汽車級(jí)MCU-F5xx系列產(chǎn)品及其應(yīng)用

汽車級(jí)MCU市場(chǎng)總覽

從2007年到2011年，消費(fèi)者對(duì)汽車電子市場(chǎng)產(chǎn)品(包括 MCU、傳感器及車身集成電路)的需求量不斷上漲(圖1)，其中MCU所占的市場(chǎng)份額最大。但在巨大的市場(chǎng)機(jī)遇面前，汽車電子廠商也面臨著挑戰(zhàn)。隨著消費(fèi)者對(duì)于汽車舒適性、安全性、駕駛性要求的不斷提高，汽車廠商在汽車電子產(chǎn)品性能改善、功能增加和整體成本降低等方面提出了更高的要求，使得IC供應(yīng)廠商必須提高系統(tǒng)的集成度，以便減少整個(gè)系統(tǒng)的成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。

MCU在汽車電子方面的主要應(yīng)用涵蓋五大領(lǐng)域，分別是：1、汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制，主要應(yīng)用為發(fā)動(dòng)機(jī)控制、方向轉(zhuǎn)向以及動(dòng)力轉(zhuǎn)向;2、汽車控制系統(tǒng)，即車身的控制，主要包括防盜控制、開關(guān)控制、電動(dòng)車窗控制、車門控制、車燈控制等;3、安全控制系統(tǒng)，包括安全氣囊、ABS、SAFF等;4、行駛系統(tǒng)控制，包括儀表盤、空調(diào)、底盤控制等;5、汽車信息系統(tǒng)，包括娛樂、服務(wù)、移動(dòng)通信、信息處理和GPS導(dǎo)航等。除了汽車動(dòng)力系統(tǒng)控制和汽車信息系統(tǒng)控制這兩項(xiàng)應(yīng)用需要高性能的32位MCU外，其余三項(xiàng)都可以采用汽車級(jí)MCU。

圖1 MCU、傳感器和車身集成電路的市場(chǎng)需求

Silicon Labs公司的汽車級(jí)MCU C8051F5XX系列產(chǎn)品是能夠?yàn)檐嚿黼娮雍忘c(diǎn)控裝置提供高集成度、使用簡(jiǎn)單并具有高效費(fèi)比的混合信號(hào)MCU系統(tǒng)。它主要應(yīng)用于自動(dòng)車窗、車門、自動(dòng)座椅、反光鏡、電動(dòng)機(jī)、制動(dòng)器等控制系統(tǒng)中。C8051F50X系列產(chǎn)品提供了小體積的CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)解決方案，在5mm×5mm的封裝內(nèi)集成了64K Flash、CAN 2.0B 和 LIN 2.0。同時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)部集成了誤差只有±0.5%的高精度振蕩器，不需要外部的晶體或振蕩器就可以實(shí)現(xiàn)CPU的運(yùn)行。C8051F5XX系列產(chǎn)品擁有較寬的工作溫度范圍(-40℃到+125℃ )，超過(guò)了汽車電子對(duì)于IC的運(yùn)行環(huán)境溫度的要求(-40℃到+120℃)，可提供1.8至5.25V的寬電壓范圍，為客戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面提供了很大的選擇余地。

圖2為F500的結(jié)構(gòu)框圖，從圖中可以看到，在5mm×5mm的封裝里面，集成了較為完整的數(shù)字和模擬外設(shè)。在數(shù)字外設(shè)方面，包括64K Flash、PWM產(chǎn)生器、定時(shí)器、I2C、SPI接口以及CAN 2.0B和LIN 2.0的控制器等。模擬外設(shè)包括12位的ADC、誤差為±0.5%的高精度內(nèi)部振蕩器、溫度傳感器和比較器等，同時(shí)，既可以使用內(nèi)部參考電壓，也可以使用外部參考電壓。

圖2 F500的結(jié)構(gòu)框圖

LIN在汽車電子中的應(yīng)用

在現(xiàn)代汽車電子中，LIN和CAN總線缺一不可。LIN總線又稱本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(Local Interconnect Network)，是一種異步、單線串行通信總線，也是汽車電子網(wǎng)絡(luò)中常用的一種低成本解決方案。LIN總線包括一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)(圖3)，通過(guò)一根線來(lái)進(jìn)行通信，結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單。

圖3 LIN總線結(jié)構(gòu)示意圖

LIN總線在汽車中的應(yīng)用主要有四個(gè)方面：車門/車窗/車頂?shù)目刂?、轉(zhuǎn)向裝置控制、座椅控制和汽車環(huán)境控制。

LIN 總線的特點(diǎn)是：?jiǎn)沃鲝慕Y(jié)構(gòu)，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都包含一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn)，由主節(jié)點(diǎn)來(lái)控制總線的訪問(wèn);基于常用的USART/SCI接口硬件;從屬控制器節(jié)點(diǎn)無(wú)需石英或者陶瓷振蕩器就可以實(shí)現(xiàn)自同步，因而減少了從節(jié)點(diǎn)的硬件成本;信號(hào)傳輸延時(shí)得到保證，確保了在最差狀況下信號(hào)傳輸?shù)牡却龝r(shí)間以避免總線訪問(wèn)沖突;低成本的單線12V數(shù)據(jù)傳輸，線的驅(qū)動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的ISO9141單線要求;傳輸速度可以達(dá)到20 kbps。

