微控制器如何解決解決動力系統(tǒng)分布式架構的網(wǎng)絡挑戰(zhàn)

　　車輛中微控制器的數(shù)量正在穩(wěn)步增加，它們使用的關鍵領域之一是降低燃料消耗。因此，一些制造商正在設計和制造針對動力總成應用的微控制器。這個市場的趨勢是將智能分布在車輛周圍。這種微控制器能夠解決動力系統(tǒng)的不同方面以及分布式架構的網(wǎng)絡挑戰(zhàn)。

　　用作發(fā)動機控制單元 （ECU） 的微控制器正變得越來越普遍。確認這些將完成所需的工作并具有最高質量對于促進進一步實施至關重要。分析溯源信息需要診斷工具，因此在設計周期中應盡早進行此類一級診斷。

　　動力總成市場正在尋找減少車輛碳足跡的創(chuàng)新方法，包括縮小發(fā)動機尺寸、減少噴射損失和提高效率等流行方法。汽車制造商希望優(yōu)化傳動比和換檔，減少摩擦和液壓損失，并繼續(xù)推動混合動力和全電動汽車的發(fā)展。在所有這些領域中，汽車電子設備發(fā)揮著越來越重要的作用。

　　示例和應用

　　將這些想法付諸實踐的是許多設備，首先是STMicroelectronics SPC563M64L5COAR，它是其 SPC56x 系列微控制器的一部分，適用于 ECU 診斷應用。英飛凌 SAA-XC866-4FRA 5V BE也可用于各種動力系統(tǒng)應用（稍后將討論當用作控制燃油泵的電路的一部分時其降低燃油消耗的能力示例）。Atmel 的 AVR 低功耗 32 位微控制器，例如AT32UC3C0512C-ALUR，可以為汽車應用提供更高的電源效率。這些不僅限于在動力系統(tǒng)中使用，還可以用于汽車音響和車門控制模塊等應用。

　　然而，隨著汽車的互聯(lián)程度越來越高，汽車中的所有設備都必須協(xié)同工作。因此，重要的是它們可以與車輛網(wǎng)絡進行交互。飛思卡爾半導體提供MPC5566MVR132在其 MPC5xx 系列微控制器中，可與公司的 MFR4310 FlexRay 控制器配合使用。

　　ECU 診斷

　　STMicroelectronics SPC56x 系列微控制器可用于 ECU 診斷的多種不同工具，特別是 SPC563Mx 和 SPC564Ax 動力總成設備。了解閃存何時受到保護以及如何讀取存儲在 SPC56x 閃存中的可追溯性信息，將使汽車制造商能夠為其 ECU 定義和實施正確的策略。由于 IP 保護和引擎調整很重要，因此需要識別不需要訪問 Flash 密碼的配置。

　　當懷疑 ECU 行為不正確時，它需要運行 ECU 級診斷。該領域的 ECU 級診斷有兩個主要目標。一是收集ECU配置的溯源信息，二是運行ECU級別的自檢。ECU 級診斷的另一個困難是接觸 PCB，因為它通常隱藏在 ECU 外殼內(nèi)。因此，有幾種方法可用于帶外殼的 ECU 級診斷和不帶外殼的 PCB 級診斷。

　　ECU 級別的可追溯性涉及硬件和軟件配置信息。在硬件方面，有ECU關鍵部件的版本號和可追溯信息。軟件信息包括每個頂級軟件組件的修訂號。除此之外，有時還會收集硬件或軟件組件的日期代碼。

　　圖 1：SPC563M64 的頂層框圖。

　　每個 SPC56x 都將可追溯性信息存儲在閃存中的內(nèi)存位置，可供應用程序訪問，以便用戶軟件可用于讀取它們并通過選定的診斷通信接口（無論是 UART、LIN、CAN 還是 FlexRay）發(fā)送它們。要發(fā)送追溯信息，用戶可以采用由應用軟件進入的用戶定義診斷模式或使用串行啟動模式。這主要是由汽車制造商的密碼策略驅動的。

　　當 Flash 受到保護時，應用軟件可以隨時讀取溯源信息。然后，應用軟件可能具有特定的診斷模式，允許它通過預定義的通信接口（例如 CAN、LIN、K-Line 和 FlexRay）發(fā)送此信息。此操作不需要工程師知道 Flash 密碼即可在現(xiàn)場執(zhí)行這些操作。但是，使用串行啟動模式，工程師需要密碼。使用密碼的外部工具可以讀取設備內(nèi)部的追溯信息。也就是說，可以僅使用串行鏈路使用串行引導模式，在這種情況下不需要密碼。

