飛思卡爾的車內(nèi)CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)解決方案
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針對(duì)CAN應(yīng)用的解決方案
飛思卡爾深刻認(rèn)識(shí)到汽車CAN器件與系統(tǒng)的開發(fā)商所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。由于不同的CAN網(wǎng)絡(luò)具有不同的CAN消息機(jī)制，因此飛思卡爾將提供不同的硬件方案來應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
飛思卡爾的32位MCU采用了Tou CAN或Flex CAN硬件模塊，來與CAN總線進(jìn)行通信。這些模塊都是基于傳統(tǒng)的“郵箱”或“完全CAN（full-CAN）”硬件架構(gòu)，具有16個(gè)消息緩沖器。當(dāng)接收到消息后，相應(yīng)的硬件過濾器會(huì)把消息裝入到這16個(gè)“郵箱”中的一個(gè)（接收緩沖器）。這種方法非常適合于動(dòng)力總成系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)中的消息都非常有規(guī)律、可以預(yù)測(cè)，應(yīng)用開發(fā)商可通過軟件以足夠快的速度清空“郵箱”，以便新的消息不會(huì)覆蓋掉未處理的舊消息。但如果多條消息進(jìn)入的速度實(shí)在太快、來不及處理和清空時(shí)，數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。這就是為什么郵箱式架構(gòu)并不一定適合于不可預(yù)測(cè)的、事件驅(qū)動(dòng)型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的原因。
前面曾提到，車身電子網(wǎng)絡(luò)的消息是零星產(chǎn)生的，具有不可預(yù)測(cè)的性質(zhì)，這使飛思卡爾的Scalable CAN（msCAN）架構(gòu)非常適合這些應(yīng)用。因?yàn)镠C08、HC12和HCS12等MCU系列都是8位和16位的控制器，它們都是車身電子系統(tǒng)與器件的核心，因此msCAN模塊適合用這些MCU系列來開發(fā)。由msCAN接收的CAN消息被放到一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)中。這種結(jié)構(gòu)保持了所接收的消息的順序，因此許多具有同一標(biāo)示符的消息能夠有序的快速接收，不必?fù)?dān)心單一接收緩沖器會(huì)出現(xiàn)的溢出問題。
為滿足多種類型的CAN物理層的需求，飛思卡爾提供了一系列CAN物理層器件，來滿足或超越ISO或SAE制訂的性能標(biāo)準(zhǔn)。
但僅有一個(gè)簡單的物理層器件是不夠的。例如，所有的汽車模塊都需要由經(jīng)過調(diào)整的電源供電。有時(shí)，一個(gè)本地開關(guān)或傳感器需要將該模塊從睡眠狀態(tài)下迅速激活為運(yùn)行狀態(tài)，而開關(guān)或傳感器的電壓為汽車蓄電池的電壓。這就是飛思卡爾的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）為汽車設(shè)計(jì)表（design table）帶來的幫助和價(jià)值。SBC結(jié)合了CAN物理層所需要的電壓調(diào)整、獨(dú)立的看門狗定時(shí)器、本地激活電路，以便能用更少的元器件獲得更大的靈活性。當(dāng)這些電路能夠采用同一半導(dǎo)體工藝制造時(shí)，就有必要將這些功能集成到單一封裝內(nèi)，減少設(shè)計(jì)最后階段所需要的元器件數(shù)量。這將減少開發(fā)成本、提高可靠性、增加設(shè)計(jì)靈活性（圖1）。
LIN應(yīng)用的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）是一種基于UART的單主（節(jié)點(diǎn)）多從（節(jié)點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，最早是為汽車傳感器和制動(dòng)器（actuator）的聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而開發(fā)的。它為電機(jī)、開關(guān)、傳感器和車燈提供了一種低成本的網(wǎng)絡(luò)連接方式。LIN不僅僅可以連接獨(dú)立的傳感器和制動(dòng)器，其主節(jié)點(diǎn)還可在LIN網(wǎng)絡(luò)與CAN等更高級(jí)網(wǎng)絡(luò)之間進(jìn)行連接。
然而想把LIN網(wǎng)絡(luò)集成到汽車環(huán)境中去并非輕而易舉。目前，絕大多數(shù)適合LIN的應(yīng)用，都采用了分立的、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的線束系統(tǒng)，而沒有考慮負(fù)載端的芯片、電路和元件。因此，不論負(fù)載是燈或電機(jī)，還是傳感器，通常都通過簡單的連接器連接到雜亂的線束。結(jié)果，剩下的板上空間就十分有限，很難再集成LIN所需要的元件。例如在電動(dòng)后視鏡中，供應(yīng)商可能會(huì)放置多達(dá)3個(gè)電機(jī)、發(fā)熱元件、電鍍鉻玻璃和多個(gè)車燈，于是就沒有留下足夠的空間來滿足其它潛在性要求。
