車(chē)用32位微控制器技術(shù)分析

　　過(guò)去到現(xiàn)在，微控制器已經(jīng)從4位、8位，逐漸發(fā)展到16位與32位的應(yīng)用，所投入的廠商也不在少數(shù)。在應(yīng)用方面，更是滲透并融入了人們生活周遭的各個(gè)領(lǐng)域中。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，舉凡操作接口有其相關(guān)的領(lǐng)域，或多或少都能發(fā)現(xiàn)到微控制器的蹤跡。甚至在許多國(guó)家中，已經(jīng)進(jìn)一步將微控制器的使用數(shù)量與市場(chǎng)規(guī)模，評(píng)估一個(gè)地區(qū)的收入、經(jīng)濟(jì)狀況的重要指標(biāo)之一，再加上家電、消費(fèi)性電子，以及汽車(chē)工業(yè)的應(yīng)用與加持之下，使得微控制器在這幾年里充滿了各界的期待。
 
　　從微控制器于汽車(chē)市場(chǎng)的應(yīng)用層面來(lái)看，不論是從汽車(chē)內(nèi)部主體來(lái)看，如：主（被）動(dòng)式安全設(shè)備、發(fā)電（動(dòng)）機(jī)管理、底盤(pán)、引擎與車(chē)身控制，或者是以附加功能的車(chē)載式多媒體、娛樂(lè)、影音及信息系統(tǒng)，都可以見(jiàn)到微控制器（MCU）大幅應(yīng)用的例子。那么微控制器為何會(huì)受到汽車(chē)電子廠商的關(guān)注？這是因?yàn)槠?chē)上的電子系統(tǒng)開(kāi)始朝向?qū)崟r(shí)多任務(wù)管理、因特網(wǎng)與通信功能…等高階應(yīng)用下的產(chǎn)物，增加了車(chē)用電子系統(tǒng)、設(shè)備的智能化、實(shí)時(shí)性和可靠性程度。因此，為了使微控制器能順利的進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，除了必須要能有其基本特性之外，還兼?zhèn)湮磥?lái)智能型汽車(chē)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能、系統(tǒng)集成度、適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)和電磁輻射干擾等。

　　過(guò)去曾經(jīng)以8位、16位作為車(chē)用微控制器的解決方案，但，其同樣性質(zhì)的微控器產(chǎn)品大都只能在穩(wěn)定中求得成長(zhǎng)。不過(guò)，在汽車(chē)領(lǐng)域中，成長(zhǎng)幅度驚人的還是以32位／微控制器為主，另外還包括：上網(wǎng)手機(jī)、PDA、打印機(jī)、數(shù)字相機(jī)，及其它應(yīng)用對(duì)其需求也不容小看，逐年的成長(zhǎng)率都能保持在30％以上。

　　從32位／微控制器產(chǎn)品角度來(lái)分析，即使以目前汽車(chē)市場(chǎng)份額的比重，還不能夠與8、16位／微控制器相比擬，也沒(méi)有辦法像消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)⑵渲苯痈鼡Q，但目前還是逐步地以快速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)向前邁進(jìn)。另一個(gè)主要關(guān)鍵，在于32位／微控制器的應(yīng)用產(chǎn)品大多為汽車(chē)電子領(lǐng)域中的新興產(chǎn)品，就像是中、高階汽車(chē)上所運(yùn)用的影音多媒體系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等，因?yàn)橹T如此類(lèi)的系統(tǒng)設(shè)備大都需要較高的處理速度。有此可見(jiàn)，32位／車(chē)用微控制器未來(lái)的發(fā)展空間有多大，預(yù)估在未來(lái)幾年中，其產(chǎn)值可望能夠一舉超越8、16位，成為微控制器市場(chǎng)中主流的應(yīng)用產(chǎn)品。

　　換個(gè)角度，從應(yīng)用面來(lái)看，由于微控制器所搭載的內(nèi)存已由過(guò)去的MaskROM走到今日的以Embedded Flash為主流，在產(chǎn)品架構(gòu)方面，微控制器與AD/DA等模擬組件的結(jié)合也成為強(qiáng)化本身價(jià)值的主要趨勢(shì)。因此，32位／微控制器內(nèi)存主要有MASK ROM、FLASH Memory（閃存）、On-Time Programmable（OTP） Memory等，在MASK ROM的價(jià)格上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，而FLASH Memory有加速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的特性，On-Time ProgrammableMemory則介于兩者之間，一方面提供多種版本的微控制器供客戶使用，另一方面，F(xiàn)lash-Based 微控制器最大的好處就是能夠快速改變程序，藉此達(dá)到縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。由此可見(jiàn)，因?yàn)?2位／微控制器所具備的靈活應(yīng)用性，可讓車(chē)廠在配置車(chē)輛時(shí)的特性集成及控制算法有很大幫助。

