連接車(chē)載應用與系統，深度解析汽車(chē)接口技術(shù)

　　作者：

　　James Goings，射頻與汽車(chē)應用經(jīng)理

　　Timothy Grai，射頻與汽車(chē)應用經(jīng)理

　　Juergen Strohal，射頻與汽車(chē)應用經(jīng)理

　　摘要

　　汽車(chē)制造商一直熱衷于利用信息娛樂(lè )、舒適控制等電子系統為他們的高端品牌增添價(jià)值。那些曾專(zhuān)屬于高端車(chē)型的功能配置現在正成為暢銷(xiāo)量產(chǎn)車(chē)型的標配。汽車(chē)電子系統現已被視為一項重要的差異競爭力。因此，微控制器正成為汽車(chē)中無(wú)處不在的器件。目前，汽車(chē)電子系統設計工程師面臨的一大挑戰是如何確保汽車(chē)中各個(gè)應用和系統之間的通信。其中的關(guān)鍵就是接口。

　　本文重點(diǎn)闡述三個(gè)領(lǐng)域的汽車(chē)電子應用，并探討所需連接及其實(shí)現方式，以及工程師可能遇到的與應用有關(guān)的挑戰。

　　前言

　　在汽車(chē)中使用各種電子系統的趨勢日漸增強。在所有汽車(chē)類(lèi)別和車(chē)型中，這些系統已變得無(wú)處不在。電子系統已不再為高端車(chē)型所專(zhuān)有，使用電子系統實(shí)現汽車(chē)的每一項功能和特性已被視為促使某個(gè)品牌脫穎而出的一種方式。據《2013年汽車(chē)電氣與電子系統報告》估算，電子系統的成本占傳統車(chē)型總成本的40%，占電動(dòng)及混合車(chē)型總成本的75%。

　　芯片公司集成眾多復雜功能的能力是促進(jìn)這種增長(cháng)的主要動(dòng)力之一。實(shí)現控制、信息娛樂(lè )和其它應用的所需集成度意味著(zhù)，傳統線(xiàn)束的某些部分已被各種用于整合目的的網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)替代。

　　連接各種汽車(chē)應用的常用方法

　　兩種常見(jiàn)的汽車(chē)應用網(wǎng)絡(luò )標準是CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò )）和LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )）。為了最大程度減少布線(xiàn)，這兩種協(xié)議均采用串行通信方式。任何一輛現代汽車(chē)中都能找到采用這兩種標準的多個(gè)網(wǎng)絡(luò )，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )負責特定的應用領(lǐng)域。CAN網(wǎng)絡(luò )擁有一個(gè)多主節點(diǎn)拓撲結構，因此，被用于連接多個(gè)電子控制單元（ECU）。與此相反，LIN總線(xiàn)支持一個(gè)單主節點(diǎn)拓撲結構，因此，通常被用于將一個(gè)主用ECU與一個(gè)或多個(gè)智能程度較低的專(zhuān)用從節點(diǎn)互連在一起。

　　CAN總線(xiàn)的一種常見(jiàn)實(shí)現方式是采用非歸零（NRZ）編碼的平衡差分2線(xiàn)接口。其典型數據速率最高可達1 Mb/s。它采用一種異步方法向網(wǎng)絡(luò )中的所有節點(diǎn)廣播報文。只要總線(xiàn)空閑，任何節點(diǎn)都可以發(fā)送報文。它采用一種無(wú)需重試的沖突仲裁及解決方法，可確保優(yōu)先級最高的報文被發(fā)送出去。CAN標準（ISO11898）定義了四種不同的報文類(lèi)型：數據幀、遠程傳輸請求幀、錯誤幀和過(guò)載幀。

　　CAN提供了一種可互連多個(gè)控制器的快速、靈活、全面的方法，能夠讓各類(lèi)應用共享傳感器輸入和其它數據。盡管如此，對于車(chē)窗控制等較為簡(jiǎn)單的應用而言，汽車(chē)制造商認為其較高的速度和多功能性是沒(méi)有必要的，而且其實(shí)現成本也過(guò)于高昂。LIN協(xié)會(huì )于1999年由多家領(lǐng)先的汽車(chē)制造商創(chuàng )建。LIN提供一條單線(xiàn)總線(xiàn)，該總線(xiàn)遵從ISO9141規范的一個(gè)增強版本，后者自上世紀八十年代起一直被用于實(shí)現車(chē)載診斷功能。一條LIN總線(xiàn)上只能有一個(gè)主節點(diǎn)，但可以有一個(gè)或多個(gè)從節點(diǎn)。典型數據速率為20 kb/s或更低，這也有助于將電磁干擾降至最低。低成本的LIN系統通常被用于汽車(chē)的舒適、傳感器和致動(dòng)器應用。

