一種基于混合信號技術的汽車電子單芯片設計

隨著汽車部件電子化程度的不斷提高,汽車工程師們正積極地尋求車輛系統中的先進控制和接口技術解決方案。目前,汽車系統中用來嵌入這些功能單元的空間和能源十分有限,汽車工程師們正借助于新穎的高壓混合信號技術將復雜的——截至目前還不兼容的元件功能集成到一塊芯片上?，F在,應用與42V車載電壓兼容的I3T高電壓技術已經可以將復雜的數字電路(如傳感器)、嵌入式微處理器以及功率電路(如激勵源或開關驅動器)集成到一起。

LIN總線系統

由于其相對較低的造價,LIN總線正被廣泛應用于汽車的分布式電氣控制系統中,如控制電動車窗、調節(jié)后視鏡和車前燈等部位的步進馬達和直流電源,或管理傳感器采集到的關于氣溫或座位位置的信息等。LIN總線的傳輸字節(jié)高達20kbps。基于單主節(jié)點、多個從節(jié)點的結構,通常,從節(jié)點安裝在收發(fā)器、微控制器、傳感器的接口或由分立元件組成的激勵驅動器的周圍。最近研制出了一種帶有LIN總線異步收發(fā)裝置(UART)的微控制器,這種微控制器可同集成有其它從節(jié)點模塊(如LIN總線收發(fā)器、電壓調節(jié)器、看門狗定時器、激勵驅動器和傳感器接口)的附件一起配套使用。目前,AMI半導體(AMIS)公司利用混合信號技術將關鍵的從節(jié)點模塊全部集成在了一個功能專一、功耗低、符合標準IP模塊的芯片上,將LIN總線的發(fā)展又推進了一步。該方案的特點有：

集成RC振蕩器,誤差≤15%;

專用IP模塊(如DC或微型步進馬達驅動器);

遵守LIN總線V1.3協議;

傳輸速率高達20kbps(特殊的結構設計);

低頻收發(fā);

睡眠/旁路模式中的低電流損耗;

滿足潛在的市場需求。

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圖1為一個集成有LIN總線的從節(jié)點中主要元件的結構框圖。AMIS的方案提供了應用層和數據鏈路層需要的所有主要功能模塊。這些功能模塊可以用VHDL代碼編程、用AMIS開發(fā)板評估,下文將對它們作簡要的介紹。

帶有數字濾波器的采樣模塊

該模塊從接收器中采集信號,并將結果數據流通過數字濾波器,以除掉由于LIN總線信號的衰減可能造成的偽傳輸。因此,該模塊提高了LIN協議在惡劣環(huán)境中應用的性能,并最大程度上減少了同步和數據采樣中的問題。

同步機

同步機模塊從同步域中提取所需的信息,以決定編碼器和解碼器的準確采樣速率。該模塊具有內部晶振,并采用了一種可將傳統的UART技術中偶爾發(fā)生的舍/入誤差減到最小的技術。同步機的主要優(yōu)點在于能用較低的時鐘頻率來執(zhí)行LIN協議。例如,可以使用一個250KHz的主時鐘及15%的容差來獲得精確無誤的通訊。另外,AMIS的方案實現了占空比較大的變化范圍。典型的UART在晶振零誤差的情況下能實現占空比在33~66%間的變化。然而,運用AMIS解決方案可實現占空比在12~88%間的變化,并能完全適應晶振的誤差。在對物理層參數提供了較大容差的同時,也提高了對占空比影響較大的電磁兼容性。

標識符濾波器及其動態(tài)管理

主節(jié)點在系統運行的初始及運行過程中依據需要發(fā)布不同的從指令標識符。為此,從節(jié)點要包含一定數目的寄存器。ROM指令數陣列指的是從節(jié)點中執(zhí)行的不同指令,在RAM或EEPROM中含有相應的標識符。地址寄存器模塊識別同一LIN總線上的不同從節(jié)點,而第二ROM陣列是為不同的應用和執(zhí)行過程識別不同的從節(jié)點。標識符濾波器依據分配的標識符以決定指令的執(zhí)行與否,若標識符存在于隊列中,則執(zhí)行該指令,否則不執(zhí)行。