　　最后，在由技術(shù)面來(lái)看，微控制器應(yīng)具備更強(qiáng)的功能，這是因?yàn)槊鎸?duì)到汽車(chē)多變的應(yīng)用環(huán)境，不僅對(duì)硬件穩(wěn)定性、可靠性要求很高，還必須要考慮設(shè)備的延展性。因此，要如何選擇一項(xiàng)具有優(yōu)勢(shì)的嵌入式設(shè)備控制器，就顯得相當(dāng)重要，使控制器能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)在惡劣環(huán)境下，能夠因應(yīng)高振動(dòng)、高沖擊、低溫、高溫、溫度變化劇烈和高濕度等環(huán)境問(wèn)題。

　　閃存微控制器MB91F467D，針對(duì)下一世代汽車(chē)電子應(yīng)用所設(shè)計(jì)，并采用0.18μm制程技術(shù)，具備更快速、儲(chǔ)存大容量及更多的功能。MB91F467D采用嵌入式閃存技術(shù)，具備讀出保護(hù)功能的1,088kB的儲(chǔ)存容量。閃存芯片內(nèi)建的預(yù)取與彈性快取功能，可確保連接至I-bus和F-bus的內(nèi)存之最佳效能。MB91F467D微控制器提供64kB嵌入式RAM與32位數(shù)據(jù)，26位地址的外部總線接口，可用來(lái)連接外部?jī)?nèi)存，如：SDRAM、脈沖模式（urst-mode）閃存、或者用于繪圖顯示控制器（GDC）。具有3個(gè)CAN接口各自擁有32個(gè)訊息緩沖器與5個(gè)LIN-UART，而其中4個(gè)內(nèi)建16 Byte Rx 和Tx FIFOs，可用來(lái)提高傳輸速度，而3個(gè)I2C模塊則讓該控制器的序列通訊接口更加完整。

　　基本上，MB91F467D是藉由內(nèi)建8個(gè)自由運(yùn)行定時(shí)器而強(qiáng)化其定時(shí)器功能。此8個(gè)自由運(yùn)行定時(shí)器是做為8個(gè)ICU與4個(gè)OCU模塊、8個(gè)重裝定時(shí)器、3個(gè)Up/Down計(jì)數(shù)模式、以及1個(gè)以4MHz主要石英振頻或32 kHz子頻率振頻運(yùn)作的實(shí)時(shí)頻率（RTC）模塊的時(shí)間基礎(chǔ)。除了具備6信道步進(jìn)馬達(dá)控制器接口，來(lái)控制儀表板設(shè)備外，MB91F467D還內(nèi)建12信道16位脈沖產(chǎn)生器（PPG）的脈沖產(chǎn)生模塊、1個(gè)聲音產(chǎn)生器，另一個(gè)則是功率因子模式（PFM）模塊，而芯片中相位鎖定回路（PLL）的內(nèi)部工作頻率可高達(dá)96MHz。

　　MB91F467DA亦具備24信道10位模擬轉(zhuǎn)數(shù)字控制器與1個(gè)警示比較器輸入端等模擬功能，并加強(qiáng)了I/O驅(qū)動(dòng)功能包含：2mA、5mA、或30mA的SMC驅(qū)動(dòng)器。另外，MB91F467DA包含各種輸入端，例如：汽車(chē)、CMOS磁滯（Hysteresis），甚至是晶體管邏輯電路（TTL）。所有輸入端皆包含內(nèi)部提升電阻，可以確保未使用過(guò)的針腳處于開(kāi)啟狀態(tài)。MB91F467DA采用的是208針腳的無(wú)鉛純錫方型扁平式（QFP）封裝技術(shù)。此外，此款微控制器的工作溫度介于攝氏-40℃到105℃之間，運(yùn)作供電電壓則介于3V到5.5V之間。

　　在車(chē)載式逆變器控制的32位方面，瑞薩半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)出RISC微控制器SH7147F，內(nèi)建256KB的閃存。SH7147F是過(guò)去瑞薩所開(kāi)發(fā)SuperH系列SH7047F的二代產(chǎn)品，采用了與SH7047F相同的100針小型封裝，功能與性能均高于SH7047F，并能夠與目前產(chǎn)品軟件兼容，以現(xiàn)有程序便能直接取代。

　　SH7147F使用SH-2CPU內(nèi)核，工作頻率從SH7047F的50MHz提高到了64MHz，處理性能約為SH7047F的1.3倍。此外由于配備了閃存，可隨時(shí)進(jìn)行一個(gè)周期的循環(huán)讀取，提高了程序處理能力。另外，新開(kāi)發(fā)的12位AD轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間比過(guò)去的10位AD轉(zhuǎn)換器縮短了大約30%，可同時(shí)取樣、同時(shí)轉(zhuǎn)換的信道數(shù)從2個(gè)系統(tǒng)增加到了最多6個(gè)系統(tǒng)。最后，還有一個(gè)通道配備了支持車(chē)載LAN的CAN的接口，除了可以運(yùn)用在汽車(chē)的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、混合動(dòng)力車(chē)等的逆變器控制之外，還可以應(yīng)用于通用逆變器和交流伺服（AC SERVO）等。