Silicon Labs公司C8051F50x/51x的LIN總線硬件接口與LIN2.0協(xié)議兼容，其高精度的內(nèi)部振蕩器使主控制器和從控制器不需要外接晶體就可以工作。在從模式下可以自動(dòng)檢測(cè)波特率，硬件結(jié)構(gòu)帶中斷的錯(cuò)誤檢測(cè)功能和休眠功能，可以實(shí)現(xiàn)低功耗。

CAN在汽車電子中的應(yīng)用

CAN (控制器局域網(wǎng)) 是一種異步、差分串行總線通信標(biāo)準(zhǔn)，通常用于連接電子控制單元(ECU)。在現(xiàn)代汽車電子中，由于LIN比CAN的成本低，因此CAN通常用來(lái)連接ECU 和汽車電子中各個(gè)功能模塊之間的通信，而LIN主要用于功能模塊和其下各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的通信，從而降低成本。CAN的原始協(xié)議是由羅伯特-博世有限公司創(chuàng)立的，之后被汽車工程師學(xué)會(huì)采納為通用標(biāo)準(zhǔn)。

CAN在汽車電子中應(yīng)用非常廣泛，它不但可以應(yīng)用于LIN應(yīng)用的一些領(lǐng)域，如車門/車窗/車頂?shù)目刂?、方向控制、座椅控制、環(huán)境控制等，還可以應(yīng)用于更多的零界系統(tǒng)中，如傳動(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置控制、燃油噴射系統(tǒng)等。

圖4 CAN總線的結(jié)構(gòu)示意圖

CAN總線具有以下特性：

靈活性——在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都能夠接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。

延遲保證——計(jì)算傳輸時(shí)間和響應(yīng)時(shí)間是CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的一部分。

數(shù)據(jù)一致性——在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以接收或拒絕一個(gè)報(bào)文。

強(qiáng)大的錯(cuò)誤檢測(cè)功能——通過(guò)位監(jiān)控、循環(huán)冗余檢查、位填充、報(bào)文格式檢查等多種手段來(lái)確保數(shù)據(jù)的完整性。

故障界定——有故障的節(jié)點(diǎn)將會(huì)被切斷以防止更深的網(wǎng)絡(luò)被影響。

容錯(cuò)性——CAN收發(fā)器支持將其中的一個(gè)引腳短路或接地而不影響報(bào)文。

高吞吐量——達(dá)到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。

Silicon Labs公司C8051F50x/51x系列產(chǎn)品的CAN接口硬件中，所有的CAN控制寄存器都可以直接存儲(chǔ);具有專用的CAN中斷;內(nèi)置高精度的振蕩器，無(wú)需外部晶振;同時(shí)，使用官方的Bosch 模塊，方便客戶使用。

采用F500和F30的汽車電子解決方案

方案1——主窗口升降控制器

在圖5中可以看到，該系統(tǒng)中有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，由F500 MCU做主控制器，同時(shí)包含3個(gè)從節(jié)點(diǎn)，使用性能更低一些的F30來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方案所要實(shí)現(xiàn)的功能是，通過(guò)駕駛員側(cè)窗控制器來(lái)控制所有的汽車窗戶，同時(shí)在每個(gè)從節(jié)點(diǎn)上面都分布了一個(gè)防夾算法，在每個(gè)車門上都有一個(gè)阻力傳感器和車窗的位置傳感器，電動(dòng)車窗的模塊通過(guò)接收這兩個(gè)傳感器的信號(hào)來(lái)判斷是否有物體阻礙了車窗的上升，如果判斷結(jié)果是“有”，那么電動(dòng)車窗控制模塊就會(huì)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)使車窗下降以防止夾傷。

圖5 主窗口升降控制器

方案2——自動(dòng)座椅的調(diào)整

該方案(圖6)通過(guò)由F500做主節(jié)點(diǎn)、5個(gè)F30做從節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在每個(gè)從節(jié)點(diǎn)上都分布有判斷功能、保護(hù)功能和智能算法，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的正常工作。

圖6 自動(dòng)座椅調(diào)整方案

問(wèn)答選編

問(wèn)：CAN和LIN總線有哪些相同和不同點(diǎn)?

