汽車電子MCU技術(shù)原理與需求分析

　　汽車作為一部大型的機(jī)電一體化設(shè)備，汽車電子在汽車整體成本中的比例越來(lái)越大。目前歐美發(fā)達(dá)國(guó)家汽車電子的平均成本達(dá)350美元以上，其涵蓋了從車身控制、動(dòng)力傳動(dòng)、車身安全，到車內(nèi)娛樂(lè)的各個(gè)方面。

　　微控制器（MCU）作為汽車電子系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)算和處理的核心，也遍布懸掛、氣囊、門控和音響等幾十種次系統(tǒng)（Sub-System）中。由于汽車作為高速交通工具承載了對(duì)用戶生命安全的保障，同時(shí)汽車經(jīng)常工作在十分惡劣的環(huán)境中，其對(duì)內(nèi)部電子設(shè)備的可靠性要求要遠(yuǎn)高于一般性電子產(chǎn)品。因此汽車電子所用的MCU與一般性產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)差異雖然并不很大，而一般的MCU產(chǎn)品由于可靠性不能符合廠商的要求而并不能被選用，這也是汽車電子產(chǎn)品同一般性電子產(chǎn)品市場(chǎng)的區(qū)別之一。

　　技術(shù)特性需求

　　CAN和LIN是最常見的車身系統(tǒng)總線接口，因此汽車電子類MCU除了在可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有較高要求外，還要能實(shí)現(xiàn)對(duì)上述總線接口的支持。

　　CAN總線即控制器局域網(wǎng) (Controller Area Net)，是一種現(xiàn)場(chǎng)總線，最初由德國(guó)BOSCH公司為汽車監(jiān)測(cè)和控制而設(shè)計(jì)，主要用于各種過(guò)程檢測(cè)及控制。CAN總線分為高速CAN和低速CAN，前者主要用于動(dòng)力和安全等關(guān)鍵性的應(yīng)用，如發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、自動(dòng)變速器控制、ABS控制、安全氣囊控制等；后者則通常針對(duì)一般性車身應(yīng)用，如集控鎖、行李箱鎖、車窗，及車內(nèi)燈光等。CAN總線的協(xié)議也在不斷演進(jìn)發(fā)展，從最早期的1.x版本已發(fā)展到目前的CAN2.0A及其擴(kuò)展版CAN2.0B，其中CAN2.0B又分為主動(dòng)（Active）式和被動(dòng)（Passive）式。

　　由于CAN總線協(xié)議的版本和分類不同，對(duì)車用MCU的要求也有差異。除了提到的協(xié)議版本，CAN總線控制器緩存和接收過(guò)濾器的數(shù)量也影響了MCU的選用。如圖所示，ST的CAN控制器針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同類型。其中如beCAN、bxCAN兩款適合中高端車身功能控制及低端網(wǎng)關(guān)；FullCAN適合引擎管理系統(tǒng)；cCAN則適合高端的網(wǎng)關(guān)和動(dòng)力傳動(dòng)控制。

                           圖一　ST不同的CAN控制器的緩存及接收過(guò)濾器數(shù)量

　　LIN（Local Interconnect Network）總線是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，主要用作CAN等高速總線的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò)。在帶寬要求不高、功能簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求低的場(chǎng)合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)線束、降低成本、提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率和可靠性。如圖所示，LIN主要適合于車內(nèi)空調(diào)控制（Air-Conditioning Control）、車門控制模塊（Door Modules）、座椅控制、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-Cost Sensors）等分布式通訊應(yīng)用。

                                  圖二　LIN的應(yīng)用領(lǐng)域

　　網(wǎng)關(guān)控制器

　　車內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制器（Gateway）的作用是車內(nèi)電子系統(tǒng)中不同網(wǎng)絡(luò)的通訊樞紐，使分布在車身內(nèi)的各個(gè)單元可實(shí)現(xiàn)溝通。網(wǎng)關(guān)一般包括總線收發(fā)器、穩(wěn)壓器（Regulator），以及支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的低成本、高效能微控制器；并廣泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等車用電子通訊接口。網(wǎng)關(guān)控制器設(shè)計(jì)上比較靈活，一般廠家會(huì)依據(jù)自己的需求而定制。針對(duì)不同的應(yīng)用，其可以集成在車身控制單元或儀表組件等設(shè)備當(dāng)中，也可以作為一個(gè)獨(dú)立的模塊出現(xiàn)。

　　嵌入式閃存的作用

　　MCU嵌入式內(nèi)存可為滿足工控機(jī)系統(tǒng)的需求提供保障，穩(wěn)定性可得到提升，也有助于實(shí)現(xiàn)更低的成本和增大工作處理的彈性。因此在MCU上提供嵌入式內(nèi)存，甚至整合DSP的單元，已成為目前的設(shè)計(jì)趨勢(shì)。

　　車用MCU嵌入式內(nèi)存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中NOR Flash作為微控制器程序及數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的內(nèi)存可使MCU具有更高的彈性，已逐漸成為目前設(shè)計(jì)的主流。由于嵌入內(nèi)存而使MCU無(wú)需與外部組件進(jìn)行高速串連，因此不易產(chǎn)生信號(hào)干擾的問(wèn)題，降低了接線的復(fù)雜度，提高了穩(wěn)定性。此外，嵌入式內(nèi)存省去了外接元件，也可有效減少PCB尺寸，給產(chǎn)品設(shè)計(jì)更大的靈活性。在數(shù)據(jù)安全性方面，MCU嵌入式內(nèi)存的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制可實(shí)現(xiàn)較高的可靠性，保證其中的數(shù)據(jù)免遭盜取。

　　DSP提升設(shè)計(jì)彈性

　　數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)是當(dāng)今高科技數(shù)碼產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。從MP3隨身聽到航空航天等的高技術(shù)應(yīng)用，DSP技術(shù)無(wú)所處不在并增長(zhǎng)迅速。在汽車電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，除在上文提到的在MCU嵌入內(nèi)存外，為MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升數(shù)據(jù)處理的彈性。DSP屬于系統(tǒng)的軟件功能范疇，因此可靈活地根據(jù)廠商或客戶的需求進(jìn)行功能改進(jìn)和升級(jí)。此外，DSP與處理器（ARM、PowerPC等） 相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)多任務(wù)分工處理，例如可把關(guān)鍵的控制功能交由處理器完成，而讓DSP專職進(jìn)行運(yùn)算方面的工作，這樣可降低系統(tǒng)功耗并提高處理效率。