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。
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。
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。
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:主要應(yīng)用于車體的各個(gè)次系統(tǒng),包括風(fēng)扇控制、空調(diào)控制、雨刷、天窗、車窗升降、低階儀表板、集線盒、座椅控制、門控模塊等較低階的控制功能。
16位MCU:主要應(yīng)用為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng),如引擎控制、齒輪與離合器控制,和電子式渦輪系統(tǒng)等;也適合用于底盤機(jī)構(gòu)上,如懸吊系統(tǒng)、電子式動(dòng)力方向盤、扭力分散控制,和電子幫浦、電子剎車等。
32位MCU:主要應(yīng)用包括儀表板控制、車身控制、多媒體信息系統(tǒng)(TelemaTIcs)、引擎控制,以及新興的智能性和實(shí)時(shí)性的安全系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng),如預(yù)碰撞(Pre- crash)、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,以及復(fù)雜的X-by-wire等傳動(dòng)功能。
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。
評(píng)論
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