　　MPC5566是基于Power Architecture技術(shù)的MPC55xx車(chē)用控制器系列之一，內(nèi)嵌的大容量閃存能解決汽車(chē)業(yè)對(duì)內(nèi)嵌式內(nèi)存持續(xù)增加的需求，讓研發(fā)人員得以設(shè)計(jì)更先進(jìn)的動(dòng)力引擎控制系統(tǒng)，不僅可提高增加燃油效率，還可降低有害的廢氣排放。大型單芯片閃存數(shù)組能提供研發(fā)人員高效能解決方案，以支持更精密、內(nèi)存存取密集（memory-intensive）的引擎控制功能。

　　雖然，MPC5566控制器是MPC55xx系列的第七代組件，而這一系列組件具備可擴(kuò)充特性，其接腳和原始碼均兼容（pin-and code-compatible），可在多重應(yīng)用中重復(fù)使用原始碼。MPC55xx是以節(jié)能的e200核心為基礎(chǔ)，并采用Power Architecture技術(shù)。利用MPC55xx的設(shè)計(jì)技術(shù)，可協(xié)助減少程序代碼（code footprint）達(dá)30，以增加程序代碼密度并降低內(nèi)存需求的可變長(zhǎng)度編碼（VLE）功能，而根據(jù)特定裝置，最高可達(dá)32k快取。該組件還具備數(shù)字訊號(hào)處理器（DSP），以及浮點(diǎn)運(yùn)算的單一指令復(fù)合數(shù)據(jù)（SIMD）模式，可提升功能的自動(dòng)編碼及功能性整合，如：爆震偵測(cè)系統(tǒng)。

　　TMS320系列中的F28015和F28016數(shù)字訊號(hào)控制器提供60MHz效能，TMS320F2801-60和F2802-60控制器是以現(xiàn)有的TMS320F2801和F2802組件為基礎(chǔ)，同樣提供60MHz效能。TI F280xx控制器系列共包含11顆軟件和接腳兼容的組件，都具備32位DSP高效能運(yùn)算核心、高度外圍整合以及易于使用等優(yōu)點(diǎn)，最適合設(shè)計(jì)人員升級(jí)目前以微控制器為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

　　所有以F280x為基礎(chǔ)的組件都采用32位數(shù)據(jù)路徑以提高效能，16/32位混合指令集則能增加程序代碼密度。這些擁有高系統(tǒng)整合度的控制器全都內(nèi)建完整的系統(tǒng)控制功能，包括訊號(hào)輸入、12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、正交編碼器脈沖 （QEP） 界面、定時(shí)器的擷取與比較、以及高達(dá)10組獨(dú)立脈沖寬度調(diào)變 （PWM） 信道的訊號(hào)輸出。這些控制器還能視實(shí)際配置的組件而定，提供CAN、I2C、UART和SPI端口等通訊界面。TMS320F28016是最低成本的數(shù)字訊號(hào)控制器，內(nèi)含CAN通訊界面。CAN長(zhǎng)期以來(lái)就是汽車(chē)電子常用的界面，不僅適合噪聲水平很高的工業(yè)應(yīng)用，還具備錯(cuò)誤偵測(cè)與錯(cuò)誤處理能力，為應(yīng)用系統(tǒng)提供強(qiáng)大可靠的通訊能力。

　　業(yè)界第一個(gè)ARM9核心90 奈米微控制器LPC3180，這個(gè)新的32位微控制器，不僅能夠提供高效能和低功耗的優(yōu)勢(shì)，也是唯一提供向量浮點(diǎn)輔助處理器、整合式USB OTG、以及在0.9V電壓下操作極低消耗功率模式能力的ARM9核心微控制器。飛利浦LPC3180的最高速率可達(dá)208 MHz，為許多高精度應(yīng)用的理想選擇，例如銷(xiāo)售點(diǎn)管理系統(tǒng)（POS）設(shè)備、醫(yī)療及工業(yè)裝置、全球定位系統(tǒng)（GPS）、機(jī)器人等。

　　LPC3180彈性的電源管理能夠容許高峰值效能（尤其是當(dāng)執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)），同時(shí)也允許系統(tǒng)在保留實(shí)時(shí)頻率（real-time clock）和喚醒（wake-up）功能時(shí)關(guān)閉核心電源。這個(gè)新的微控制器是目前業(yè)界唯一能夠提供高速且高效率硬件向量浮點(diǎn)輔助處理單元的ARM9微控制器。這個(gè)硬件向量浮點(diǎn)輔助處理器在scaler mode下可加速達(dá)4~5倍，而在最佳化的Vertor mode下達(dá)到更高的加速效能。

　　為汽車(chē)市場(chǎng)推出首個(gè)采用ARM9的32位引擎控制器（ECU），產(chǎn)品編號(hào)為ML67Q2003微控制器，采用272接腳QFP封裝，具有雙通道CAN，它的頻率頻率達(dá)80Hz。此項(xiàng)產(chǎn)品整合ARM966E-S核心CPU、ARM VFP-9向量浮點(diǎn)協(xié)同處理器、1MB嵌入式閃存和48KB SRAM，可處理復(fù)雜的燃燒監(jiān)視，提高燃料效率，還可以處理其它關(guān)鍵的引擎功能，如油門(mén)、定時(shí)、油溫及壓力、電池、傳輸及車(chē)閘等。