汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用解決方案

汽車制造商面臨著使汽車更安全、更智能及能效更高的挑戰(zhàn)，這進(jìn)而推動(dòng)汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展。電子產(chǎn)品一直是汽車內(nèi)容中增長最快的部分，超過了機(jī)械、氣動(dòng)和水力。

嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員不斷開發(fā)新的電子控制模塊（ECM），以實(shí)現(xiàn)滿足駕駛?cè)藛T希望的汽車功能。對更高安全性、舒適性、保密性以及駕駛?cè)藛T信息應(yīng)用的不斷增長的需求是汽車電子增長的主要原因。這種增長同時(shí)受到消費(fèi)者喜好和政府相關(guān)法規(guī)的激勵(lì)，此外，由于全球市場競爭激烈，OEM對成本十分敏感。

基于閃存、高度集成的功率管理微控制器（MCU）不僅是ECM的基礎(chǔ)，同時(shí)還可幫助嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員克服在實(shí)現(xiàn)新功能時(shí)所遇到的重大挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)范圍廣泛，從功耗和空間受限到用于診斷功能的ECM連接，同時(shí)還要保證成本效益。子系統(tǒng)供應(yīng)商一直與自己的供應(yīng)商合作開發(fā)可靠且具成本效益的創(chuàng)新性解決方案。利用具競爭力的解決方案來解決這些挑戰(zhàn)是當(dāng)前汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員普遍采用的方法。

挑戰(zhàn)一：滿足功率預(yù)算

隨著越來越多的電子產(chǎn)品滲入到汽車內(nèi)部應(yīng)用領(lǐng)域，ECM的數(shù)目不斷增加，這使得汽車功率預(yù)算非常緊張。某些較高端的汽車甚至可能帶有80多個(gè)ECM，這意味著電流負(fù)載也在不斷加重?？朔@一挑戰(zhàn)的方法之一是增大電池尺寸來滿足不斷提高的功率要求。然而，在空間有限，并且重量也是關(guān)鍵因素的環(huán)境中，采用更大尺寸的電池并不總是很好的折衷方案，因?yàn)樗鼘θ加拖姆矫嬗胸?fù)面影響。

一種更好的替代方案是降低這些ECM模塊在汽車引擎熄火時(shí)的功耗要求。隨著汽車熄火時(shí)電源負(fù)載越來越多，如自動(dòng)車門開啟（Keyless Entry）和信息娛樂系統(tǒng)等，汽車OEM已開始收緊熄火時(shí)的功率預(yù)算，要求每個(gè)ECM的功率預(yù)算不超過1mA。功率管理微控制器系列可為嵌入式設(shè)計(jì)人員提高供有力的幫助，無需犧牲性能就能實(shí)現(xiàn)高價(jià)值的能效工作。

功率管理微控制器無需外部元件，為設(shè)計(jì)人員提供了片上閃存、最大的系統(tǒng)效率、更強(qiáng)的系統(tǒng)穩(wěn)健性和最低的成本與板空間。多個(gè)功率管理模式為設(shè)計(jì)人員提供了在不同模式間切換，以及在應(yīng)用軟件中整合節(jié)能程序的靈活性。這些創(chuàng)新性解決方案被開發(fā)來讓微控制器能夠更高效地執(zhí)行功率管理任務(wù)，是備受汽車嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員歡迎的有力工具。微控制器在其工作頻率范圍上提供靈活的功率管理技術(shù)正是設(shè)計(jì)人員所希望的。功率管理微控制器必須具有通用性，給予設(shè)計(jì)人員技術(shù)可行性、成本效益方面的多種選擇，以解決與先進(jìn)汽車車身控制系統(tǒng)可靠的低功率工作相關(guān)的復(fù)雜挑戰(zhàn)。表1總結(jié)了微控制器的功率管理功能，可供設(shè)計(jì)人員為其車身控制電子模塊選擇微控制器系列時(shí)參考。

理想的微控制器系列應(yīng)該為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)能夠創(chuàng)建創(chuàng)新性節(jié)能程序的平臺(tái)。該平臺(tái)應(yīng)該包括豐富的片上外設(shè)，比如可選振蕩器和多個(gè)晶振模式、外部時(shí)鐘模式、外部RC振蕩器模式，以及可在軟件控制下生成多個(gè)時(shí)鐘頻率的內(nèi)部振蕩器模塊。圖1即是一個(gè)基于功率管理微控制器的節(jié)能實(shí)例。

低功率和可靠工作是車身控制ECM開發(fā)的主要考慮事項(xiàng)。圖2所示為功率管理微控制器實(shí)現(xiàn)靈活控制和最佳低功率工作以把總體電流消耗將成本減至最小并降低功耗所需要的功能范圍。

