一種基于混合信號(hào)技術(shù)的汽車電子單芯片設(shè)計(jì)

隨著汽車部件電子化程度的不斷提高,汽車工程師們正積極地尋求車輛系統(tǒng)中的先進(jìn)控制和接口技術(shù)解決方案。目前,汽車系統(tǒng)中用來嵌入這些功能單元的空間和能源十分有限,汽車工程師們正借助于新穎的高壓混合信號(hào)技術(shù)將復(fù)雜的——截至目前還不兼容的元件功能集成到一塊芯片上?，F(xiàn)在,應(yīng)用與42V車載電壓兼容的I3T高電壓技術(shù)已經(jīng)可以將復(fù)雜的數(shù)字電路(如傳感器)、嵌入式微處理器以及功率電路(如激勵(lì)源或開關(guān)驅(qū)動(dòng)器)集成到一起。

LIN總線系統(tǒng)

由于其相對(duì)較低的造價(jià),LIN總線正被廣泛應(yīng)用于汽車的分布式電氣控制系統(tǒng)中,如控制電動(dòng)車窗、調(diào)節(jié)后視鏡和車前燈等部位的步進(jìn)馬達(dá)和直流電源,或管理傳感器采集到的關(guān)于氣溫或座位位置的信息等。LIN總線的傳輸字節(jié)高達(dá)20kbps?；趩沃鞴?jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu),通常,從節(jié)點(diǎn)安裝在收發(fā)器、微控制器、傳感器的接口或由分立元件組成的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器的周圍。最近研制出了一種帶有LIN總線異步收發(fā)裝置(UART)的微控制器,這種微控制器可同集成有其它從節(jié)點(diǎn)模塊(如LIN總線收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器、看門狗定時(shí)器、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器和傳感器接口)的附件一起配套使用。目前,AMI半導(dǎo)體(AMIS)公司利用混合信號(hào)技術(shù)將關(guān)鍵的從節(jié)點(diǎn)模塊全部集成在了一個(gè)功能專一、功耗低、符合標(biāo)準(zhǔn)IP模塊的芯片上,將LIN總線的發(fā)展又推進(jìn)了一步。該方案的特點(diǎn)有：

集成RC振蕩器,誤差≤15%;

專用IP模塊(如DC或微型步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器);

遵守LIN總線V1.3協(xié)議;

傳輸速率高達(dá)20kbps(特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì));

低頻收發(fā);

睡眠/旁路模式中的低電流損耗;

滿足潛在的市場(chǎng)需求。

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圖1為一個(gè)集成有LIN總線的從節(jié)點(diǎn)中主要元件的結(jié)構(gòu)框圖。AMIS的方案提供了應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層需要的所有主要功能模塊。這些功能模塊可以用VHDL代碼編程、用AMIS開發(fā)板評(píng)估,下文將對(duì)它們作簡(jiǎn)要的介紹。

帶有數(shù)字濾波器的采樣模塊

該模塊從接收器中采集信號(hào),并將結(jié)果數(shù)據(jù)流通過數(shù)字濾波器,以除掉由于LIN總線信號(hào)的衰減可能造成的偽傳輸。因此,該模塊提高了LIN協(xié)議在惡劣環(huán)境中應(yīng)用的性能,并最大程度上減少了同步和數(shù)據(jù)采樣中的問題。

同步機(jī)

同步機(jī)模塊從同步域中提取所需的信息,以決定編碼器和解碼器的準(zhǔn)確采樣速率。該模塊具有內(nèi)部晶振,并采用了一種可將傳統(tǒng)的UART技術(shù)中偶爾發(fā)生的舍/入誤差減到最小的技術(shù)。同步機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于能用較低的時(shí)鐘頻率來執(zhí)行LIN協(xié)議。例如,可以使用一個(gè)250KHz的主時(shí)鐘及15%的容差來獲得精確無誤的通訊。另外,AMIS的方案實(shí)現(xiàn)了占空比較大的變化范圍。典型的UART在晶振零誤差的情況下能實(shí)現(xiàn)占空比在33~66%間的變化。然而,運(yùn)用AMIS解決方案可實(shí)現(xiàn)占空比在12~88%間的變化,并能完全適應(yīng)晶振的誤差。在對(duì)物理層參數(shù)提供了較大容差的同時(shí),也提高了對(duì)占空比影響較大的電磁兼容性。

標(biāo)識(shí)符濾波器及其動(dòng)態(tài)管理

主節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行的初始及運(yùn)行過程中依據(jù)需要發(fā)布不同的從指令標(biāo)識(shí)符。為此,從節(jié)點(diǎn)要包含一定數(shù)目的寄存器。ROM指令數(shù)陣列指的是從節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行的不同指令,在RAM或EEPROM中含有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。地址寄存器模塊識(shí)別同一LIN總線上的不同從節(jié)點(diǎn),而第二ROM陣列是為不同的應(yīng)用和執(zhí)行過程識(shí)別不同的從節(jié)點(diǎn)。標(biāo)識(shí)符濾波器依據(jù)分配的標(biāo)識(shí)符以決定指令的執(zhí)行與否,若標(biāo)識(shí)符存在于隊(duì)列中,則執(zhí)行該指令,否則不執(zhí)行。

