汽車電子CAN FD控制芯片MCU接口電路設(shè)計(jì)

CAN總線技術(shù)不僅涉及汽車電子和軌道交通，還涉及醫(yī)療器械、工業(yè)控制、智能家居和機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)互連，這些行業(yè)對(duì)CAN產(chǎn)品的穩(wěn)定性和抗干擾能力都有很高的要求。

上篇我們講了在汽車CAN FD上，數(shù)據(jù)出錯(cuò)可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)位被錯(cuò)誤地解析為填充位，或者填充位被錯(cuò)誤地解析為數(shù)據(jù)位，使數(shù)據(jù)位和填充位的個(gè)數(shù)發(fā)生變化，CAN FD采用了差分信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)，通信的可靠性很高，錯(cuò)誤位個(gè)數(shù)達(dá)到8的概率幾乎為0。

那么秉承著與其后期解決不如前期規(guī)避的設(shè)計(jì)思路，就能設(shè)計(jì)出滿足行業(yè)應(yīng)用，規(guī)避奇葩問題的干擾，設(shè)計(jì)出符合汽車、交通運(yùn)輸、醫(yī)療器械、工業(yè)控制、智能家居和機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)互連的高可靠性CAN產(chǎn)品。

拿車身域控制芯片來舉例，車身域主要負(fù)責(zé)車身各種功能的控制。隨著整車發(fā)展，車身域控制器也越來越多，為了降低控制器成本，降低整車重量，集成化需要把所有的功能器件，從車頭的部分、車中間的部分和車尾部的部分如后剎車燈、后位置燈、尾門鎖，甚至雙撐桿統(tǒng)一集成到一個(gè)總的控制器里面來。

車身域控制器一般集成BCM、PEPS、TPMS、Gateway等功能，也可拓展增加座椅調(diào)節(jié)、后視鏡控制、空調(diào)控制等功能，綜合統(tǒng)一管理各執(zhí)行器，合理有效地分配系統(tǒng)資源。車身域控制器的功能眾多，包括實(shí)現(xiàn)燈光控制、雨刮控制、門窗控制、后視鏡折疊控制、PEPS、座椅控制等，其中燈光控制部分就包括了近光燈、遠(yuǎn)光燈、位置燈、轉(zhuǎn)向燈、剎車燈、日行燈，雨刮部分包括了低速雨刮、高速雨刮、間隔控制和點(diǎn)刮，門窗控制部分包括了四門閉鎖、碰撞解鎖、自動(dòng)落鎖、車窗升降及百分比、車窗防夾及一鍵升窗，后視鏡包括了折展、調(diào)節(jié)及加熱，PEPS包括了無鑰匙啟動(dòng)、無鑰匙進(jìn)入、迎賓功能、發(fā)動(dòng)機(jī)防盜、整車電源控制與管理，座椅包括控制調(diào)節(jié)與通風(fēng)、加熱，其他還包括OTA及遠(yuǎn)程診斷、升級(jí)、刷寫等等，但包含了不限于在此列舉的功能。搭載汽車也包括了奔馳、寶馬、奧迪、保時(shí)捷、特斯拉、比亞迪、理想汽車、大眾、豐田、本田、坦克、福特等多個(gè)全球排名優(yōu)秀的車企。

速銳得在14年從OBD進(jìn)入汽車CAN總線領(lǐng)域，就對(duì)MCU控制芯片的主要訴求為更好的穩(wěn)定性、可靠性、安全性、實(shí)時(shí)性等技術(shù)特性要求，以及更高的計(jì)算性能和存儲(chǔ)容量，更低的功耗指標(biāo)要求。以前采用Microchip、ST為主控，芯片荒后采用了國(guó)產(chǎn)替代，但是在CAN FD領(lǐng)域，依舊采用了進(jìn)口芯片。車身域控制器從分散化的功能部署，逐漸過渡到集成所有車身電子的基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)、鑰匙功能、車燈、車門、車窗等的大控制器，車身域控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合了燈光、雨刮洗滌、中控門鎖、車窗等控制，PEPS智能鑰匙、電源管理等，以及網(wǎng)關(guān)CAN、可擴(kuò)展CAN FD和FLEXRAY、LIN網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)等接口和模塊等多方面的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)。

綜合來講，車身域上述各種控制功能對(duì)MCU主控芯片的工作要求主要體現(xiàn)在運(yùn)算處理性能、功能集成度和通信接口，以及可靠性等方面。具體要求方面由于車身域不同功能應(yīng)用場(chǎng)景的功能差異性較大，例如電動(dòng)車窗、自動(dòng)座椅、電動(dòng)尾門等車身應(yīng)用還存在高效電機(jī)控制方面的需求，這類車身應(yīng)用要求MCU集成有FOC電控算法等功能。此外，車身域不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)芯片的接口配置需求也不盡相同，因此，通常需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景的功能和性能要求，并在此基礎(chǔ)上綜合衡量產(chǎn)品性價(jià)比、供貨能力與技術(shù)服務(wù)等因素進(jìn)行車身域MCU選型。