　　圖1顯示了各種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)類(lèi)型以及它們的典型數據速率和相對的每節點(diǎn)成本。

　　圖1 – 各種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的每節點(diǎn)成本對比

　　為了滿(mǎn)足汽車(chē)電子系統設計人員的需求，Atmel可為他們提供一整套支持CAN和LIN應用的器件。Atmel的LIN產(chǎn)品組合包括獨立收發(fā)器、集成了一個(gè)收發(fā)器、一個(gè)穩壓器和其它功能的系統基礎芯片（SBC）以及基于Atmel AVR微控制器的系統級封裝與專(zhuān)用（ASSP）器件。Atmel的器件采用BiPolar CMOS、CMOS和DMOS（BCD on SOI技術(shù)）。它們結合高壓能力和絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，實(shí)現了高溫運行、極低的泄露電流和抗閂鎖能力。

　　圖2 – 汽車(chē)LIN應用舉例

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　　高壓

　　圖2列出了采用LIN連接的一些應用實(shí)例。這些應用通常需要能夠直接使用汽車(chē)電瓶電壓高效地控制各種12V機械致動(dòng)器的高壓器件。應用實(shí)例包括：車(chē)窗升降、車(chē)座位置調整、雨刮器和渦輪增壓器襟翼控制。芯片上通常內置驅動(dòng)器，可提供高達1安培的電流。此外，還需要使用外置MOSFET。由于微控制器不能直接驅動(dòng)外置MOSFET，因此必須使用內置柵極驅動(dòng)器，常見(jiàn)的例子是H橋和B6柵極驅動(dòng)器。用于控制這些應用的任何微控制器均需使用一個(gè)低于汽車(chē)電瓶電壓的工作電壓，因此，通常需要使用一個(gè)低壓降穩壓器為MCU提供穩定電壓。

　　一個(gè)8位Atmel微控制器通常在一個(gè)由10－16個(gè)LIN從節點(diǎn)組成的小集群中工作，我們可以將其用于這些應用，同時(shí)確保所要求的響應時(shí)間。

　　抗擾能力有可能對LIN應用構成一大挑戰。這是因為L(cháng)IN總線(xiàn)可能長(cháng)達幾米，暴露于電子噪聲環(huán)境。Atmel的器件具備異?？煽康腅MC/EMI（電磁兼容/電磁干擾）特性以及6 kV的ESD（靜電放電）抗擾度。汽車(chē)制造商規定必須遵從一些通用標準，而Atmel的器件通過(guò)了這些標準的認證。Atmel在其故障安全型LIN器件中采用一種非?？煽康腟OI技術(shù)。Atmel的某些LIN器件在硬件中實(shí)現了LIN協(xié)議軟件棧的最底層。這不僅有助于大幅減少那些成本敏感型應用的物料清單（BoM），而且還能為應用釋放大量閃存空間。除此之外，Atmel還與一些領(lǐng)先的行業(yè)合作伙伴開(kāi)展合作，以確保提供完整的生產(chǎn)級質(zhì)量的LIN協(xié)議軟件棧。

　　圖3 – 小型直流電動(dòng)機的H橋控制

　　Atmel最新推出的系統基礎芯片ATA664151便于設計人員為L(cháng)IN總線(xiàn)系統開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉而強大的主從節點(diǎn)。它內置一個(gè)8信道高壓接口、一個(gè)遵從LIN 2.2a和SAEJ2602-2的LIN收發(fā)器、一個(gè)可調Window Watchdog和一個(gè)低壓降穩壓器，可提供5V輸出電壓和高達80mA的電流。Atmel ATA664151專(zhuān)為L(cháng)IN開(kāi)關(guān)應用而設計，并將幾乎整個(gè)LIN節點(diǎn)集成到一個(gè)封裝中。 ATA664151的強大功能集使其對于LED控制、繼電器控制、外置晶體管控制等其它眾多應用也頗具價(jià)值。設計人員可以方便靈活地配置ATA664151的高壓端口，使其完美匹配所需應用。此外，ATA664151還具備各種可提高系統魯棒性和可靠性的功能，如過(guò)壓和欠壓檢測、過(guò)熱檢測、高壓端口和電源電壓測量等。

　　圖3顯示了一個(gè)采用ATA664151的電動(dòng)機控制應用示例。該設計在車(chē)窗升降應用中可能較為常見(jiàn)，其中繼電器用于為一個(gè)直流電動(dòng)機提供雙向驅動(dòng)電流。該設計利用ATA664151的并行輸出能力提高繼電器的電流驅動(dòng)能力。如該例所示，僅僅使用ATA664151、一個(gè)Atmel主控MCU和幾個(gè)無(wú)源組件，我們就能設計出一個(gè)通過(guò)LIN連接的ECU。為了簡(jiǎn)化設計，我們也可以將ATA664151和一個(gè)Atmel ATtiny167 MCU集成到一個(gè)封裝中。

