汽車(chē)MCU的汽車(chē)儀表板及車(chē)身控制設計應用

引言

在現在的汽車(chē)設計中，人們越來(lái)越注重智能和環(huán)保這兩個(gè)方面。因為智能化的汽車(chē)可以為人們帶來(lái)高度的安全性和舒適感，在環(huán)保方面，通過(guò)使用數字技術(shù)達到節能省碳的目的。因此，數字化程度在汽車(chē)領(lǐng)域也愈來(lái)愈深，大到動(dòng)力傳動(dòng)系統，小到車(chē)載娛樂(lè )系統，無(wú)處不見(jiàn)電子組件的身影，它們被廣泛應用在感測和操控上。

在汽車(chē)電子的各個(gè)系統當中，往往需要采用微控制器（MCU）做為運作控制的核心，而汽車(chē)對電子系統的倚重，也刺激車(chē)用微控制器市場(chǎng)的快速成長(cháng)。車(chē)用微控器涵蓋8位、16位、32位等低、中、高階產(chǎn)品等級，各有其適合的應用系統，大致如下：

8位MCU：主要應用于車(chē)體的各個(gè)次系統，包括風(fēng)扇控制、空調控制、雨刷、天窗、車(chē)窗升降、低階儀表板、集線(xiàn)盒、座椅控制、門(mén)控模塊等較低階的控制功能。

16位MCU：主要應用為動(dòng)力傳動(dòng)系統，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統等；也適合用于底盤(pán)機構上，如懸吊系統、電子式動(dòng)力方向盤(pán)、扭力分散控制，和電子幫浦、電子剎車(chē)等。

32位MCU：主要應用包括儀表板控制、車(chē)身控制、多媒體信息系統（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新興的智能性和實(shí)時(shí)性的安全系統及動(dòng)力系統，如預碰撞（Pre- crash）、自適應巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統、電子穩定程序等安全功能，以及復雜的X-by-wire等傳動(dòng)功能。

1 車(chē)用MCU常見(jiàn)接口

CAN和LIN是比較常見(jiàn)的接口。

隨著(zhù)今日汽車(chē)對應用功能的要求愈來(lái)愈高，需整合的系統也愈來(lái)愈復雜，使得汽車(chē)電子系統對于高階32位 MCU的需求不斷提升。這類(lèi)車(chē)用MCU往往被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴重的運作環(huán)境，因此對耐受性的要求遠高于一般用途的MCU。此外，在汽車(chē)的應用環(huán)境中，車(chē)用MCU必須與多個(gè)車(chē)用電子控制裝置（ECU）相連結，其中最常見(jiàn)的傳輸接口為CAN和LIN。

CAN又分為高速CAN和低速CAN,高速CAN的傳輸率可以達到1 Mbps,適用于A(yíng)BS、EMS等強調實(shí)時(shí)反應的應用；低速CAN則可達到125 Kbps,適合較低速的車(chē)體零件控制。此外，CAN控制器的型式可分為舊型的1.x、標準型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的規格效能自然愈好，其中 2.0B又可分為被動(dòng)（passive）型式和主動(dòng)（active）型式。

LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，采用一個(gè)主節點(diǎn)、多個(gè)從節點(diǎn)的概念（最多支持16個(gè)節點(diǎn)），可達 20 kbps數據傳輸率，總線(xiàn)電纜的長(cháng)度最多可以擴展到40公尺。它很適合做為空調控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）、車(chē)門(mén)模塊（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等較單純系統的分布式通訊解決方案。

以下將介紹應用于儀表板控制及車(chē)身控制的新一代MCU技術(shù)，并以富士通新一代的MB91770系列和MB91725系列新型微控制器做為設計參考。請參考（圖一）。

圖1　儀表盤(pán)控制及車(chē)身控制MCU在汽車(chē)中的應用（以MB91770系列和MB91725系列為例）

2 汽車(chē)儀表板及車(chē)身控制設計要領(lǐng)

汽車(chē)的儀表板為駕駛提供各種實(shí)時(shí)的視覺(jué)信息，這些信息是輔助決策的重要參考，必須快速且準確無(wú)誤的傳遞給駕駛員知道。此外，汽車(chē)中的空調及車(chē)身控制模塊（BCM）系統，負責為駕駛及乘客提供舒適的乘車(chē)環(huán)境。其中空調系統過(guò)執行最佳控制將汽車(chē)內部的溫度迅速降至較為舒適的水平，并根據來(lái)自于各個(gè)傳感器的信息保持舒適的車(chē)內溫度。BCM系統則可以集中控制多個(gè)ECU,如車(chē)門(mén)、座椅和組合開(kāi)關(guān)等。

