國產(chǎn)車載MCU的創(chuàng)新發(fā)展

　　車新四化進程不斷推進，汽車電子產(chǎn)業(yè)將迎來發(fā)展黃金期。

　　據(jù) IC Insights 預(yù)測，車規(guī)級 MCU 芯片銷售額將在 2020 年接近 65 億美元，隨后在 2021-2023 年器件漲幅逐步加大，2023 年銷售額將達到 81 億美元。

　　而就目前來看，全球 MCU 市場由瑞薩、恩智浦、英飛凌、Microchip、賽普拉斯、意法半導體等國外半導體廠商主導，同時高通、英偉達、英特爾等消費電子巨頭也在極力進入這一領(lǐng)域，相較之下，起步較晚、技術(shù)薄弱的國產(chǎn)車載 MCU 廠商處于弱勢狀態(tài)。

　　前不久，與非網(wǎng)一篇《為何國產(chǎn)車載 MCU 發(fā)展長路漫漫？》描述了國產(chǎn)車載 MCU 的現(xiàn)狀與困境，從設(shè)計研發(fā)到生產(chǎn)良率再到車規(guī)級測試及認證等都是擺在眼前的難題，國產(chǎn)車載 MCU 長路漫漫，仍在追趕階段。

　　近日，四維圖旗下全資子公司 AutoChips 杰發(fā)科技車規(guī)級 MCU 產(chǎn)品線又添重量級新成員——AC7801X，這是繼 2018 年底推出首顆車規(guī)級 MCU 芯片 AC7811 之后，又一顆國產(chǎn) 32 位 Cortex-M0+車規(guī)級 MCU 芯片，旨在進一步拓寬國內(nèi)車身控制領(lǐng)域的市場份額。

　　據(jù)介紹，AC7801x 系列 MCU 符合 AEC-Q100 規(guī)范，適用于汽車電子和高可靠性工業(yè)應(yīng)用，主要用于電控領(lǐng)域。在汽車上可廣泛適用于天窗、車窗、座椅、ETC、LED 車燈、雨量傳感器以及倒車雷達等。

　　AC7801x 芯片框圖（圖源：杰發(fā)科技官網(wǎng)）

　　從芯片架構(gòu)圖看到，AC7801x 系列芯片基于 ARM Cortex?-M0+內(nèi)核，運行主頻 48MHz，最高 128KB Flash，最高 20KB RAM，供電電壓支持 2.7~5.5V，具備出色 EMC/ESD 能力，能夠適應(yīng)更惡劣的環(huán)境，溫度范圍： -40 to 125℃；支持 LQFP48、QFN32、TSSOP20 三種封裝類型。

　　在通信模塊，本系列芯片支持 2 路 SPI、2 路 I2C、支持 1 路 CAN-FD，兼容 CAN 2.0B、支持 3 路 UART、支持 2 路 software LIN。

　　AC7801x 系列芯片具備強大的拓展能力，成熟完善的 ARM 架構(gòu)及生態(tài)配置；先進的 CAN-FD 滿足未來高帶寬總線拓展需求；產(chǎn)品適配 AUTOSAR 功能；大容量 Flash/RAM、豐富的外設(shè)接口可充分滿足客戶個性化及擴展需求。同時 AC7801X 具有絕佳的性價比優(yōu)勢，推動傳統(tǒng)車身包含的大量 8 位 /16 位 MCU 升級換代，助力汽車電子化跨越。

　　相比消費 / 工業(yè)級 MCU，車規(guī)級 MCU 優(yōu)勢體現(xiàn)在哪些方面？

　　車規(guī)級 MCU 相比消費級和工業(yè)級產(chǎn)品，在溫度范圍、穩(wěn)定性、生產(chǎn)良率、生命周期以及認證流程等方面存在明顯差距。

　　溫度范圍：車規(guī)級 MCU 需要寬工作溫度范圍。MCU 需要在 -40℃~125℃范圍內(nèi)各個模塊均可以正常工作，例如內(nèi)置的 EEPROM 可以在高溫下保證足夠高的擦寫壽命；MCU 內(nèi)有著大量的模擬器件，需要保證這些器件在全溫范圍內(nèi)的一致性，包括 ADC、時鐘、內(nèi)部參考電壓、運放比較器失調(diào)電壓等。