　　為此，工程師需要首先在 RAM 中保留位置，最好是具有最高地址的位置。然后，應用軟件可用于在上電過程中系統(tǒng)地將 Flash 中的位置復制到 RAM 中的選定位置。ECU 應首先在應用模式下啟動，然后在不關閉電源的情況下應用復位，以確保 MCU 在串行啟動模式下啟動。然后，上傳到 RAM 中的軟件可用于使用選定的串行鏈接導出可追溯性信息。

　　ECU 級別的自檢可以從應用軟件或微控制器 RAM 運行。即使啟用高保護級別，SPC563Mx 和 SPC564Ax 也允許在 RAM 中上傳軟件，無需向用戶分發(fā)任何私人密碼即可運行。這使他們能夠執(zhí)行 MCU 特定、ASSP 和功率級自測。

　　當 SPC563Mx 或 SPC564Ax 進入串行引導模式且串行引導控制字不同于 0x55AA 時，器件的 Flash 被禁用，而 JTAG 端口被啟用。要讀取追溯信息，工程師必須首先在 RAM 中保留位置。如前所述，應用軟件可用于在上電過程中系統(tǒng)地將 Flash 中的位置復制到 RAM 中的選定位置。ECU 應首先在應用模式下啟動，然后在不關閉電源的情況下應用復位。然后，該工具可以與 JTAG 一起使用，以連接到器件、從 RAM 加載和執(zhí)行軟件。

　　ECU 的 PCB 應為 JTAG 連接做好準備。在大多數(shù)情況下，JTAG 測試焊盤可以靠近 MCU 放置以進行 PCB 測試。一個好的替代方案是提供 SMD JTAG 連接器，因為它可用于 ECU 測試和 PCB 級診斷。

　　協(xié)同工作

　　車輛中不同設備的一個重要方面是它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以及與車輛網(wǎng)絡協(xié)同工作。飛思卡爾半導體在其 16 位和 32 位 MPC5xx 系列微控制器中擁有 MPC5566MVR132-ND 和其他產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將與該公司的 MFR4310 FlexRay 控制器配合使用。兩者之間的硬件接口很簡單，但也需要軟件。通過應用這些技術，用戶可以快速設計出全功能的 FlexRay 節(jié)點。

　　MPC5xx 通過外部總線接口 （EBI） 與 MFR4310 連接。在 MPC5xx 上，EBI 提供單獨的地址、數(shù)據(jù)和控制信號。MFR4310 必須使用 MFR4310 MPC 模式連接到 MPC5xx。

　　圖 2：將 MFR4310 連接到 MPC5xx MCU。

　　操作控制器主機接口 （CHI） 所需的接口模式是 MPC 接口。MPC 模式有一個 CHI 和主機接口時鐘 – CHICLK_CC。這是可選擇的外部 CHI 時鐘輸入。選擇時，CHICLK_CC 的最小外部時鐘頻率為 20 MHz，最大值為 76 MHz。

　　在 MFR4310 上，D0 是數(shù)據(jù)總線的最低有效位 （LSB），A1 是地址總線的 LSB，但在 MPC5xx 上，ADDR0 是地址的最高有效位。因此，數(shù)據(jù)和地址引腳必須以相反的順序連接到 MFR4310，即 MFR4310 上的 D0 連接到 MPC5xx 上的 DATA15，MFR4310 上的 A1 連接到 MPC5xx 上的 ADDR30。MFR4310 具有 16 位數(shù)據(jù)總線，但可通過 BSEL0# 和 BSEL1# 信號訪問 8 位數(shù)據(jù)。MFR4310 必須針對 3.3 VI/O 進行配置（通過以 3.3 V 為 VDDR 供電）以允許正確連接到 MPC5xx，其 EBI 引腳也必須由 3.3 V 供電。

　　軟件設置主要涉及初始化 MPC5xx 以允許與 MFR4310 控制器主機接口成功通信。當兩個器件都初始化后，MPC5xx 可以讀取和寫入 MFR4310 寄存器。

　　必須初始化 MPC5xx 存儲器控制器以使 EBI 使用正確的芯片選擇和正確的等待狀態(tài)數(shù)，這取決于內(nèi)部總線頻率。在此序列之后，F(xiàn)lexRay 塊被配置為 FlexRay 節(jié)點并準備好集成到 FlexRay 集群中。初始化序列的第二步是配置 MPC5xx 上的片選。內(nèi)存控制器控制 MPC5xx 的片選生成。MPC5xx 上有四個片選，其中任何一個都可以作為 MFR4310 的片選。CS0# 是全局片選，主要用于從外部 Flash 存儲器啟動。如果用于此主要目的，則不能用于 MFR4310 通信，必須使用不同的片選。選項寄存器 OR［0：