答：LIN是CAN的一種低成本的輔助總線，CAN的速度可以達(dá)到1M而LIN只能達(dá)到20K。所以，CAN可以用于高速系統(tǒng)，LIN只能用于低速。而且一般在汽車電子中，CAN用于連接ECU和控制模塊，而LIN則用來(lái)連接模塊與功能節(jié)點(diǎn)之間的通訊。

問(wèn)：請(qǐng)問(wèn)LIN外設(shè)與UART0的主要差別在哪里?

答：LIN總線的串行傳輸是在單線上完成，UART0則是通過(guò)雙線TX/RX進(jìn)行通訊。

問(wèn)：系統(tǒng)時(shí)鐘切換到外部時(shí)鐘后，內(nèi)部的時(shí)鐘是否應(yīng)關(guān)閉?

答：主時(shí)鐘需要關(guān)閉。

問(wèn)：LIN總線的串行傳輸是在單線上完成，那么進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)效率如何?

答：全部由主控制器來(lái)決定，用戶可以在程序中設(shè)定優(yōu)先級(jí)。

問(wèn)：能談?wù)凜AN總線與MIC總線性能對(duì)比嗎?

答：MIC總線是一種時(shí)間分割多路傳輸總線，以雙冗余串行通信的方式傳輸數(shù)據(jù)，比較適合尖峰脈沖干擾頻繁的場(chǎng)合。CAN可以簡(jiǎn)單的理解為差分信號(hào)，對(duì)浪涌等共模干擾抑制能力很強(qiáng)。

問(wèn)：LIN總線的從節(jié)點(diǎn)如何實(shí)現(xiàn)同步?

答：所有的節(jié)點(diǎn)都是由主節(jié)點(diǎn)來(lái)控制的，同步由F500的LIN控制器自動(dòng)完成。

問(wèn)：能介紹一下目前單片機(jī)的主要加密方式嗎?

答：在MCU的Flash中有一個(gè)加密字節(jié)，這個(gè)字節(jié)的每一位對(duì)應(yīng)一頁(yè)的加密。沒有加密時(shí)，這個(gè)字節(jié)默認(rèn)是FFH，當(dāng)要對(duì)某頁(yè)進(jìn)行加密時(shí)，只需要將相應(yīng)的位寫：0。一旦寫0后，相應(yīng)的空間就不能通過(guò)一些工具從外部進(jìn)行讀寫了。另外，利用MCU自己的FIRMWARE也可以對(duì)FLASH進(jìn)行加密，而不影響對(duì)加密空間的訪問(wèn)。

問(wèn)：用戶最大的程序代碼可以多大?

答：最大4K字節(jié)。

問(wèn)：切換外部晶振時(shí)應(yīng)注意哪些問(wèn)題?

答：切換外部晶振時(shí)，需要注意的是：一要判斷晶振的穩(wěn)定狀態(tài)，二要判斷晶振之間的切換步驟。

問(wèn)：系統(tǒng)時(shí)鐘可不可以在程序中隨時(shí)切換?

答：系統(tǒng)時(shí)鐘可以在程序中實(shí)時(shí)切換。這種功能對(duì)低功耗設(shè)計(jì)很有幫助。當(dāng)需要高速運(yùn)行時(shí)，使用內(nèi)部高速時(shí)鐘;當(dāng)需要低速運(yùn)行時(shí)，切換到外部時(shí)鐘，以節(jié)省功耗(外部時(shí)鐘使用低速時(shí)鐘)。

問(wèn)：MCU在射頻控制時(shí)，MCU的時(shí)鐘(晶振)、數(shù)據(jù)線會(huì)輻射基頻或基頻的倍頻，被低噪放LNA放大后進(jìn)入混頻，出現(xiàn)帶內(nèi)的Spur，無(wú)法濾除。請(qǐng)問(wèn)有沒有好的解決方法?

答：PCB設(shè)計(jì)的時(shí)候把數(shù)據(jù)線和射頻線用地隔開，盡量放的遠(yuǎn)一些。另外，不要平行布線。

問(wèn)：汽車點(diǎn)火對(duì)MCU有影響嗎?如何消除這種影響?

答：汽車點(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生比較大的干擾，會(huì)影響MCU的工作。要降低這種影響，需從硬件和軟件方面進(jìn)行處理。在硬件方面，在設(shè)計(jì)的時(shí)候要充分估計(jì)這種影響，并采取適當(dāng)?shù)姆绞浇档瓦@種影響;在軟件方面，可以做一些抗干擾處理。C8051F MCU在片上集成兩個(gè)保護(hù)功能：低電壓偵測(cè)和系統(tǒng)時(shí)鐘丟失偵測(cè)。當(dāng)MCU的供電電壓和系統(tǒng)時(shí)鐘出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)強(qiáng)行讓MCU處在復(fù)位狀態(tài)，從而起到保護(hù)作用。強(qiáng)烈建議在使用C8051F MCU進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，將這兩個(gè)功能使能。