　　汽車(chē)門(mén)禁

　　另一個(gè)增長(cháng)迅猛并被消費者廣泛接受的汽車(chē)電子領(lǐng)域就是汽車(chē)門(mén)禁系統。無(wú)線(xiàn)接口是實(shí)現這些系統的技術(shù)：1）300-900MHz范圍內的射頻（RF）和2）100-150KHz范圍內的低頻（LF）。每個(gè)接口都具有獨特、非常適合這些應用的屬性和特點(diǎn)。RF通信接口通常傳輸距離較遠（30-300米），而且允許使用多種降噪技術(shù)來(lái)確?？煽康臄祿粨Q。LF通信接口的傳輸距離通常要小很多（對于接收應用，小于10米；對于收發(fā)應用，小于《 0.05米），能夠從低頻電磁場(chǎng)采集能量，并可使用遠低于RF所要求的電流進(jìn)行調制和解調。

　　Atmel從一開(kāi)始就一直在為RKE系統提供RF發(fā)射器和接收器。隨著(zhù)OEM廠(chǎng)商要求增加傳輸距離、提高可靠性和降低功耗的呼聲日益增高，Atmel繼續致力于提供能力更強的新型發(fā)射器、接收器和收發(fā)器。目前包括集成高效的微控制器技術(shù)，為門(mén)禁應用打造超低功耗的單芯片解決方案，其中包括高效、超低電流的微控制器技術(shù)。RKE車(chē)鑰匙發(fā)射器的一個(gè)例子是ATA557x系列。如圖4所示，它集成了一個(gè)Atmel微控制器、4K用戶(hù)內存和一個(gè)固定N型PLL RF發(fā)射器。

　　圖4 – 用于實(shí)現RKE功能的ATA577x車(chē)鑰匙原理圖

　　當今的汽車(chē)門(mén)禁系統還能提供發(fā)動(dòng)機防盜鎖止（IMMO）和無(wú)源開(kāi)鎖/無(wú)源啟動(dòng)（PEPS）功能。RKE完全依賴(lài)于射頻（RF）實(shí)現無(wú)線(xiàn)操作，而IMMO和PEPS則使用低頻（LF）。配備IMMO功能的車(chē)鑰匙必須能夠在不使用電池的情況下“收聽(tīng)”和“回應”汽車(chē)發(fā)起的查詢(xún)。這要求鑰匙中的控制電子元件能夠利用從汽車(chē)產(chǎn)生的LF電磁場(chǎng)采集的微乎其微的電能來(lái)運行。為了讓汽車(chē)能夠對鑰匙進(jìn)行身份驗證，需要使用安全性極高的高級加密標準（AES）。

　　圖5顯示了Atmel的另一個(gè)高集成度器件。如圖所示，只需很少的外部元件就能實(shí)現具備RKE和IMMO功能的車(chē)鑰匙。ATA5795包含一個(gè)微控制器、安全的EEPROM、轉發(fā)器和一個(gè)可對輸出功率、頻率和調制參數進(jìn)行編程的RF發(fā)射器。注：即使紐扣電池耗盡電量，IMMO也完全能夠正常工作。

　　圖5 – 用于實(shí)現RKE和IMMO功能的ATA5795車(chē)鑰匙原理圖

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　　PEPS最近越來(lái)越受歡迎，這不僅因為它具備便利性（用戶(hù)再也不需要在兜里摸索鑰匙，然后按開(kāi)門(mén)鍵解鎖車(chē)門(mén)），而且因為消費者越來(lái)越能夠接受從“擰鑰匙啟動(dòng)車(chē)輛”到“一鍵啟動(dòng)車(chē)輛”的范式轉變。PEPS系統結合使用了LF和RF無(wú)線(xiàn)技術(shù)。人們對于PEPS系統尤其感興趣的是，要求其能夠測量車(chē)鑰匙相對于汽車(chē)的位置。一旦獲得該信息，汽車(chē)就能解鎖車(chē)門(mén)（車(chē)鑰匙位于車(chē)外），防止意外鎖車(chē)（車(chē)鑰匙位于車(chē)內），或允許用戶(hù)啟動(dòng)車(chē)輛（車(chē)鑰匙位于車(chē)內）。