　　MPC5xx 和 MFR4310 之間的成功讀/寫訪問需要多個等待狀態(tài)。該數(shù)字應在存儲器控制器選項寄存器的 SCY 位中設置。BSEL0# 和 BSEL1# 必須通過 MPC 接口分別連接到 WE/BE0# 和 WE/BE1#。這將允許 8 位和 16 位訪問。

　　這意味著 MFR4310 FlexRay 控制器可以成功連接到 MPC5xx 系列 MCU，并在 MPC5xx 選項寄存器中為適當?shù)男酒x擇設置正確數(shù)量的等待狀態(tài)。MPC5xx 通過外部總線直接連接到 MFR4310 控制器，不需要粘合邏輯。軟件配置也很簡單，外設被簡單地映射到全局地址空間。觀察到的結果驗證了主機微控制器和獨立 FlexRay 通信控制器之間成功通信所需的最佳時序參數(shù)。

　　其他微控制器

　　許多其他微控制器可用于此類汽車應用。例如，Atmel 的 AVR 低功耗 32 位微控制器（例如 AT32UC3C0512C-ALUR）由于具有更高的處理能力和精度，可以為汽車應用提供更高的電源效率。這些允許實現(xiàn)高級控制算法、語音控制和電容式觸摸感應等功能。UC3C 32 位微控制器還包括外設事件系統(tǒng)、精密時鐘和高性能外設。集成功能包括安全閃存、基于硬件的安全機制、直接與模擬傳感器接口的能力以及可配置的軟件框架。

　　圖 3：汽車音響應用中的 UC3C 32 位微控制器（頂部）和車門控制模塊（底部）。

　　許多汽車設計具有分散的功能架構；有一個單獨的 USB 芯片，一個用于 CAN，另一個用于圖形，每個支持的音頻解碼器一個，等等。具有外圍集成和擴展處理能力的微控制器（例如 UC3C）允許將整個系統(tǒng)架構整合到用于汽車音頻應用的單個芯片上。用于車門控制模塊時，可包含后視鏡定位功能、車窗升降器操作、帶調光功能的LED背光燈，以及用于控制車窗升降器和后視鏡定位的不同類型傳感器和開關的接口。 可以通過 LIN 或 CAN 接口實現(xiàn)與車輛網(wǎng)絡的互連。

　　集成浮點單元 （FPU） 簡化了應用程序開發(fā)。特別是復雜算法的實現(xiàn)需要更少的努力，更寬的動態(tài)范圍可以保持高精度。使用 32 位浮點指令實現(xiàn)復雜算法不僅可以提高系統(tǒng)精度和效率，還可以加快開發(fā)速度。許多應用程序都可以從使用 FPU 中受益，包括這些門控制和音頻應用程序。

　　燃油泵

　　英飛凌擁有一系列 8 位、16 位和 32 位汽車認證微控制器，其中包括 8 位 SAA-XC866-4FRA 5V BE。它使用 XC800 內(nèi)核并與標準 8051 處理器兼容。它使用每機器周期兩個時鐘的架構進行具有等待狀態(tài)的內(nèi)存訪問。片上存儲器包括 8 KB 引導 ROM、256 字節(jié) RAM、512 字節(jié) XRAM、4、8 或 16 KB 閃存或 8 或 16 KB ROM 以及額外的 4 KB 閃存。

　　這些器件的高溫（高達 +140?C）運行使其非常適合汽車應用，例如發(fā)動機關閉冷卻風扇、節(jié)氣門控制、渦輪增壓器、水泵、油泵和照明。

　　圖 4：燃油泵應用中的英飛凌 XC8xx 8 位微控制器。

　　圖 4 顯示了燃油泵應用中的這種微控制器。該電路還使用了Novalithic 大電流 PN 半橋系列的 BTN89xx 和 TLEA46xx 低壓差固定電壓穩(wěn)壓器。該電路可以通過使用 XC8xx 系列中的不同產(chǎn)品來滿足性能和預算需求。該電路的好處包括燃料節(jié)省超過 1%，例如，從 160 g 到 158.4 g CO 2 /km。碳氫化合物的排放也減少了，使用壽命也增加了。該公司還報告燃油效率提高了約 0.34 mpg。

　　結論

　　汽車應用中的微控制器市場正在迅速增長。每一代車輛都更多地依賴電子設備和隨附的軟件。例如，最初的 Apollo 制導計算機只有 2000 行代碼，而普通汽車的代碼行數(shù)為 1000 萬行，預計未來十年這一數(shù)字還會再增加一個數(shù)量級。除了降低油耗外，這些微控制器還使汽車更加舒適，提高了安全性，并有助于娛樂和通知駕駛員和乘客。上述應用只是微控制器在現(xiàn)代車輛中提供本地智能和控制方式的一小部分示例。