　　穩(wěn)定性：器件的抗干擾性能要求極高，包括抗 ESD 靜電，EFT 群脈沖，RS 傳導輻射等，MCU 在這些干擾下能夠做到不損壞、不死機、不復(fù)位。

　　生產(chǎn)良率&生命周期：車規(guī)級 MCU 產(chǎn)品的批量一致性。如何把產(chǎn)品的不良率做到 1PPM，甚至更低。這對芯片公司的設(shè)計和品控都是一個非常大的挑戰(zhàn)，設(shè)計時需要考慮如何降低功能和性能上的理論偏差，品控時測試要周密全面。產(chǎn)品使用周期要達到 15-20 年，技術(shù)難度遠大于消費電子類芯片。

　　認證流程：汽車芯片落地之所以耗時較長，究其原因在于認證流程。芯片進入汽車領(lǐng)域，必須通過兩個認證：第一個是由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推出的 AEC-Q100（IC）、101（離散元件）、200（被動零件）可靠標準；第二個是要符合零失效的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標準 ISO/TS 16949 規(guī)范中的 ASIL 安全等級。ASIL 安全等級規(guī)范了汽車電子中具體器件的安全設(shè)計要求，根據(jù)不同的控制場景，需要滿足不同的等級規(guī)范，以提高器件的容錯率和故障診斷覆蓋率。每一環(huán)節(jié)都需要反復(fù)測試驗證，即使發(fā)現(xiàn)一顆產(chǎn)品有問題，也必須從頭到尾盤查，找到根本原因并采取有效方案。

　　與國外同類別車載 MCU 對比，有哪些創(chuàng)新和亮點？

　　國內(nèi) MCU 行業(yè)整體起步較晚、技術(shù)較薄弱，在品牌、產(chǎn)品穩(wěn)定性、供貨能力以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方面存在不足。但本土車規(guī)級 MCU 產(chǎn)品在追趕和模仿中也逐漸表現(xiàn)出新的亮點。

　　口說無憑，我們來與國際大廠同類別 MCU 來進行一下比較：

　　Kinetis? EA 系列 32 位 Arm? Cortex?MCU（圖源：恩智浦官網(wǎng)）

　　恩智浦 KEA 系列 32 位 MCU 是 Arm 生態(tài)合作體系的入門級產(chǎn)品，低功耗 Arm Cortex-M0+內(nèi)核和 8–128 KB 的嵌入式閃存；具備出色的 EMC/ESD 兼容性，能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，并且輻射排放較低；提供可擴展、穩(wěn)定可靠的高性能解決方案，適用于質(zhì)量要求和長期供貨保證要求都很高的汽車和工業(yè)應(yīng)用。

　　通信接口方面，KEA 系列芯片支持 2 個 SPI 模塊、3 個 UART 模塊、2 個 IIC 模塊及 1 個 CAN 模塊。

　　杰發(fā)科技 AC7801x 系列 MCU 與恩智浦（原飛思卡爾）KEA 系列相比來看，兩者在大部分功能模塊與性能參數(shù)方面相差無幾。在通信模塊部分，AC7801x 存在一定優(yōu)勢，支持多種通信接口，從而能夠通過不同的傳輸速率和性能負荷等而滿足更多的應(yīng)用場景。

　　下面來介紹一下 AC7801x 系列 MCU 在通信接口方面的升級：

　　·CAN 過渡到 CAN FD

　　CAN（Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。 在北美和西歐，CAN 總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線。

　　隨著新能源汽車、自動駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，對于 ADAS 和人機交互需求的增加，CAN 總線在傳輸速率和帶寬等方面越來越顯得“力不從心”，經(jīng)典的 CAN 總線通訊已跟不上當下的數(shù)據(jù)量需求。因此 CAN FD 應(yīng)運而生，以滿足車載網(wǎng)絡(luò)日益提高的帶寬和數(shù)據(jù)速率靈活性的要求。

