連接車載應(yīng)用與系統(tǒng)，深度解析汽車接口技術(shù) - 全文

　　作者：

　　James Goings，射頻與汽車應(yīng)用經(jīng)理

　　Timothy Grai，射頻與汽車應(yīng)用經(jīng)理

　　Juergen Strohal，射頻與汽車應(yīng)用經(jīng)理

　　摘要

　　汽車制造商一直熱衷于利用信息娛樂、舒適控制等電子系統(tǒng)為他們的高端品牌增添價(jià)值。那些曾專屬于高端車型的功能配置現(xiàn)在正成為暢銷量產(chǎn)車型的標(biāo)配。汽車電子系統(tǒng)現(xiàn)已被視為一項(xiàng)重要的差異競(jìng)爭(zhēng)力。因此，微控制器正成為汽車中無處不在的器件。目前，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的一大挑戰(zhàn)是如何確保汽車中各個(gè)應(yīng)用和系統(tǒng)之間的通信。其中的關(guān)鍵就是接口。

　　本文重點(diǎn)闡述三個(gè)領(lǐng)域的汽車電子應(yīng)用，并探討所需連接及其實(shí)現(xiàn)方式，以及工程師可能遇到的與應(yīng)用有關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　前言

　　在汽車中使用各種電子系統(tǒng)的趨勢(shì)日漸增強(qiáng)。在所有汽車類別和車型中，這些系統(tǒng)已變得無處不在。電子系統(tǒng)已不再為高端車型所專有，使用電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車的每一項(xiàng)功能和特性已被視為促使某個(gè)品牌脫穎而出的一種方式。據(jù)《2013年汽車電氣與電子系統(tǒng)報(bào)告》估算，電子系統(tǒng)的成本占傳統(tǒng)車型總成本的40%，占電動(dòng)及混合車型總成本的75%。

　　芯片公司集成眾多復(fù)雜功能的能力是促進(jìn)這種增長(zhǎng)的主要?jiǎng)恿χ?。?shí)現(xiàn)控制、信息娛樂和其它應(yīng)用的所需集成度意味著，傳統(tǒng)線束的某些部分已被各種用于整合目的的網(wǎng)絡(luò)總線替代。

　　連接各種汽車應(yīng)用的常用方法

　　兩種常見的汽車應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）和LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）。為了最大程度減少布線，這兩種協(xié)議均采用串行通信方式。任何一輛現(xiàn)代汽車中都能找到采用這兩種標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)特定的應(yīng)用領(lǐng)域。CAN網(wǎng)絡(luò)擁有一個(gè)多主節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，被用于連接多個(gè)電子控制單元（ECU）。與此相反，LIN總線支持一個(gè)單主節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，通常被用于將一個(gè)主用ECU與一個(gè)或多個(gè)智能程度較低的專用從節(jié)點(diǎn)互連在一起。

　　CAN總線的一種常見實(shí)現(xiàn)方式是采用非歸零（NRZ）編碼的平衡差分2線接口。其典型數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)1 Mb/s。它采用一種異步方法向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)廣播報(bào)文。只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報(bào)文。它采用一種無需重試的沖突仲裁及解決方法，可確保優(yōu)先級(jí)最高的報(bào)文被發(fā)送出去。CAN標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）定義了四種不同的報(bào)文類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求幀、錯(cuò)誤幀和過載幀。

　　CAN提供了一種可互連多個(gè)控制器的快速、靈活、全面的方法，能夠讓各類應(yīng)用共享傳感器輸入和其它數(shù)據(jù)。盡管如此，對(duì)于車窗控制等較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用而言，汽車制造商認(rèn)為其較高的速度和多功能性是沒有必要的，而且其實(shí)現(xiàn)成本也過于高昂。LIN協(xié)會(huì)于1999年由多家領(lǐng)先的汽車制造商創(chuàng)建。LIN提供一條單線總線，該總線遵從ISO9141規(guī)范的一個(gè)增強(qiáng)版本，后者自上世紀(jì)八十年代起一直被用于實(shí)現(xiàn)車載診斷功能。一條LIN總線上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，但可以有一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。典型數(shù)據(jù)速率為20 kb/s或更低，這也有助于將電磁干擾降至最低。低成本的LIN系統(tǒng)通常被用于汽車的舒適、傳感器和致動(dòng)器應(yīng)用。

　　圖1顯示了各種汽車網(wǎng)絡(luò)總線類型以及它們的典型數(shù)據(jù)速率和相對(duì)的每節(jié)點(diǎn)成本。

　　圖1 – 各種汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每節(jié)點(diǎn)成本對(duì)比