對(duì)汽車電子制造商來說，制造控制模塊的能力是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。它不僅僅是LIN開發(fā)商會(huì)碰到的問題，也是電機(jī)、傳感器和制動(dòng)器制造商經(jīng)常面對(duì)的問題。
最終，智能化的LIN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為開發(fā)商提供了新的選擇?，F(xiàn)在，系統(tǒng)前端可以完成對(duì)電機(jī)、車燈和螺線管等負(fù)載的控制。由于可提供前所未有的控制和系統(tǒng)級(jí)信息，LIN網(wǎng)絡(luò)可輕易否決診斷數(shù)據(jù)。然而問題是，為了控制和診斷這些負(fù)載，該如何設(shè)計(jì)一個(gè)小體積的半導(dǎo)體芯片，以適合于非常狹小的應(yīng)用空間。
電子器件會(huì)發(fā)射出電磁輻射，從而影響周圍的其它器件。而電磁兼容性（EMC）就是處理多個(gè)電子器件之間的相互作用，以及它們是如何從外部資源（磁化系數(shù)）來響應(yīng)這些輻射的。由于在汽車電子應(yīng)用中，各種電子系統(tǒng)和器件之間的距離是如此接近，因此需要非常謹(jǐn)慎地考慮電磁兼容問題。
降低LIN網(wǎng)絡(luò)的能量輻射也同樣重要，因?yàn)殚L距離的線纜總線在傳輸信息時(shí)，會(huì)像天線一樣對(duì)對(duì)周圍的其它器件輻射能量。作為單線總線，LIN可以在地電平與電池電壓之間進(jìn)行切換。這種大幅度的電壓切換也會(huì)造成大量的電磁輻射，因此在進(jìn)行物理層器件設(shè)計(jì)時(shí)需要更加仔細(xì)。
針對(duì)LIN應(yīng)用的解決方案
作為一種開放式標(biāo)準(zhǔn)的UART協(xié)議，LIN使飛思卡爾能夠開發(fā)出一條完整的、高度集成的機(jī)電元件產(chǎn)品線。這些元器件在一個(gè)非常緊湊的封裝內(nèi)，為特定的從設(shè)備應(yīng)用（slave application）集成了所有需要的半導(dǎo)體器件與連接器，給LIN的從節(jié)點(diǎn)（slave node）開發(fā)商提供了巨大的好處。
高集成度解決了許多客戶的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。緊湊的大小和連接器技術(shù)的集成，意味著控制單元能夠很容易的直接與線束相連，無需將控制電路隔離成獨(dú)立的芯片，不會(huì)帶來連接器數(shù)量的增多及封裝問題?？刂茊卧軌蛑苯痈街陔姍C(jī)和其它負(fù)載上，以減少連接和線束。
除了減小體積外，這些智能的連接器還簡化了制造。模塊制造商不必再考慮電路板設(shè)計(jì)、制造與錯(cuò)誤檢測(cè)等問題，因?yàn)樗械倪@些步驟早就在機(jī)電器件的制造過程中完成了。
其中一種機(jī)電器件的制造方法，是將MCU、物理層和負(fù)載處理（load handling）的半導(dǎo)體器件放置在一個(gè)絕緣金屬襯底（IMS）上（該襯底可當(dāng)作一個(gè)小的PCB板）。這種方法可獲得極佳的熱性能。該IMS為負(fù)載處理，通信與邏輯半導(dǎo)體提供了無以倫比的散熱性能。
這些機(jī)電產(chǎn)品的基本特點(diǎn)，是為負(fù)載處理和診斷集成了飛思卡爾的SMARTMOS產(chǎn)品。這些產(chǎn)品也可作為MCU的周邊器件，提供電流控制、限流、熱保護(hù)、電子保護(hù)和先進(jìn)的負(fù)載診斷等功能。應(yīng)用開發(fā)商能夠精確地測(cè)量出有多少電流流向了特定的負(fù)載，并控制電流直接在負(fù)載端執(zhí)行這些先進(jìn)功能，而不需要經(jīng)過漫長的線纜傳輸。
飛思卡爾很早就開始了單線汽車通信總線的研究開發(fā)。在J1850總線的物理層研究中獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，已在MC33399LIN物理層芯片的開發(fā)中得到了印證。
飛思卡爾是業(yè)內(nèi)首個(gè)量產(chǎn)LIN物理層芯片的供應(yīng)商之一，也是首個(gè)推出帶有重要的波形整形電路（這對(duì)降低電磁輻射至關(guān)重要）的LIN物理層芯片供應(yīng)商之一。波形整形將針對(duì)傳統(tǒng)的梯形波形，也可將尖角修圓（roundthecorner），以在結(jié)果波形中減小諧波分量。最初的LIN規(guī)范并沒有考慮這些問題，但飛思卡爾卻進(jìn)行了仔細(xì)研究，并帶來了卓越的產(chǎn)品（圖2）。
圖2：飛思卡爾的LIN車門系統(tǒng)框圖
在不斷發(fā)展變化的汽車工業(yè)中，滿足未來的要求與滿足現(xiàn)有的需求同等重要。汽車產(chǎn)業(yè)動(dòng)態(tài)的持續(xù)發(fā)展，為制造商帶來了許多新的需求，也促使了CAN、LIN和FlexRay等各種標(biāo)準(zhǔn)的不斷涌現(xiàn)，以滿足制造商與客戶的不同要求。(end)
評(píng)論