用于可靠的低功率工作的主要片上構(gòu)建模塊包括一個(gè)內(nèi)部振蕩器、睡眠模式、上電復(fù)位（POR）功能、掉電復(fù)位（BOR）、器件復(fù)位定時(shí)器（DRT）以及上電復(fù)位定時(shí)器（PWRT）。內(nèi)部振蕩器對滿足功率管理微控制器的必需性能要求至關(guān)重要。內(nèi)部振蕩器的性能可調(diào)，同時(shí)在電壓和溫度范圍上具有穩(wěn)定性，故可提供大量選擇，從而讓設(shè)計(jì)人員得以更嚴(yán)格地控制ECM的功耗，適應(yīng)在線變化，減少外部元件數(shù)目，最終降低成本，提高性能。

在不活動(dòng)期間，睡眠模式可把微控制器置于睡眠狀態(tài)，將平均功耗降至最低，只在必需執(zhí)行指定任務(wù)時(shí)才予以激活。DRT或PWRT都基于一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器，其使微控制器保持在復(fù)位狀態(tài)，并留有足夠的時(shí)間讓電源電壓和內(nèi)部振蕩器穩(wěn)定。POR基于內(nèi)部電路，可確保微控制器的電源電壓在釋放DRT之前達(dá)到最小電壓值。當(dāng)電源電壓尖峰低于額定工作電壓時(shí)，BOR通過使微控制器復(fù)位來確保微控制器的可靠工作。功率管理微控制器為設(shè)計(jì)人員提供了充分的靈活性，讓他們能夠針對自己的項(xiàng)目創(chuàng)建電流消耗最小化、功耗更低的嵌入式解決方案。

挑戰(zhàn)二：在空間有限的環(huán)境中滿足性能要求

車身控制ECM應(yīng)用增長的主要原因是由于汽車制造商希望滿足汽車目標(biāo)開戶的功能要求。而ECM增加的結(jié)果是可用空間越來越有限。設(shè)計(jì)人員期望微控制器的使用能夠?qū)崿F(xiàn)很高的片上外設(shè)集成度（包括數(shù)字和模擬），以支持節(jié)省空間的總體目標(biāo)。圖3顯示了利用當(dāng)前市場上常見控制器系列可實(shí)現(xiàn)的片上外設(shè)范圍。

微控制器架構(gòu)對于支持軟件移植至為關(guān)鍵。業(yè)界比較流行的微控制器架構(gòu)可支持多種移植路徑，在此，它們的向上兼容能力可優(yōu)化處理效率和性能。例如，PIC微控制器架構(gòu)整合了RISC功能和一個(gè)改良Harvard雙總線架構(gòu)，指令和數(shù)據(jù)通過獨(dú)立的總線傳輸，從而避免了瓶頸問題處理，提高了總體系統(tǒng)性能。

強(qiáng)大的移植兼容能力支持工程模塊的復(fù)用性，這有助于節(jié)省開發(fā)時(shí)間和總體成本。兼容能力對微控制器設(shè)計(jì)的復(fù)用非常重要。微控制器系列的標(biāo)準(zhǔn)化引腳布局支持代碼庫的開發(fā)，可用于大范圍的應(yīng)用，十分受設(shè)計(jì)人員歡迎。一個(gè)提供了插座、軟件以及外設(shè)兼容能力的微控制器架構(gòu)可為設(shè)計(jì)人員提供出色的靈活性。例如，每只引腳都可以用于幾種外設(shè)功能，因此設(shè)計(jì)人員不必改動(dòng)印刷電路板設(shè)計(jì)即可增加或切換不同的功能。最終結(jié)果是最小化甚至消除了重新設(shè)計(jì)的成本。

復(fù)用經(jīng)過驗(yàn)證的工程模塊不僅可節(jié)省時(shí)間和成本，還可以直接提高總體系統(tǒng)質(zhì)量，因?yàn)?a target="_blank">工程師可借鑒以前設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，并在目前設(shè)計(jì)中應(yīng)用已有成果。最終，兼容能力和復(fù)用能力提高了總體的產(chǎn)品開發(fā)效率，在目前有經(jīng)驗(yàn)的嵌入式設(shè)計(jì)人員缺乏的情況下，這是至關(guān)重要的。

