如何解決汽車(chē)車(chē)身控制設計的三大挑戰

　　汽車(chē)制造商面臨著(zhù)使汽車(chē)更安全、更智能及能效更高的挑戰，這進(jìn)而推動(dòng)汽車(chē)電子技術(shù)的不斷發(fā)展。電子產(chǎn)品一直是汽車(chē)內容中增長(cháng)最快的部分，超過(guò)了機械、氣動(dòng)和水力。

　　嵌入式系統設計人員不斷開(kāi)發(fā)新的電子控制模塊(ECM)，以實(shí)現滿(mǎn)足駕駛人員希望的汽車(chē)功能。對更高安全性、舒適性、保密性以及駕駛人員信息應用的不斷增長(cháng)的需求是汽車(chē)電子增長(cháng)的主要原因。這種增長(cháng)同時(shí)受到消費者喜好和政府相關(guān)法規的激勵，此外，由于全球市場(chǎng)競爭激烈，OEM對成本十分敏感。

　　基于閃存、高度集成的功率管理微控制器(MCU)不僅是ECM的基礎，同時(shí)還可幫助嵌入式系統設計人員克服在實(shí)現新功能時(shí)所遇到的重大挑戰。這些挑戰范圍廣泛，從功耗和空間受限到用于診斷功能的ECM連接，同時(shí)還要保證成本效益。子系統供應商一直與自己的供應商合作開(kāi)發(fā)可靠且具成本效益的創(chuàng )新性解決方案。利用具競爭力的解決方案來(lái)解決這些挑戰是當前汽車(chē)嵌入式系統設計人員普遍采用的方法。

　　挑戰一：滿(mǎn)足功率預算

　　隨著(zhù)越來(lái)越多的電子產(chǎn)品滲入到汽車(chē)內部應用領(lǐng)域，ECM的數目不斷增加，這使得汽車(chē)功率預算非常緊張。某些較高端的汽車(chē)甚至可能帶有80多個(gè)ECM，這意味

　　著(zhù)電流負載也在不斷加重?？朔@一挑戰的方法之一是增大電池尺寸來(lái)滿(mǎn)足不斷提高的功率要求。然而，在空間有限，并且重量也是關(guān)鍵因素的環(huán)境中，采用更大尺寸的電池并不總是很好的折衷方案，因為它對燃油消耗方面有負面影響。

　　一種更好的替代方案是降低這些ECM模塊在汽車(chē)引擎熄火時(shí)的功耗要求。隨著(zhù)汽車(chē)熄火時(shí)電源負載越來(lái)越多，如自動(dòng)車(chē)門(mén)開(kāi)啟(Keyless Entry)和信息娛樂(lè )系統等，汽車(chē)OEM已開(kāi)始收緊熄火時(shí)的功率預算，要求每個(gè)ECM的功率預算不超過(guò)1mA。功率管理微控制器系列可為嵌入式設計人員提高供有力的幫助，無(wú)需犧牲性能就能實(shí)現高價(jià)值的能效工作。

　　功率管理微控制器無(wú)需外部元件，為設計人員提供了片上閃存、最大的系統效率、更強的系統穩健性和最低的成本與板空間。多個(gè)功率管理模式為設計人員提供了在不同模式間切換，以及在應用軟件中整合節能程序的靈活性。這些創(chuàng )新性解決方案被開(kāi)發(fā)來(lái)讓微控制器能夠更高效地執行功率管理任務(wù)，是備受汽車(chē)嵌入式系統設計人員歡迎的有力工具。微控制器在其工作頻率范圍上提供靈活的功率管理技術(shù)正是設計人員所希望的。功率管理微控制器必須具有通用性，給予設計人員技術(shù)可行性、成本效益方面的多種選擇，以解決與先進(jìn)汽車(chē)車(chē)身控制系統可靠的低功率工作相關(guān)的復雜挑戰。表1總結了微控制器的功率管理功能，可供設計人員為其車(chē)身控制電子模塊選擇微控制器系列時(shí)參考。

　　理想的微控制器系列應該為設計人員提供一個(gè)能夠創(chuàng )建創(chuàng )新性節能程序的平臺。該平臺應該包括豐富的片上外設，比如可選振蕩器和多個(gè)晶振模式、外部時(shí)鐘模式、外部RC振蕩器模式，以及可在軟件控制下生成多個(gè)時(shí)鐘頻率的內部振蕩器模塊。圖1即是一個(gè)基于功率管理微控制器的節能實(shí)例。

