汽車(chē)級MCU-F5xx系列產(chǎn)品及其應用

汽車(chē)級MCU市場(chǎng)總覽

從2007年到2011年，消費者對汽車(chē)電子市場(chǎng)產(chǎn)品(包括 MCU、傳感器及車(chē)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)機遇面前，汽車(chē)電子廠(chǎng)商也面臨著(zhù)挑戰。隨著(zhù)消費者對于汽車(chē)舒適性、安全性、駕駛性要求的不斷提高，汽車(chē)廠(chǎng)商在汽車(chē)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供應廠(chǎng)商必須提高系統的集成度，以便減少整個(gè)系統的成本，簡(jiǎn)化設計流程。

MCU在汽車(chē)電子方面的主要應用涵蓋五大領(lǐng)域，分別是：1、汽車(chē)動(dòng)力系統控制，主要應用為發(fā)動(dòng)機控制、方向轉向以及動(dòng)力轉向;2、汽車(chē)控制系統，即車(chē)身的控制，主要包括防盜控制、開(kāi)關(guān)控制、電動(dòng)車(chē)窗控制、車(chē)門(mén)控制、車(chē)燈控制等;3、安全控制系統，包括安全氣囊、ABS、SAFF等;4、行駛系統控制，包括儀表盤(pán)、空調、底盤(pán)控制等;5、汽車(chē)信息系統，包括娛樂(lè )、服務(wù)、移動(dòng)通信、信息處理和GPS導航等。除了汽車(chē)動(dòng)力系統控制和汽車(chē)信息系統控制這兩項應用需要高性能的32位MCU外，其余三項都可以采用汽車(chē)級MCU。

圖1 MCU、傳感器和車(chē)身集成電路的市場(chǎng)需求

Silicon Labs公司的汽車(chē)級MCU C8051F5XX系列產(chǎn)品是能夠為車(chē)身電子和點(diǎn)控裝置提供高集成度、使用簡(jiǎn)單并具有高效費比的混合信號MCU系統。它主要應用于自動(dòng)車(chē)窗、車(chē)門(mén)、自動(dòng)座椅、反光鏡、電動(dòng)機、制動(dòng)器等控制系統中。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的封裝內集成了64K Flash、CAN 2.0B 和 LIN 2.0。同時(shí)，產(chǎn)品內部集成了誤差只有±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CPU的運行。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(chē)電子對于IC的運行環(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(hù)在產(chǎn)品設計方面提供了很大的選擇余地。

圖2為F500的結構框圖，從圖中可以看到，在5mm×5mm的封裝里面，集成了較為完整的數字和模擬外設。在數字外設方面，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。模擬外設包括12位的ADC、誤差為±0.5%的高精度內部振蕩器、溫度傳感器和比較器等，同時(shí)，既可以使用內部參考電壓，也可以使用外部參考電壓。

圖2 F500的結構框圖

LIN在汽車(chē)電子中的應用

在現代汽車(chē)電子中，LIN和CAN總線(xiàn)缺一不可。LIN總線(xiàn)又稱(chēng)本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )(Local Interconnect Network)，是一種異步、單線(xiàn)串行通信總線(xiàn)，也是汽車(chē)電子網(wǎng)絡(luò )中常用的一種低成本解決方案。LIN總線(xiàn)包括一個(gè)主節點(diǎn)和多個(gè)從節點(diǎn)(圖3)，通過(guò)一根線(xiàn)來(lái)進(jìn)行通信，結構非常簡(jiǎn)單。

圖3 LIN總線(xiàn)結構示意圖

LIN總線(xiàn)在汽車(chē)中的應用主要有四個(gè)方面：車(chē)門(mén)/車(chē)窗/車(chē)頂的控制、轉向裝置控制、座椅控制和汽車(chē)環(huán)境控制。

LIN 總線(xiàn)的特點(diǎn)是：?jiǎn)沃鲝慕Y構，每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )都包含一個(gè)主節點(diǎn)和多個(gè)從節點(diǎn)，由主節點(diǎn)來(lái)控制總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn);基于常用的USART/SCI接口硬件;從屬控制器節點(diǎn)無(wú)需石英或者陶瓷振蕩器就可以實(shí)現自同步，因而減少了從節點(diǎn)的硬件成本;信號傳輸延時(shí)得到保證，確保了在最差狀況下信號傳輸的等待時(shí)間以避免總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)沖突;低成本的單線(xiàn)12V數據傳輸，線(xiàn)的驅動(dòng)和接收特性符合改進(jìn)的ISO9141單線(xiàn)要求;傳輸速度可以達到20 kbps。

Silicon Labs公司C8051F50x/51x的LIN總線(xiàn)硬件接口與LIN2.0協(xié)議兼容，其高精度的內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)檢測波特率，硬件結構帶中斷的錯誤檢測功能和休眠功能，可以實(shí)現低功耗。

CAN在汽車(chē)電子中的應用

CAN (控制器局域網(wǎng)) 是一種異步、差分串行總線(xiàn)通信標準，通常用于連接電子控制單元(ECU)。在現代汽車(chē)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(chē)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(chē)工程師學(xué)會(huì )采納為通用標準。

CAN在汽車(chē)電子中應用非常廣泛，它不但可以應用于LIN應用的一些領(lǐng)域，如車(chē)門(mén)/車(chē)窗/車(chē)頂的控制、方向控制、座椅控制、環(huán)境控制等，還可以應用于更多的零界系統中，如傳動(dòng)系統、防抱死制動(dòng)系統、轉向裝置控制、燃油噴射系統等。