　　CAN FD 是一種基于傳統(tǒng) CAN 總線標準而構(gòu)建的通信協(xié)議，與傳統(tǒng) CAN 相比，數(shù)據(jù)傳輸率提高 5 倍，數(shù)據(jù)有效負荷增加 8 倍。從之前的 1Mbps 升級到了 5 Mbps 的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，支持高達 64 字節(jié)的有效負荷。

　　CAN FD 在兼容性上也比較優(yōu)秀，CAN FD 可以向下兼容 CAN，但 CAN 不能向上升級。此外，CAN FD 還改善了錯誤幀漏檢率，被視為是下一代主流汽車總線系統(tǒng)。

　　從需求上來看，2019 年以前，對 CAN FD 的需求還沒有那么高。但 2019 年后，CAN FD 整體需求突然上升，主要原因是新能源汽車以及自動駕駛的爆發(fā)，兩個方面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，傳統(tǒng) CAN 傳輸數(shù)據(jù)是達不到的，因此需要升級 CAN FD 來傳輸。

　　·CAN VS 以太網(wǎng)

　　提到 CAN 總線又很難繞開以太網(wǎng)，兩者圍繞在車載領(lǐng)域進行總線之爭。

　　以太網(wǎng)作為一種標準開放式的網(wǎng)絡(luò)，傳輸信號相較于 CAN 總線有著傳輸速率高、傳輸距離長等優(yōu)勢，而且技術(shù)相對成熟，掌握的人也比較多。但目前僅僅是用于汽車傳輸雷達、視頻等高速信號部分，為什么一輛車沒有全用以太網(wǎng)總線通信呢？因為相比以太網(wǎng)，CAN 總線也存在一定的優(yōu)勢。

　　網(wǎng)絡(luò)安全性：從網(wǎng)絡(luò)的連接來看，CAN 總線通過物理信號來進行連接，以太網(wǎng)則是交換機連接。在以太網(wǎng)連接中交換機是必要的，一旦交換機出現(xiàn)問題整個網(wǎng)絡(luò)都將崩潰，整個網(wǎng)絡(luò)的安危依靠交換機來承擔，存在較大的風險，而若是設(shè)置冗余備用又要增加許多成本。相比之下 CAN 總線的結(jié)構(gòu)簡單，簡潔而穩(wěn)定。而且以太網(wǎng)采取超時重發(fā)機制，單個節(jié)點的故障很容易擴散到整個網(wǎng)絡(luò)，相較于 CAN 總線的分級仲裁制度遜色了不少。對于汽車網(wǎng)絡(luò)安全層面來講，CAN 總線更為適合。

　　成本決定：在上述安全性上提到了交換機。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機的存在必不可少，而現(xiàn)代汽車擁有越來越多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，若是全采用以太網(wǎng)進行通訊勢必需要一個或幾個超多接口的交換機，將會帶來成本的大幅增加。

　　軟件穩(wěn)定性：以太網(wǎng)作為一種標準開放式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容性和互操作性好，資源共享的能力強，可以很容易的完成信息和資源的共享操作。然而，另一方面也增加了軟件的不穩(wěn)定性，降低了網(wǎng)絡(luò)入侵的作案成本。相對而言 CAN 總線是一個專用的現(xiàn)場總線，軟件穩(wěn)定性較高。

　　上面大概介紹了 CAN 總線和以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)方式的優(yōu)勢和不足，綜合兩者特點，就目前技術(shù)而言，車載以太網(wǎng)為主干，CAN FD 作為子系統(tǒng)的通訊方式較為可行，這樣既保留了 CAN 實時、安全的特性，又能夠提升通訊速度與傳輸距離，同時還保證了成本的控制，是當前階段的最佳選擇。