　　為了滿足汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的需求，Atmel可為他們提供一整套支持CAN和LIN應(yīng)用的器件。Atmel的LIN產(chǎn)品組合包括獨(dú)立收發(fā)器、集成了一個(gè)收發(fā)器、一個(gè)穩(wěn)壓器和其它功能的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）以及基于Atmel AVR微控制器的系統(tǒng)級(jí)封裝與專用（ASSP）器件。Atmel的器件采用BiPolar CMOS、CMOS和DMOS（BCD on SOI技術(shù)）。它們結(jié)合高壓能力和絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫運(yùn)行、極低的泄露電流和抗閂鎖能力。

　　圖2 – 汽車LIN應(yīng)用舉例

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！
　　

　　高壓

　　圖2列出了采用LIN連接的一些應(yīng)用實(shí)例。這些應(yīng)用通常需要能夠直接使用汽車電瓶電壓高效地控制各種12V機(jī)械致動(dòng)器的高壓器件。應(yīng)用實(shí)例包括：車窗升降、車座位置調(diào)整、雨刮器和渦輪增壓器襟翼控制。芯片上通常內(nèi)置驅(qū)動(dòng)器，可提供高達(dá)1安培的電流。此外，還需要使用外置MOSFET。由于微控制器不能直接驅(qū)動(dòng)外置MOSFET，因此必須使用內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器，常見的例子是H橋和B6柵極驅(qū)動(dòng)器。用于控制這些應(yīng)用的任何微控制器均需使用一個(gè)低于汽車電瓶電壓的工作電壓，因此，通常需要使用一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器為MCU提供穩(wěn)定電壓。

　　一個(gè)8位Atmel微控制器通常在一個(gè)由10－16個(gè)LIN從節(jié)點(diǎn)組成的小集群中工作，我們可以將其用于這些應(yīng)用，同時(shí)確保所要求的響應(yīng)時(shí)間。

　　抗擾能力有可能對(duì)LIN應(yīng)用構(gòu)成一大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)長(zhǎng)IN總線可能長(zhǎng)達(dá)幾米，暴露于電子噪聲環(huán)境。Atmel的器件具備異?？煽康腅MC/EMI（電磁兼容/電磁干擾）特性以及6 kV的ESD（靜電放電）抗擾度。汽車制造商規(guī)定必須遵從一些通用標(biāo)準(zhǔn)，而Atmel的器件通過了這些標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。Atmel在其故障安全型LIN器件中采用一種非常可靠的SOI技術(shù)。Atmel的某些LIN器件在硬件中實(shí)現(xiàn)了LIN協(xié)議軟件棧的最底層。這不僅有助于大幅減少那些成本敏感型應(yīng)用的物料清單（BoM），而且還能為應(yīng)用釋放大量閃存空間。除此之外，Atmel還與一些領(lǐng)先的行業(yè)合作伙伴開展合作，以確保提供完整的生產(chǎn)級(jí)質(zhì)量的LIN協(xié)議軟件棧。

　　圖3 – 小型直流電動(dòng)機(jī)的H橋控制

　　Atmel最新推出的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片ATA664151便于設(shè)計(jì)人員為L(zhǎng)IN總線系統(tǒng)開發(fā)價(jià)格低廉而強(qiáng)大的主從節(jié)點(diǎn)。它內(nèi)置一個(gè)8信道高壓接口、一個(gè)遵從LIN 2.2a和SAEJ2602-2的LIN收發(fā)器、一個(gè)可調(diào)Window Watchdog和一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器，可提供5V輸出電壓和高達(dá)80mA的電流。Atmel ATA664151專為L(zhǎng)IN開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并將幾乎整個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)集成到一個(gè)封裝中。 ATA664151的強(qiáng)大功能集使其對(duì)于LED控制、繼電器控制、外置晶體管控制等其它眾多應(yīng)用也頗具價(jià)值。設(shè)計(jì)人員可以方便靈活地配置ATA664151的高壓端口，使其完美匹配所需應(yīng)用。此外，ATA664151還具備各種可提高系統(tǒng)魯棒性和可靠性的功能，如過壓和欠壓檢測(cè)、過熱檢測(cè)、高壓端口和電源電壓測(cè)量等。

　　圖3顯示了一個(gè)采用ATA664151的電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用示例。該設(shè)計(jì)在車窗升降應(yīng)用中可能較為常見，其中繼電器用于為一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)提供雙向驅(qū)動(dòng)電流。該設(shè)計(jì)利用ATA664151的并行輸出能力提高繼電器的電流驅(qū)動(dòng)能力。如該例所示，僅僅使用ATA664151、一個(gè)Atmel主控MCU和幾個(gè)無源組件，我們就能設(shè)計(jì)出一個(gè)通過LIN連接的ECU。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，我們也可以將ATA664151和一個(gè)Atmel ATtiny167 MCU集成到一個(gè)封裝中。