糾錯

錯誤識別模塊處于數據鏈路層,而糾錯卻是在應用層執(zhí)行。因此,由嵌入式微控制器在軟件中定義誤差量。應用層中的糾錯模塊包含一個狀態(tài)寄存器,每一種錯誤都有一個對應的錯誤標志位,并由該標志位向微處理器的內核產生一個中斷請求。錯誤標志可通過對狀態(tài)寄存器執(zhí)行讀操作來清除。每次錯誤直接中斷通訊,從而導致一個位錯誤以停止發(fā)送字節(jié)。進而這一幀信息被忽略,從節(jié)點等待下一個中斷域。

幀緩沖器

幀緩沖器是將送給微處理器內核的中斷減到最小的另一個途徑。它與標識符濾波器配合使用,可將中斷的數量減到每幀一次。該緩沖器中含17個字節(jié)(一個標識符、八個發(fā)送字節(jié)、八個接收字節(jié))。

內核/狀態(tài)機及應用接口

根據需要,AMIS可提供不同的內核。內核與LIN控制器間通過中斷信號和特殊功能寄存器(SFR)實現連接,LIN控制器可看作是SFR總線上的一個外圍器件。除了這些LIN總線特點外,與同類半導體處理技術平臺一樣,AMIS開發(fā)了一個廣泛的IP模塊庫,包括貳⑵和SAR ADC模塊、輸出電流可達0.3A的延時觸發(fā)器及輸出電流達3A的H橋。當然,運用從節(jié)點只是整個功能中的一部分,通過給它們提供足夠功率以將它們集成在當今汽車中是汽車電氣工程師的下一個重要挑戰(zhàn)。

42V電源技術方案

一個理想的汽車電源方案中,電源等級將會從傳統的12V電池電壓轉換成42V電源系統。而在42V系統中,電源等級還將會不斷地升高。例如,系統整個壽命周期中的最大工作電壓設定在50V,如果存在著8V最大動態(tài)過電壓,電源電壓就會達到58V。增加一個12V的外部驅動負荷泵,將會使系統的電壓需求達到70V,再增加一個ESD保護窗,系統電壓將達到80V。而且汽車的半導體器件不僅要承受較高的電壓,同時還必須具備足夠的魯棒性以滿足其苛刻的運行環(huán)境,比如,應滿足運行溫度在-40℃~+200℃范圍的需求。到目前為止,承受較高電壓和滿足苛刻運行條件的需求是42V汽車電子系統應用智能SoC技術的重大障礙。

AMI半導體的I3T80是一種基于 0.35mm CMOS工藝的80V電源智能模塊集成技術。滿足42V汽車系統惡劣的運行條件。由此技術開發(fā)出的設備包括電機控制驅動器、DC-DC變換器、具有帶寬濾波器的高精度模擬電路以及ADC和DAC等。而且I3T80能夠嵌入集成總計超過150000個門電路,其通信協議模塊包括PLL、USB、總線協議控制器、CAN和LIN通信控制器。除此之外,它還提供了ROM和RAM存儲器。

結語

在新型汽車電子應用中,隨著電子部件不斷地增加, 汽車設計者們正在尋求一種合理的解決方案。這樣,高集成度、高可靠性SoC解決方案應運而生。這種解決方案技術要求能夠簡化執(zhí)行步驟,減少與不同電子系統之間的控制和接口成本。AMIS的高電壓、混合信號技術滿足了這種需要。它把半導體解決方案與專用IP模塊結合在一起,能夠滿足任何標準接口通信總線 (LIN、CAN)節(jié)點應用,同時與42V電壓等級方案兼容。