　　在認識到消費者對系統解決方案－而不僅僅是對“芯片”－感興趣之后，Atmel幾年前開(kāi)始著(zhù)手開(kāi)發(fā)可在其上開(kāi)發(fā)RKE、IMMO和PEPS系統的無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議棧，并免費向客戶(hù)提供這些協(xié)議棧。所有協(xié)議棧均向客戶(hù)免費開(kāi)放和提供，允許客戶(hù)在他們的系統中使用和/或修改它們。這一舉措促進(jìn)了競爭和互操作性，讓市場(chǎng)各方力量能夠為消費者降低系統成本。此外，它還將這些協(xié)議棧公之于眾，供專(zhuān)家進(jìn)行同行評審，以便改進(jìn)協(xié)議抵御外部攻擊的能力。所有協(xié)議棧均采用128位AES加密算法進(jìn)行安全快速的身份驗證，而且每一個(gè)協(xié)議棧均具備獨特的可配置性，可提高設計靈活性。

　　為了協(xié)助工程師開(kāi)發(fā)汽車(chē)門(mén)禁設計，Atmel還提供ATAK51003評估工具包，它是一個(gè)完整的系統參考設計，可為遙控無(wú)鑰匙門(mén)禁（RKE）、無(wú)源開(kāi)鎖/無(wú)源啟動(dòng)（PEPS）和發(fā)動(dòng)機防盜鎖止（IMMO）應用提供最新的器件和開(kāi)源無(wú)線(xiàn)協(xié)議。

　　人機接口/信息娛樂(lè )/觸控

　　近年來(lái)經(jīng)歷了重大創(chuàng )新的一個(gè)汽車(chē)電子領(lǐng)域就是觸控感測技術(shù)，它極大改變了用戶(hù)與各種車(chē)輛控制功能之間的交互方式。無(wú)論它們通過(guò)什么方式實(shí)現－按鍵、輪子、滑塊、觸摸板或觸摸屏，觸控感測控制技術(shù)正逐漸滲透到眾多應用之中。這些應用最初被用于導航和信息娛樂(lè )，目前則包括車(chē)內氣候控制以及中控面板上的其它控制功能。這些功能可替代傳統開(kāi)關(guān)，或借助按壓機械按鍵之前的觸控預感測功能改進(jìn)這些開(kāi)關(guān)。

　　近距感測功能用于在用戶(hù)手指靠近模塊時(shí)喚醒它。例如，位于車(chē)門(mén)把手中的近距傳感器現在可用于喚醒和啟動(dòng)用于驗證用戶(hù)車(chē)鑰匙的無(wú)源開(kāi)鎖系統。

　　圖6 – 汽車(chē)觸控應用舉例

　　Atmel提供一系列通過(guò)汽車(chē)認證、性能卓越、響應迅速、定位精準、甚至支持戴手套操作的觸摸屏控制器。maXTouch系列觸摸屏控制器最大支持16點(diǎn)觸控和14英寸及以上的觸摸屏，并可在−40至+105°C的溫度范圍內工作。

　　對于大多數基于觸摸屏或觸摸板的應用而言，抗擾能力是一個(gè)主要問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)觸摸屏控制器中的多種濾波算法加以解決，它們可以確保觸摸屏即使在噪聲很大的環(huán)境中依然能夠平穩運行。將某個(gè)觸摸屏應用連接至一個(gè)ECU時(shí)，需要使用CAN總線(xiàn)，因為對于此類(lèi)應用而言，LIN的傳輸速率太低。只要它們位于同一輛汽車(chē)上，觸控感測控制器通常通過(guò)I2C或SPI與主控MCU/MPU通信。

　　Atmel有一個(gè)名為AvantCar™（見(jiàn)圖7）的技術(shù)展示概念，它是一個(gè)全功能的汽車(chē)中控臺。該中控臺配有兩個(gè)大型弧形觸摸屏顯示器，但沒(méi)有配備機械按鍵。它采用了XSense®觸摸傳感器、maXTouch®控制器、QTouch®技術(shù)、通過(guò)汽車(chē)認證的MCU以及用于控制環(huán)境照明的LIN驅動(dòng)器。

　　圖7 – Atmel的AvantCar中控臺概念

　　結束語(yǔ)

　　從今以后，汽車(chē)OEM廠(chǎng)商將尋求集成更多的控制功能。一輛現代汽車(chē)可能配有多達50個(gè)或更多的ECU、多條CAN總線(xiàn)和更多的LIN總線(xiàn)。整合多種ECU功能將給可用的總線(xiàn)帶寬帶來(lái)更大壓力，并有可能加快CAN-FD、FlexRay、Ethernet等其它總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)上的應用。FlexRay擁有一個(gè)差分總線(xiàn)拓撲結構，速率高達10 Mb/s。汽車(chē)Ethernet提供100 Mb/s的數據速率。CAN總線(xiàn)的衍生品包括CAN-FD和CAN-PN，它們也在汽車(chē)電子應用領(lǐng)域找到了立足之地。作為我司基因的一部分，我們將繼續運用我們的技術(shù)和專(zhuān)業(yè)知識，推動(dòng)這些應用領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。

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