　　汽車門禁

　　另一個(gè)增長(zhǎng)迅猛并被消費(fèi)者廣泛接受的汽車電子領(lǐng)域就是汽車門禁系統(tǒng)。無線接口是實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的技術(shù)：1）300-900MHz范圍內(nèi)的射頻（RF）和2）100-150KHz范圍內(nèi)的低頻（LF）。每個(gè)接口都具有獨(dú)特、非常適合這些應(yīng)用的屬性和特點(diǎn)。RF通信接口通常傳輸距離較遠(yuǎn)（30-300米），而且允許使用多種降噪技術(shù)來確?？煽康臄?shù)據(jù)交換。LF通信接口的傳輸距離通常要小很多（對(duì)于接收應(yīng)用，小于10米；對(duì)于收發(fā)應(yīng)用，小于《 0.05米），能夠從低頻電磁場(chǎng)采集能量，并可使用遠(yuǎn)低于RF所要求的電流進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。

　　Atmel從一開始就一直在為RKE系統(tǒng)提供RF發(fā)射器和接收器。隨著OEM廠商要求增加傳輸距離、提高可靠性和降低功耗的呼聲日益增高，Atmel繼續(xù)致力于提供能力更強(qiáng)的新型發(fā)射器、接收器和收發(fā)器。目前包括集成高效的微控制器技術(shù)，為門禁應(yīng)用打造超低功耗的單芯片解決方案，其中包括高效、超低電流的微控制器技術(shù)。RKE車鑰匙發(fā)射器的一個(gè)例子是ATA557x系列。如圖4所示，它集成了一個(gè)Atmel微控制器、4K用戶內(nèi)存和一個(gè)固定N型PLL RF發(fā)射器。

　　圖4 – 用于實(shí)現(xiàn)RKE功能的ATA577x車鑰匙原理圖

　　當(dāng)今的汽車門禁系統(tǒng)還能提供發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止（IMMO）和無源開鎖/無源啟動(dòng)（PEPS）功能。RKE完全依賴于射頻（RF）實(shí)現(xiàn)無線操作，而IMMO和PEPS則使用低頻（LF）。配備IMMO功能的車鑰匙必須能夠在不使用電池的情況下“收聽”和“回應(yīng)”汽車發(fā)起的查詢。這要求鑰匙中的控制電子元件能夠利用從汽車產(chǎn)生的LF電磁場(chǎng)采集的微乎其微的電能來運(yùn)行。為了讓汽車能夠?qū)﹁€匙進(jìn)行身份驗(yàn)證，需要使用安全性極高的高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。

　　圖5顯示了Atmel的另一個(gè)高集成度器件。如圖所示，只需很少的外部元件就能實(shí)現(xiàn)具備RKE和IMMO功能的車鑰匙。ATA5795包含一個(gè)微控制器、安全的EEPROM、轉(zhuǎn)發(fā)器和一個(gè)可對(duì)輸出功率、頻率和調(diào)制參數(shù)進(jìn)行編程的RF發(fā)射器。注：即使紐扣電池耗盡電量，IMMO也完全能夠正常工作。

　　圖5 – 用于實(shí)現(xiàn)RKE和IMMO功能的ATA5795車鑰匙原理圖

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處！

　　PEPS最近越來越受歡迎，這不僅因?yàn)樗邆浔憷裕ㄓ脩粼僖膊恍枰诙道锩麒€匙，然后按開門鍵解鎖車門），而且因?yàn)橄M(fèi)者越來越能夠接受從“擰鑰匙啟動(dòng)車輛”到“一鍵啟動(dòng)車輛”的范式轉(zhuǎn)變。PEPS系統(tǒng)結(jié)合使用了LF和RF無線技術(shù)。人們對(duì)于PEPS系統(tǒng)尤其感興趣的是，要求其能夠測(cè)量車鑰匙相對(duì)于汽車的位置。一旦獲得該信息，汽車就能解鎖車門（車鑰匙位于車外），防止意外鎖車（車鑰匙位于車內(nèi)），或允許用戶啟動(dòng)車輛（車鑰匙位于車內(nèi)）。