挑戰(zhàn)三：為車內(nèi)多種ECM提供具成本效益的連接

汽車內(nèi)部日益增多的ECM形成了一個(gè)汽車網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。車身控制電子模塊可提高車內(nèi)乘員的舒適性和安全性。對汽車制造商而言，先進(jìn)的車身控制模塊是生產(chǎn)出更智能化、更可靠、更安全的汽車的關(guān)鍵要素。車身控制電子模塊可簡化汽車操作并將駕駛?cè)藛T從輔助活動(dòng)中解放出來，從而提高汽車的安全系數(shù)。網(wǎng)絡(luò)是車內(nèi)電子架構(gòu)的關(guān)鍵部分。單一的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議無法滿足遍布車身的眾多應(yīng)用的要求。汽車電子系統(tǒng)架構(gòu)師面臨的挑戰(zhàn)是：定義適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)協(xié)議以在目標(biāo)預(yù)算內(nèi)獲得所需要的性能。因此，選擇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議必須匹配符合性價(jià)比要求的適當(dāng)應(yīng)用。

一旦汽車架構(gòu)師予以定義，滿足成本預(yù)算就成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須滿足的要求。圖4所示為車內(nèi)采用的多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)，以及實(shí)現(xiàn)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)成本。目前最流行的兩種汽車網(wǎng)絡(luò)是控制器局域網(wǎng)和（CAN）和本地互聯(lián)網(wǎng)（LIN）。

CAN提供了一個(gè)多主體系，支持智能冗余系統(tǒng)的開發(fā)。在此類網(wǎng)絡(luò)中，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，不會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)功能。消息仍通過網(wǎng)絡(luò)廣播。所有節(jié)點(diǎn)都能夠接收、讀取消息，并判斷是否與自己相關(guān)以及是否需要采取行動(dòng)。在這種環(huán)境中，數(shù)據(jù)完整性可得到保證，因?yàn)橄到y(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)使用同樣的信息。數(shù)據(jù)完整性通過錯(cuò)誤檢測機(jī)制和錯(cuò)誤消息重傳機(jī)制來保證。

LIN協(xié)議是適用于較小規(guī)模車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的完整通信規(guī)范。該規(guī)范包含了協(xié)議定義和物理層定義，以及開發(fā)工具和應(yīng)用軟件接口定義。對于汽車開關(guān)、智能傳感器和致動(dòng)器等不需要CAN那樣大的帶寬和通用性的應(yīng)用，LIN提供了一個(gè)具成本效益的通信網(wǎng)絡(luò)。LIN通信協(xié)議基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主/多從方式，帶有一條單線12V總線，節(jié)點(diǎn)時(shí)鐘同步不需要穩(wěn)定的時(shí)基。

鑒于LIN主要用于低端應(yīng)用，有兩個(gè)因素非常關(guān)鍵：首先，相比CAN，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信成本必須相當(dāng)?shù)?；其次，不需要CAN那么高的性能、帶寬和通用性。相比CAN，LIN的成本節(jié)省主要來自：1. 單線傳輸，2. 硬件和軟件可在芯片內(nèi)低成本實(shí)現(xiàn)，3. 從節(jié)點(diǎn)不需要使用晶體或陶瓷諧振器。LIN和CAN協(xié)議的主要特性如表2所示。

現(xiàn)在，嵌入式設(shè)計(jì)人員已可使用帶片上外設(shè)支持CAN和LIN通信協(xié)議的微控制器。網(wǎng)關(guān)微控制器用于高速和低速CAN總線間，以及低速CAN和其它網(wǎng)絡(luò)（比如多媒體、光纖點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)以及面向媒體系統(tǒng)傳輸（MOST）協(xié)議）間的切換。LIN是可直接連接到CAN網(wǎng)絡(luò)的子總線網(wǎng)絡(luò)。在車內(nèi)ECM數(shù)目不斷增加的情況下，支持這些通信協(xié)議的集成式微控制器能夠幫助降低元件數(shù)目和系統(tǒng)成本。

本文小結(jié)

隨著對現(xiàn)代汽車舒適性和安全性要求的不斷提高，汽車變得越來越智能化。對嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，微控制器是利用汽車電子模塊解決有關(guān)下列挑戰(zhàn)必不可少的工具：在車內(nèi)實(shí)現(xiàn)具成本效益的ECM網(wǎng)絡(luò)；在預(yù)定的有限空間內(nèi)提供所需要的功能；滿足預(yù)定功率預(yù)算。

帶有大量集成外設(shè)的功率管理微控制器系列為設(shè)計(jì)人員提供了出色的靈活性和多種選擇性，讓他們能夠創(chuàng)建出創(chuàng)新、緊湊并具成本效益的先進(jìn)解決方案，滿足汽車消費(fèi)者的期望。對于ECM，充分的靈活性是縮短產(chǎn)品上市時(shí)間的重要因素。

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