　　低功率和可靠工作是車(chē)身控制ECM開(kāi)發(fā)的主要考慮事項。圖2所示為功率管理微控制器實(shí)現靈活控制和最佳低功率工作以把總體電流消耗將成本減至最小并降低功耗所需要的功能范圍。

　　用于可靠的低功率工作的主要片上構建模塊包括一個(gè)內部振蕩器、睡眠模式、上電復位(POR)功能、掉電復位(BOR)、器件復位定時(shí)器(DRT)以及上電復位定時(shí)器(PWRT)。內部振蕩器對滿(mǎn)足功率管理微控制器的必需性能要求至關(guān)重要。內部振蕩器的性能可調，同時(shí)在電壓和溫度范圍上具有穩定性，故可提供大量選擇，從而讓設計人員得以更嚴格地控制ECM的功耗，適應在線(xiàn)變化，減少外部元件數目，最終降低成本，提高性能。

　　在不活動(dòng)期間，睡眠模式可把微控制器置于睡眠狀態(tài)，將平均功耗降至最低，只在必需執行指定任務(wù)時(shí)才予以激活。DRT或PWRT都基于一個(gè)內部定時(shí)器，其使微控制器保持在復位狀態(tài)，并留有足夠的時(shí)間讓電源電壓和內部振蕩器穩定。POR基于內部電路，可確保微控制器的電源電壓在釋放DRT之前達到最小電壓值。當電源電壓尖峰低于額定工作電壓時(shí)，BOR通過(guò)使微控制器復位來(lái)確保微控制器的可靠工作。功率管理微控制器為設計人員提供了充分的靈活性，讓他們能夠針對自己的項目創(chuàng )建電流消耗最小化、功耗更低的嵌入式解決方案。

　　挑戰二：在空間有限的環(huán)境中滿(mǎn)足性能要求

　　車(chē)身控制ECM應用增長(cháng)的主要原因是由于汽車(chē)制造商希望滿(mǎn)足汽車(chē)目標開(kāi)戶(hù)的功能要求。而ECM增加的結果是可用空間越來(lái)越有限。設計人員期望微控制器的使用能夠實(shí)現很高的片上外設集成度(包括數字和模擬)，以支持節省空間的總體目標。圖3顯示了利用當前市場(chǎng)上常見(jiàn)控制器系列可實(shí)現的片上外設范圍。

　　微控制器架構對于支持軟件移植至為關(guān)鍵。業(yè)界比較流行的微控制器架構可支持多種移植路徑，在此，它們的向上兼容能力可優(yōu)化處理效率和性能。例如，PIC微控制器架構整合了RISC功能和一個(gè)改良Harvard雙總線(xiàn)架構，指令和數據通過(guò)獨立的總線(xiàn)傳輸，從而避免了瓶頸問(wèn)題處理，提高了總體系統性能。

　　強大的移植兼容能力支持工程模塊的復用性，這有助于節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和總體成本。兼容能力對微控制器設計的復用非常重要。微控制器系列的標準化引腳布局支持代碼庫的開(kāi)發(fā)，可用于大范圍的應用，十分受設計人員歡迎。一個(gè)提供了插座、軟件以及外設兼容能力的微控制器架構可為設計人員提供出色的靈活性。例如，每只引腳都可以用于幾種外設功能，因此設計人員不必改動(dòng)印刷電路板設計即可增加或切換不同的功能。最終結果是最小化甚至消除了重新設計的成本。

　　復用經(jīng)過(guò)驗證的工程模塊不僅可節省時(shí)間和成本，還可以直接提高總體系統質(zhì)量，因為工程師可借鑒以前設計的經(jīng)驗，并在目前設計中應用已有成果。最終，兼容能力和復用能力提高了總體的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率，在目前有經(jīng)驗的嵌入式設計人員缺乏的情況下，這是至關(guān)重要的。

　　挑戰三：為車(chē)內多種ECM提供具成本效益的連接

　　汽車(chē)內部日益增多的ECM形成了一個(gè)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )環(huán)境。車(chē)身控制電子模塊可提高車(chē)內乘員的舒適性和安全性。對汽車(chē)制