圖4 CAN總線(xiàn)的結構示意圖

CAN總線(xiàn)具有以下特性：

靈活性——在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都能夠接收和發(fā)送數據。

延遲保證——計算傳輸時(shí)間和響應時(shí)間是CAN網(wǎng)絡(luò )設計的一部分。

數據一致性——在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)都可以接收或拒絕一個(gè)報文。

強大的錯誤檢測功能——通過(guò)位監控、循環(huán)冗余檢查、位填充、報文格式檢查等多種手段來(lái)確保數據的完整性。

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

容錯性——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文。

高吞吐量——達到1Mbps的數據傳輸速率。

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;具有專(zhuān)用的CAN中斷;內置高精度的振蕩器，無(wú)需外部晶振;同時(shí)，使用官方的Bosch 模塊，方便客戶(hù)使用。

采用F500和F30的汽車(chē)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，該系統中有一個(gè)主節點(diǎn)，由F500 MCU做主控制器，同時(shí)包含3個(gè)從節點(diǎn)，使用性能更低一些的F30來(lái)實(shí)現。該方案所要實(shí)現的功能是，通過(guò)駕駛員側窗控制器來(lái)控制所有的汽車(chē)窗戶(hù)，同時(shí)在每個(gè)從節點(diǎn)上面都分布了一個(gè)防夾算法，在每個(gè)車(chē)門(mén)上都有一個(gè)阻力傳感器和車(chē)窗的位置傳感器，電動(dòng)車(chē)窗的模塊通過(guò)接收這兩個(gè)傳感器的信號來(lái)判斷是否有物體阻礙了車(chē)窗的上升，如果判斷結果是“有”，那么電動(dòng)車(chē)窗控制模塊就會(huì )反轉驅動(dòng)電機使車(chē)窗下降以防止夾傷。

圖5 主窗口升降控制器

方案2——自動(dòng)座椅的調整

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

圖6 自動(dòng)座椅調整方案

問(wèn)答選編

問(wèn)：CAN和LIN總線(xiàn)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(xiàn)，CAN的速度可以達到1M而LIN只能達到20K。所以，CAN可以用于高速系統，LIN只能用于低速。而且一般在汽車(chē)電子中，CAN用于連接ECU和控制模塊，而LIN則用來(lái)連接模塊與功能節點(diǎn)之間的通訊。

問(wèn)：請問(wèn)LIN外設與UART0的主要差別在哪里?

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

問(wèn)：系統時(shí)鐘切換到外部時(shí)鐘后，內部的時(shí)鐘是否應關(guān)閉?

答：主時(shí)鐘需要關(guān)閉。

問(wèn)：LIN總線(xiàn)的串行傳輸是在單線(xiàn)上完成，那么進(jìn)行數據傳輸時(shí)效率如何?

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

問(wèn)：能談?wù)凜AN總線(xiàn)與MIC總線(xiàn)性能對比嗎?

答：MIC總線(xiàn)是一種時(shí)間分割多路傳輸總線(xiàn)，以雙冗余串行通信的方式傳輸數據，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，對浪涌等共模干擾抑制能力很強。

問(wèn)：LIN總線(xiàn)的從節點(diǎn)如何實(shí)現同步?

答：所有的節點(diǎn)都是由主節點(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的主要加密方式嗎?

答：在MCU的Flash中有一個(gè)加密字節，這個(gè)字節的每一位對應一頁(yè)的加密。沒(méi)有加密時(shí)，這個(gè)字節默認是FFH，當要對某頁(yè)進(jìn)行加密時(shí)，只需要將相應的位寫(xiě)：0。一旦寫(xiě)0后，相應的空間就不能通過(guò)一些工具從外部進(jìn)行讀寫(xiě)了。另外，利用MCU自己的FIRMWARE也可以對FLASH進(jìn)行加密，而不影響對加密空間的訪(fǎng)問(wèn)。

問(wèn)：用戶(hù)最大的程序代碼可以多大?

答：最大4K字節。

問(wèn)：切換外部晶振時(shí)應注意哪些問(wèn)題?

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

問(wèn)：系統時(shí)鐘可不可以在程序中隨時(shí)切換?

答：系統時(shí)鐘可以在程序中實(shí)時(shí)切換。這種功能對低功耗設計很有幫助。當需要高速運行時(shí)，使用內部高速時(shí)鐘;當需要低速運行時(shí)，切換到外部時(shí)鐘，以節省功耗(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)、數據線(xiàn)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，出現帶內的Spur，無(wú)法濾除。請問(wèn)有沒(méi)有好的解決方法?

答：PCB設計的時(shí)候把數據線(xiàn)和射頻線(xiàn)用地隔開(kāi)，盡量放的遠一些。另外，不要平行布線(xiàn)。

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

答：汽車(chē)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，在設計的時(shí)候要充分估計這種影響，并采取適當的方式降低這種影響;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)保護功能：低電壓偵測和系統時(shí)鐘丟失偵測。當MCU的供電電壓和系統時(shí)鐘出現異常時(shí)，會(huì )強行讓MCU處在復位狀態(tài)，從而起到保護作用。強烈建議在使用C8051F MCU進(jìn)行設計時(shí)，將這兩個(gè)功能使能。