不論是儀表盤(pán)控制或車(chē)身控制的MCU,都必須提供更高的處理性能、處理大量網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的能力、支持多種外圍連接的接口功能、可擴展電路板布局范圍的功能、先進(jìn)的內存架構，以及更便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2.1 高處理性能

MCU要提升處理性能，必須從其核心及軟、硬件系統架構下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例，它的工作性能達到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的處理效能；因具有內置式單精度浮點(diǎn)運算單元（FPU），能夠滿(mǎn)足圖像處理系統和那些需要浮點(diǎn)操作功能的系統（如制動(dòng)器控制）要求。此外，透過(guò)硬件式的FPU支持，能夠簡(jiǎn)化軟件程序并提升運算性能。

2.2 大量網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)處理能力

今日汽車(chē)中的CAN網(wǎng)絡(luò )內存在著(zhù)大量的內置式ECU,它們的規模隨著(zhù)節點(diǎn)數量的增加而不斷擴大，因此車(chē)用MCU必須支持更多的訊息緩沖器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供達32個(gè)內置式訊息緩沖器，但現在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來(lái)說(shuō)，已能支持達64個(gè)內置式訊息緩沖器，而且支持CAN 2.0A/B規格及提供1Mbps的高傳輸率。

2.3 廣泛接口支持能力

車(chē)用MCU連接的外圍相當多樣，而連接的接口可能是UART、頻率同步串行、LIN-UART 和 I2C,因此必須具備彈性的接口連接能力。為了滿(mǎn)足此需求，富士通將內置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透過(guò)軟件方式來(lái)切換上述各種接口，以靈活支持外部組件的通信規范，并提高系統設計的自由度。新系列MCU還提供LIN-UART 的6條通道，從而能夠與更多控制單元進(jìn)行通信；其中MB91725系列因具有定時(shí)器功能的多條信道和 A/D 轉換器，更容易達成各種功能的整合。請參考（圖2）。

圖2　使用序列接口達成彈性的通信接口功能整合

2.4 可擴展電路板布局范圍的功能

由于車(chē)用電路板系統的布局設計方式相當多樣，車(chē)用MCU必須能滿(mǎn)足這些設計的需求。一些可行的作法包括為外部總線(xiàn)接口終端配置獨立電源，使得ECU板上無(wú)需再安裝電平轉換器。此一外部總線(xiàn)接口終端的電源范圍要廣（如涵蓋3.0V至5.5V），進(jìn)而能彈性地和單元內存或圖像用ASIC相連。

另一個(gè)作法是讓MCU具備內置式I/O再分配的功能，透過(guò)軟件設置即可改變I/O連接埠的分配。如此一來(lái)，設計者可以更彈性地與特定外圍相連結，進(jìn)而大幅提升電路板布局的自由度。

2.5 先進(jìn)的內存架構

為了提升工作處理彈性，今日車(chē)用微控制器的系統中往往會(huì )內置嵌入式內存（Flash）。過(guò)去只將Flash用于程序儲存，新一代MCU的架構中也加入數據用的Flash。此架構不僅能提高數據寫(xiě)入速度，因不再需要E2PROM,也能縮小電路板的面積。此外，將數據與程序同時(shí)儲存于微控制器的Flash內存中，也有助于防止信息的泄露。

2.6 更便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境

一般產(chǎn)品必須利用ICE主單元和驗證用評估芯片來(lái)進(jìn)行系統檢驗，為了降低驗證的復雜度，我們?yōu)樾乱淮鶰CU產(chǎn)品提供芯片上（on-chip）的偵錯方式。它采用單線(xiàn)調試接口，可以實(shí)現汽車(chē)評估或一致性測試，并且能夠利用通用同軸電纜、在高達10米的范圍內實(shí)現小型 ICE 主單元和目標電路板之間的通信。這可以簡(jiǎn)化按照常規難以實(shí)現的汽車(chē)評估。

圖3　運用芯片上偵錯實(shí)現汽車(chē)評估

3 結論

電子系統在汽車(chē)中的應用越來(lái)越復雜，車(chē)用MCU也發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。由于汽車(chē)儀表板和車(chē)身控制設計，必須以為駕駛者提供精準的信息和提供舒適的乘車(chē)體驗為前提，因此，MCU必須滿(mǎn)足更高的性能和設計的要求，為開(kāi)發(fā)應用帶來(lái)幫助。