　　造商而言，先進(jìn)的車(chē)身控制模塊是生產(chǎn)出更智能化、更可靠、更安全的汽車(chē)的關(guān)鍵要素。車(chē)身控制電子模塊可簡(jiǎn)化汽車(chē)操作并將駕駛人員從輔助活動(dòng)中解放出來(lái)，從而提高汽車(chē)的安全系數。網(wǎng)絡(luò )是車(chē)內電子架構的關(guān)鍵部分。單一的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議無(wú)法滿(mǎn)足遍布車(chē)身的眾多應用的要求。汽車(chē)電子系統架構師面臨的挑戰是：定義適當的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議以在目標預算內獲得所需要的性能。因此，選擇的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議必須匹配符合性?xún)r(jià)比要求的適當應用。

　　一旦汽車(chē)架構師予以定義，滿(mǎn)足成本預算就成為嵌入式系統設計人員必須滿(mǎn)足的要求。圖4所示為車(chē)內采用的多個(gè)通信網(wǎng)絡(luò )，以及實(shí)現每個(gè)節點(diǎn)的相關(guān)成本。目前最流行的兩種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )是控制器局域網(wǎng)和(CAN)和本地互聯(lián)網(wǎng)(LIN)。

　　CAN提供了一個(gè)多主體系，支持智能冗余系統的開(kāi)發(fā)。在此類(lèi)網(wǎng)絡(luò )中，如果一個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)出現問(wèn)題，不會(huì )影響到網(wǎng)絡(luò )功能。消息仍通過(guò)網(wǎng)絡(luò )廣播。所有節點(diǎn)都能夠接收、讀取消息，并判斷是否與自己相關(guān)以及是否需要采取行動(dòng)。在這種環(huán)境中，數據完整性可得到保證，因為系統中的所有節點(diǎn)使用同樣的信息。數據完整性通過(guò)錯誤檢測機制和錯誤消息重傳機制來(lái)保證。

　　LIN協(xié)議是適用于較小規模車(chē)內網(wǎng)絡(luò )的完整通信規范。該規范包含了協(xié)議定義和物理層定義，以及開(kāi)發(fā)工具和應用軟件接口定義。對于汽車(chē)開(kāi)關(guān)、智能傳感器和致動(dòng)器等不需要CAN那樣大的帶寬和通用性的應用，LIN提供了一個(gè)具成本效益的通信網(wǎng)絡(luò )。LIN通信協(xié)議基于SCI(UART)數據格式，采用單主/多從方式，帶有一條單線(xiàn)12V總線(xiàn)，節點(diǎn)時(shí)鐘同步不需要穩定的時(shí)基。

　　鑒于LIN主要用于低端應用，有兩個(gè)因素非常關(guān)鍵：首先，相比CAN，每個(gè)節點(diǎn)的通信成本必須相當低;其次，不需要CAN那么高的性能、帶寬和通用性。相比CAN，LIN的成本節省主要來(lái)自：1. 單線(xiàn)傳輸，2. 硬件和軟件可在芯片內低成本實(shí)現，3. 從節點(diǎn)不需要使用晶體或陶瓷諧振器。LIN和CAN協(xié)議的主要特性如表2所示。

　　現在，嵌入式設計人員已可使用帶片上外設支持CAN和LIN通信協(xié)議的微控制器。網(wǎng)關(guān)微控制器用于高速和低速CAN總線(xiàn)間，以及低速CAN和其它網(wǎng)絡(luò )(比如多媒體、光纖點(diǎn)到點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )以及面向媒體系統傳輸(MOST)協(xié)議)間的切換。LIN是可直接連接到CAN網(wǎng)絡(luò )的子總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在車(chē)內ECM數目不斷增加的情況下，支持這些通信協(xié)議的集成式微控制器能夠幫助降低元件數目和系統成本。

　　本文小結

　　隨著(zhù)對現代汽車(chē)舒適性和安全性要求的不斷提高，汽車(chē)變得越來(lái)越智能化。對嵌入式系統設計人員來(lái)說(shuō)，微控制器是利用汽車(chē)電子模塊解決有關(guān)下列挑戰必不可少的工具：在車(chē)內實(shí)現具成本效益的ECM網(wǎng)絡(luò );在預定的有限空間內提供所需要的功能;滿(mǎn)足預定功率預算。

　　帶有大量集成外設的功率管理微控制器系列為設計人員提供了出色的靈活性和多種選擇性，讓他們能夠創(chuàng )建出創(chuàng )新、緊湊并具成本效益的先進(jìn)解決方案，滿(mǎn)足汽車(chē)消費者的期望。對于ECM，充分的靈活性是縮短產(chǎn)品上市時(shí)間的重要因素。