總線通信的CPU負(fù)載可被節(jié)省。

圖五　ST7261在車體應(yīng)用上的系統(tǒng)架構(gòu)

2. 16位MCU

圖六　16位車用MCU按內(nèi)存及封裝接腳數(shù)的選擇與分類

ST推出的ST10為16位車用MCU，適合車身的傳動(dòng)、底盤(pán)及安全系統(tǒng)等強(qiáng)調(diào)高效能、高實(shí)時(shí)性，和低功耗的應(yīng)用。該系列產(chǎn)品提供16個(gè)優(yōu)先級(jí)的中斷控制器和緊密整合的DMA，CPU頻率最高可達(dá)64MHz，因此十分適合要求較高的硬實(shí)時(shí)應(yīng)用。

ST10具有DSP-MAC功能。其DSP-MAC乘法/累加加速器提供了功能強(qiáng)大的DSP函數(shù)，并配有一整套數(shù)學(xué)軟件庫(kù)，使自行定義的算法能夠更快速、簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)。ST10內(nèi)建高容量的Flash內(nèi)存，容量最大可達(dá)832KB，可實(shí)現(xiàn)100,000次以上的擦寫(xiě)次數(shù)。ST10具有極高的兼容性，廣泛支持多種系統(tǒng)外圍和接口，如ASC/LIN、CAN、I2C和SSC等。ST10的跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)能力給用戶的前期投資提供了潛在保護(hù)。它除了支持ST的開(kāi)發(fā)工具，也支持英飛凌(Infineon)的C16x和XC16 x平臺(tái)，為現(xiàn)有用戶升級(jí)到密度更高的閃存提供了一條快捷方式。此外，得益于ST最新的0.18μm制造工藝，及較大的工作溫度范圍(-40℃~+125℃)產(chǎn)品壽命得到有效延長(zhǎng)，數(shù)據(jù)保存時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)20年。有助于延長(zhǎng)產(chǎn)品使用壽命和優(yōu)化成本。

3. 32位MCU

32位汽車用MCU擁有更高的處理能力，以及高于8位和16位MCU的排錯(cuò)能力，但由于種種原因，其普及還需要一定時(shí)間。

目前影響32位MCU競(jìng)爭(zhēng)力的因素有很多，成本問(wèn)題是其中之一。單芯片是低成本的必然趨勢(shì)，如果將一些總線開(kāi)關(guān)、中斷控制器和排錯(cuò)電路等系統(tǒng)外圍電路整合至MCU，其成本可得到有效降低;此外，單芯片方案還能縮小產(chǎn)品尺寸，促進(jìn)小型化，高頻電路干擾也可由此降低。另一方面，低成本的實(shí)現(xiàn)還需要更優(yōu)化和更具性價(jià)比的生產(chǎn)制程和加工技術(shù)來(lái)支持。

鑒于32位MCU的卓越處理能力，當(dāng)前最廣泛的應(yīng)用為汽車的高檔多媒體設(shè)備。32位MCU如果搭配FlexRay等更高速的總線接口，也可進(jìn)一步提升整體系統(tǒng)通訊的實(shí)時(shí)性。

STA2058為ST推出的32位汽車用MCU產(chǎn)品，其優(yōu)秀的性能和彈性的構(gòu)架非常適用于汽車多媒體信息系統(tǒng)(Telematics)。STA2058整合了32位ARM7TDMI微處理器和嵌入式閃存(Embedded Flash)，廣泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口，以及RTCA-SC159、WAAS、EGNOS等GPS系統(tǒng)。此外，STA2058EX更擁有外接內(nèi)存接口，可以用作遠(yuǎn)程信息處理服務(wù)平臺(tái)，允許通過(guò)免黏結(jié)邏輯(Glueless)而與GSM/GPRS模塊、芯片卡、音頻功能DSP等外部裝置相連。

結(jié)論

汽車電子在整體車身成本中的比重越來(lái)越顯著，MCU的重要性也不斷得到提升。而汽車電子有其特殊的門(mén)檻，即安全性和可靠性的考慮。因此MCU在實(shí)現(xiàn)較高的智能性、操控性、實(shí)時(shí)性，和彈性的同時(shí)，必須要能滿足較高標(biāo)準(zhǔn)的可靠性要求，以保障行車的安全。