糾錯(cuò)

錯(cuò)誤識(shí)別模塊處于數(shù)據(jù)鏈路層,而糾錯(cuò)卻是在應(yīng)用層執(zhí)行。因此,由嵌入式微控制器在軟件中定義誤差量。應(yīng)用層中的糾錯(cuò)模塊包含一個(gè)狀態(tài)寄存器,每一種錯(cuò)誤都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志位,并由該標(biāo)志位向微處理器的內(nèi)核產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。錯(cuò)誤標(biāo)志可通過對(duì)狀態(tài)寄存器執(zhí)行讀操作來清除。每次錯(cuò)誤直接中斷通訊,從而導(dǎo)致一個(gè)位錯(cuò)誤以停止發(fā)送字節(jié)。進(jìn)而這一幀信息被忽略,從節(jié)點(diǎn)等待下一個(gè)中斷域。

幀緩沖器

幀緩沖器是將送給微處理器內(nèi)核的中斷減到最小的另一個(gè)途徑。它與標(biāo)識(shí)符濾波器配合使用,可將中斷的數(shù)量減到每幀一次。該緩沖器中含17個(gè)字節(jié)(一個(gè)標(biāo)識(shí)符、八個(gè)發(fā)送字節(jié)、八個(gè)接收字節(jié))。

內(nèi)核/狀態(tài)機(jī)及應(yīng)用接口

根據(jù)需要,AMIS可提供不同的內(nèi)核。內(nèi)核與LIN控制器間通過中斷信號(hào)和特殊功能寄存器(SFR)實(shí)現(xiàn)連接,LIN控制器可看作是SFR總線上的一個(gè)外圍器件。除了這些LIN總線特點(diǎn)外,與同類半導(dǎo)體處理技術(shù)平臺(tái)一樣,AMIS開發(fā)了一個(gè)廣泛的IP模塊庫,包括貳⑵和SAR ADC模塊、輸出電流可達(dá)0.3A的延時(shí)觸發(fā)器及輸出電流達(dá)3A的H橋。當(dāng)然,運(yùn)用從節(jié)點(diǎn)只是整個(gè)功能中的一部分,通過給它們提供足夠功率以將它們集成在當(dāng)今汽車中是汽車電氣工程師的下一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

42V電源技術(shù)方案

一個(gè)理想的汽車電源方案中,電源等級(jí)將會(huì)從傳統(tǒng)的12V電池電壓轉(zhuǎn)換成42V電源系統(tǒng)。而在42V系統(tǒng)中,電源等級(jí)還將會(huì)不斷地升高。例如,系統(tǒng)整個(gè)壽命周期中的最大工作電壓設(shè)定在50V,如果存在著8V最大動(dòng)態(tài)過電壓,電源電壓就會(huì)達(dá)到58V。增加一個(gè)12V的外部驅(qū)動(dòng)負(fù)荷泵,將會(huì)使系統(tǒng)的電壓需求達(dá)到70V,再增加一個(gè)ESD保護(hù)窗,系統(tǒng)電壓將達(dá)到80V。而且汽車的半導(dǎo)體器件不僅要承受較高的電壓,同時(shí)還必須具備足夠的魯棒性以滿足其苛刻的運(yùn)行環(huán)境,比如,應(yīng)滿足運(yùn)行溫度在-40℃~+200℃范圍的需求。到目前為止,承受較高電壓和滿足苛刻運(yùn)行條件的需求是42V汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用智能SoC技術(shù)的重大障礙。

AMI半導(dǎo)體的I3T80是一種基于 0.35mm CMOS工藝的80V電源智能模塊集成技術(shù)。滿足42V汽車系統(tǒng)惡劣的運(yùn)行條件。由此技術(shù)開發(fā)出的設(shè)備包括電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器、DC-DC變換器、具有帶寬濾波器的高精度模擬電路以及ADC和DAC等。而且I3T80能夠嵌入集成總計(jì)超過150000個(gè)門電路,其通信協(xié)議模塊包括PLL、USB、總線協(xié)議控制器、CAN和LIN通信控制器。除此之外,它還提供了ROM和RAM存儲(chǔ)器。

結(jié)語

在新型汽車電子應(yīng)用中,隨著電子部件不斷地增加, 汽車設(shè)計(jì)者們正在尋求一種合理的解決方案。這樣,高集成度、高可靠性SoC解決方案應(yīng)運(yùn)而生。這種解決方案技術(shù)要求能夠簡(jiǎn)化執(zhí)行步驟,減少與不同電子系統(tǒng)之間的控制和接口成本。AMIS的高電壓、混合信號(hào)技術(shù)滿足了這種需要。它把半導(dǎo)體解決方案與專用IP模塊結(jié)合在一起,能夠滿足任何標(biāo)準(zhǔn)接口通信總線 (LIN、CAN)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用,同時(shí)與42V電壓等級(jí)方案兼容。