　　·UART-LIN（UART 實現(xiàn) LIN 通信）

　　在 AC7801x 芯片框圖中可以看到，支持 3 路 UART 之外，還支持 2 路 UART-LIN，UART-LIN 又是什么呢？

　　UART：通用異步收發(fā)器，它不是像 SPI 和 I2C 這樣的通信協(xié)議，而是 MCU 中的物理電路或獨立的 IC，是一個微控制器外設(shè)，主要用途是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在幾乎每個 MCU 都標配 UART，主要的功能是用來跟上位機連接的，以便讓上位機對其進行調(diào)試或者執(zhí)行簡單的數(shù)據(jù)通信，比如顯示一下狀態(tài)、傳遞幾個命令等。UART 雖然速率比較低，但不可或缺。

　　而 UART-LIN 是 LIN 總線（Local Interconnect Network）基于 UART 數(shù)據(jù)格式的低成本串行通訊協(xié)議。

　　LIN 總線是針對汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，采用單主控制器 / 多從設(shè)備的模式，是 UART 中的一種特殊情況。LIN 網(wǎng)絡(luò)在汽車中一般不獨立存在，通常會與上層 CAN 網(wǎng)絡(luò)相連，形成 CAN-LIN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點，為 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能。

　　由于 CAN 總線成本較高，處處都用 CAN 總線的話，整車的總線架構(gòu)成本將會變得很高。因此，在一些對網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯功能沒有過高要求的應(yīng)用（智能傳感節(jié)點，如車窗、后視鏡、大燈、車鎖等），在不需要 CAN 總線的帶寬和多功能的場合，可以使用 LIN 總線來節(jié)省成本。

　　LIN 總線采用的是單線傳輸形式，應(yīng)用了單主機多從機的概念，總線電平一般為 12V，傳輸速率最高限制為 20Kbit/s。由于物理層的限制，一個 LIN 網(wǎng)絡(luò)最多可以連接 16 個節(jié)點。

　　LIN 的特點

　　網(wǎng)絡(luò)由一個主節(jié)點與若干個從節(jié)點構(gòu)成；

　　使用 LIN 總線可以大幅度削減成本；

　　傳輸具有確定性，傳播時間可以提前計算；

　　LIN 具有可預(yù)測的 EMC（電磁兼容性）性能，為了限制 EMC 的強度，LIN 協(xié)議規(guī)定最大傳輸速率為 20kbps；

　　LIN 總線提供信號的配置、處理、識別和診斷功能。

　　LIN 總線與 CAN 總線是汽車上重要的兩種總線，其中 LIN 總線在車身電子（BCM）的設(shè)計中運用廣泛，也是 ECU 設(shè)計中一個重要的部分。

　　對于 LIN 總線的發(fā)展前景，知乎某汽車工程師 Rechuin 表示，在很多整車廠中大燈模塊都是掛在 CAN 線上的，隨著原來對網(wǎng)絡(luò)帶寬、性能沒有過高要求的應(yīng)用功能性增強（如大燈隨動轉(zhuǎn)向自動調(diào)節(jié)等一系列功能的增加），LIN 逐漸不能滿足通信需求，所以開始轉(zhuǎn)向 CAN 總線是個很好的選擇。

　　此外，某車聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品經(jīng)理張揚也認為，LIN 慢慢將會被淘汰，一方面因為 CAN 成本越來越低，無論從開發(fā)費用還是單件價格比 LIN 節(jié)點都貴不了多少；另一方面 LIN 速度太低，幾乎沒法做 OTA（Over The Air，空中下載）升級。

　　結(jié)語

　　隨著國際貿(mào)易摩擦不斷升級，對國內(nèi)車企引入國外核心技術(shù)及核心零部件都增加了障礙。但嚴峻的形勢也為中國汽車行業(yè)提供了機會，勢必加速中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快自主研發(fā)和創(chuàng)新的步伐，汽車芯片國產(chǎn)替代迎來了歷史機遇。

　　車載 MCU 作為汽車芯片中的核心產(chǎn)品，未來將與其他自主設(shè)計的汽車信息娛樂系統(tǒng) SOC、MEMS、模擬器件產(chǎn)品線形成有效聯(lián)動，助力汽車“新四化”，不斷推動國產(chǎn)芯片自主化進程。

　　AutoChips 杰發(fā)科技在內(nèi)的本土企業(yè)，在推動自主化進程的路上已經(jīng)邁開了步子。