　　在認(rèn)識(shí)到消費(fèi)者對(duì)系統(tǒng)解決方案－而不僅僅是對(duì)“芯片”－感興趣之后，Atmel幾年前開始著手開發(fā)可在其上開發(fā)RKE、IMMO和PEPS系統(tǒng)的無線通信協(xié)議棧，并免費(fèi)向客戶提供這些協(xié)議棧。所有協(xié)議棧均向客戶免費(fèi)開放和提供，允許客戶在他們的系統(tǒng)中使用和/或修改它們。這一舉措促進(jìn)了競(jìng)爭(zhēng)和互操作性，讓市場(chǎng)各方力量能夠?yàn)橄M(fèi)者降低系統(tǒng)成本。此外，它還將這些協(xié)議棧公之于眾，供專家進(jìn)行同行評(píng)審，以便改進(jìn)協(xié)議抵御外部攻擊的能力。所有協(xié)議棧均采用128位AES加密算法進(jìn)行安全快速的身份驗(yàn)證，而且每一個(gè)協(xié)議棧均具備獨(dú)特的可配置性，可提高設(shè)計(jì)靈活性。

　　為了協(xié)助工程師開發(fā)汽車門禁設(shè)計(jì)，Atmel還提供ATAK51003評(píng)估工具包，它是一個(gè)完整的系統(tǒng)參考設(shè)計(jì)，可為遙控?zé)o鑰匙門禁（RKE）、無源開鎖/無源啟動(dòng)（PEPS）和發(fā)動(dòng)機(jī)防盜鎖止（IMMO）應(yīng)用提供最新的器件和開源無線協(xié)議。

　　人機(jī)接口/信息娛樂/觸控

　　近年來經(jīng)歷了重大創(chuàng)新的一個(gè)汽車電子領(lǐng)域就是觸控感測(cè)技術(shù)，它極大改變了用戶與各種車輛控制功能之間的交互方式。無論它們通過什么方式實(shí)現(xiàn)－按鍵、輪子、滑塊、觸摸板或觸摸屏，觸控感測(cè)控制技術(shù)正逐漸滲透到眾多應(yīng)用之中。這些應(yīng)用最初被用于導(dǎo)航和信息娛樂，目前則包括車內(nèi)氣候控制以及中控面板上的其它控制功能。這些功能可替代傳統(tǒng)開關(guān)，或借助按壓機(jī)械按鍵之前的觸控預(yù)感測(cè)功能改進(jìn)這些開關(guān)。

　　近距感測(cè)功能用于在用戶手指靠近模塊時(shí)喚醒它。例如，位于車門把手中的近距傳感器現(xiàn)在可用于喚醒和啟動(dòng)用于驗(yàn)證用戶車鑰匙的無源開鎖系統(tǒng)。

　　圖6 – 汽車觸控應(yīng)用舉例

　　Atmel提供一系列通過汽車認(rèn)證、性能卓越、響應(yīng)迅速、定位精準(zhǔn)、甚至支持戴手套操作的觸摸屏控制器。maXTouch系列觸摸屏控制器最大支持16點(diǎn)觸控和14英寸及以上的觸摸屏，并可在−40至+105°C的溫度范圍內(nèi)工作。

　　對(duì)于大多數(shù)基于觸摸屏或觸摸板的應(yīng)用而言，抗擾能力是一個(gè)主要問題。這個(gè)問題可以通過觸摸屏控制器中的多種濾波算法加以解決，它們可以確保觸摸屏即使在噪聲很大的環(huán)境中依然能夠平穩(wěn)運(yùn)行。將某個(gè)觸摸屏應(yīng)用連接至一個(gè)ECU時(shí)，需要使用CAN總線，因?yàn)閷?duì)于此類應(yīng)用而言，LIN的傳輸速率太低。只要它們位于同一輛汽車上，觸控感測(cè)控制器通常通過I2C或SPI與主控MCU/MPU通信。

　　Atmel有一個(gè)名為AvantCar™（見圖7）的技術(shù)展示概念，它是一個(gè)全功能的汽車中控臺(tái)。該中控臺(tái)配有兩個(gè)大型弧形觸摸屏顯示器，但沒有配備機(jī)械按鍵。它采用了XSense®觸摸傳感器、maXTouch®控制器、QTouch®技術(shù)、通過汽車認(rèn)證的MCU以及用于控制環(huán)境照明的LIN驅(qū)動(dòng)器。

　　圖7 – Atmel的AvantCar中控臺(tái)概念

　　結(jié)束語(yǔ)

　　從今以后，汽車OEM廠商將尋求集成更多的控制功能。一輛現(xiàn)代汽車可能配有多達(dá)50個(gè)或更多的ECU、多條CAN總線和更多的LIN總線。整合多種ECU功能將給可用的總線帶寬帶來更大壓力，并有可能加快CAN-FD、FlexRay、Ethernet等其它總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。FlexRay擁有一個(gè)差分總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，速率高達(dá)10 Mb/s。汽車Ethernet提供100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。CAN總線的衍生品包括CAN-FD和CAN-PN，它們也在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域找到了立足之地。作為我司基因的一部分，我們將繼續(xù)運(yùn)用我們的技術(shù)和專業(yè)知識(shí)，推動(dòng)這些應(yīng)用領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。

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