車身域電子系統(tǒng)不論是對(duì)國(guó)外企業(yè)還是國(guó)內(nèi)企業(yè)都處于成長(zhǎng)初期。國(guó)外企業(yè)在如BCM、PEPS、門窗、座椅控制器等單功能產(chǎn)品上有深厚的技術(shù)積累，同時(shí)各大外企的產(chǎn)品線覆蓋面較廣，為他們做系統(tǒng)集成產(chǎn)品奠定了基礎(chǔ)。而國(guó)內(nèi)企業(yè)新能源車車身應(yīng)用上具有一定優(yōu)勢(shì)。以BYD為例，在BYD的新能源車上，將車身域分為左右后三個(gè)域，重新布局和定義系統(tǒng)集成的產(chǎn)品。但是在車身域控制芯片方面，MCU的主要供貨商為仍然為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、ST等國(guó)際芯片廠商，***廠商目前市場(chǎng)占有率低。

從通信角度來看，存在傳統(tǒng)CAN架構(gòu)到CAN與CAN FD合并，走向CAN FD的演變過程。這里面通信速度的變化，還有帶高功能安全的基礎(chǔ)算力的價(jià)格降低是關(guān)鍵，未來有可能逐步實(shí)現(xiàn)在基礎(chǔ)控制器的電子層面兼容不同的功能。例如車身域控制器能夠集成傳統(tǒng)BCM、PEPS、紋波防夾等功能。相對(duì)來說，車身域控制芯片的技術(shù)壁壘要低于動(dòng)力域、智能駕艙域等，***有望率先在車身域取得較大突破并逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，近年來，國(guó)產(chǎn)MCU在車身域前后裝市場(chǎng)已經(jīng)有了非常好的發(fā)展勢(shì)頭。

目前國(guó)產(chǎn)車載控制域芯片主要應(yīng)用于汽車前裝市場(chǎng)，在車身域、信息娛樂域?qū)崿F(xiàn)了上車應(yīng)用，而在底盤、動(dòng)力域等領(lǐng)域，仍以海外意法半導(dǎo)體、恩智浦、德州儀器、微芯半導(dǎo)體、意法等芯片巨頭為主，國(guó)內(nèi)僅有少數(shù)幾家企業(yè)已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)芯片廠商芯馳在2022年4月發(fā)布高性能控制芯片E3系列產(chǎn)品基于ARM Cortex-R5F，功能安全等級(jí)達(dá)到ASIL D，溫度等級(jí)支持AEC-Q100 Grade 1，CPU主頻高達(dá)800MHz，具有高達(dá)6個(gè)CPU內(nèi)核，是現(xiàn)有量產(chǎn)車規(guī)MCU中性能最高的產(chǎn)品，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)高端高安全級(jí)別車規(guī)MCU市場(chǎng)的空白。芯馳E3憑借高性能和高可靠性，可以用于BMS、ADAS、VCU、線控底盤、儀表、HUD、智能后視鏡等核心車控領(lǐng)域。

當(dāng)然，如果只是簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)CAN數(shù)據(jù)收發(fā)和簡(jiǎn)單控制，其實(shí)采用意法半導(dǎo)體的基本也就夠了，不管是CANFD還是標(biāo)準(zhǔn)CAN2.0，海外意法半導(dǎo)體都能滿足這些需求。CAN設(shè)備的典型硬件電路通常由三個(gè)部分組成，CAN控制器電路、CAN收發(fā)器電路及功能電路。在實(shí)際開發(fā)應(yīng)用中，CAN控制器電路可以選擇兩種方案，一是微控制器MCU外掛獨(dú)立CAN收發(fā)器，二是集成CAN控制器的MCU，設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，建議采用方案二，理由是內(nèi)置CAN控制器的MCU具有更快處理報(bào)文機(jī)制和更大的報(bào)文緩沖區(qū)，方案一常用于MCU不帶CAN控制器或者CAN控制器數(shù)量不夠的場(chǎng)合，設(shè)計(jì)時(shí)若外掛多個(gè)CAN控制器應(yīng)注意MCU的中斷響應(yīng)及數(shù)據(jù)處理能力。10年前，很多設(shè)備跑串口數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)輸出太快都跑死機(jī)的都有，現(xiàn)在倒是不會(huì)了。

無論采用標(biāo)準(zhǔn)CAN還是CANFD，CAN控制器都是電路的核心元件，集成了CANBUS規(guī)范中數(shù)據(jù)鏈路的全部功能，能夠?qū)XRX引腳上的電平自動(dòng)完成CANBUS協(xié)議解析。在CAN設(shè)備中，MCU主要用于操作CAN控制器和驅(qū)動(dòng)實(shí)際功能電路，例如，MCU在設(shè)備啟動(dòng)時(shí)初始化CAN控制器的工作參數(shù)，比如波特率、驗(yàn)收濾波，在CAN控制器發(fā)生中斷時(shí)處理CAN控制器的異常中斷；在總線通信過程中通過CAN控制器讀取和發(fā)送CAN幀，在破解汽車CAN協(xié)議中，采集原車CAN數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)輸出對(duì)應(yīng)的CANID及字節(jié)控制信號(hào)以及驅(qū)動(dòng)功能電路完成預(yù)定的功能。

CAN收發(fā)器電路決定了整個(gè)CAN設(shè)備通信電氣上的可靠性和穩(wěn)定性，采用體積小、隔離能力強(qiáng)、使用方便等優(yōu)勢(shì)就可以了。

功能電路是CAN設(shè)備實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用功能，例如I/O電路、采集電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等等。

編輯：黃飛

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