單片機在汽車(chē)動(dòng)力總成應用領(lǐng)域中面臨的挑戰及對策

　　前言

　　近二十年來(lái)，汽車(chē)中的半導體電子元器件成分及復雜程度一直呈增長(cháng)的趨勢。據統計，目前汽車(chē)中90%的新發(fā)明都與電子器件的運用直接相關(guān)。某些歐洲高檔車(chē)型(如BMW7系列）中的電子控制單元(ECU）已多達80個(gè)以上。這些ECU依靠網(wǎng)絡(luò )相互通訊聯(lián)系，形成一個(gè)龐大復雜的系統。它們的工作情況，直接影響到汽車(chē)的性能。眾所周知，每個(gè)ECU中一般至少有一個(gè)“大腦”——單片機。這些單片機的性能、功能和可靠性，對ECU能否正常工作是至關(guān)重要的。

　　汽車(chē)動(dòng)力總成系統是指車(chē)輛內部產(chǎn)生動(dòng)力并傳輸這些動(dòng)力的所有部件的總稱(chēng)，其主要部分包括發(fā)動(dòng)機系統及動(dòng)力傳輸系統。動(dòng)力總成系統ECU的設計之難是公認的，因此，關(guān)注這個(gè)領(lǐng)域出現的新問(wèn)題以及它們給單片機所提出的挑戰并
找到有關(guān)對策，就顯得意義重大。

　　系統性能的急速增加

　　當前，全球汽車(chē)工業(yè)面臨的重要課題是如何不斷地降低汽車(chē)油耗、減少排放以及進(jìn)一步提高其駕駛性能。要做到這些，就要求ECU，特別是用于發(fā)動(dòng)機管理系統(EMS）中的ECU具備運算能力越來(lái)越強大的單片機，以完成軟件中各種復雜的算法和控制及實(shí)現各種硬件功能。

　　圖1以英飛凌(Infineon）單片機的演變?yōu)槔?，顯示了汽車(chē)用單片機30年中運算性能的發(fā)展趨勢及同一時(shí)期平均油耗和排放的變化情況。從該圖中可以清楚地看到單片機的運算性能在同樣成本的基礎上以每年30%~60%的速度增加，而車(chē)輛的平均油耗則呈不斷下降的趨勢，這在目前國際油價(jià)居高不下的形勢下顯得更有意義；同時(shí)更嚴格的排放標準逐一出臺。目前，歐洲各汽車(chē)廠(chǎng)正在為所有2009年9月后出廠(chǎng)的新車(chē)能滿(mǎn)足EURO5排放標準而緊鑼密鼓地做準備。

　　汽車(chē)動(dòng)力總成系統的應用領(lǐng)域的ECU，根據其用途大致可分為五大類(lèi)：一是輔助型系統(Auxiliary Subsystem），如變速器控制或發(fā)動(dòng)機散熱控制模塊；二是經(jīng)濟型系統，如某些低檔1~4缸的汽油EMS或摩托車(chē)EMS；三是基本型系統，如3~5缸的汽油EMS，混合型燃料的摩托車(chē)EMS；四是主流型系統，如4~8缸的汽油EMS和4缸柴油EMS；五是高檔型系統，如6~12缸的柴油EMS及直噴型汽油EMS。

　　可以預見(jiàn)的是，在今后五年內，除了第一種類(lèi)別外的所有其它系統中的單片機的運算性能及片內存儲器都會(huì )大致按照“摩爾定律(Moore’s Law）”增加。雖然對輸入/輸出口及定時(shí)器數量的需求不會(huì )有大的變化，但來(lái)自傳感器的數字輸入會(huì )增加，同時(shí)，需要更快速、精確度也更高的模數轉換器單元。

　　每個(gè)動(dòng)力總成系統類(lèi)別有各自的特點(diǎn)及市場(chǎng)定位，其所用的單片機的運算性能和片內存儲器的大小也不同。輔助型系統將由于其安裝方式的不同和更多機電一體化(Mechatronization）的情況出現而變得更多樣化，但所用的單片機的運算能力將變化不大，仍在10~40MIPS(注：指單片機系統總的有效數據傳輸速率而非內核本身僅有的數據處理能力，下同）之間，其內部存儲器的大小一般會(huì )小于0.5MB。

　　經(jīng)濟型系統主要是用與摩托車(chē)或新興市場(chǎng)(如印度）的微型汽車(chē)，其單片機的運算能力及內部存儲器分別增加到約80MIPS及768KB左右。
基本型系統將承受由產(chǎn)品商品化引起的成本壓力，低成本小型汽車(chē)的普及更加印證了這一趨勢。在這一類(lèi)別中，單片機的計算能力和內部存儲器會(huì )增加至90MIPS及718~1024KB左右。

　　主流型發(fā)動(dòng)機系統以?xún)?yōu)化的系統成本及可升級性(Scalability）為主要特征。由于軟件標準化的要求(如AUTOSAR的采用）及一些高端功能在這類(lèi)車(chē)型中被更多地使用，所需要的單片機的運算性能也需大幅提高。此外，由于該類(lèi)系統被用在多款車(chē)型中，其單片機內部需攜帶更多的存儲器。這種類(lèi)型系統中的單片機的運算能力和內部存儲器的容量將從目前約160MIPS及1.5MB分別增加到5年后的260MIPS及2MB~4MB的大小。

　　在高檔型發(fā)動(dòng)機系統中，單片機的運算性能是至關(guān)重要的，預計會(huì )從目前的250MIPS增加到500MIPS，而同時(shí)內部存儲器大小也會(huì )將從目前的2~4MB增加到4~5MB，在個(gè)別系統中甚至可達8MB。這么高的運算性能和存儲容量如光靠一個(gè)單片機來(lái)完成，會(huì )面臨設計高度復雜、制造成本昂貴、內部總線(xiàn)傳輸能力限制，甚至是芯片散熱困難等一系列問(wèn)題。因此將來(lái)在這類(lèi)ECU的設計中，會(huì )采用多核心(Multiple-core)或多單片機的方式來(lái)分散計算任務(wù)和產(chǎn)生的熱量。

　　系統成本降低的壓力

　　目前世界汽車(chē)業(yè)整體產(chǎn)能過(guò)剩是個(gè)不爭的事實(shí)，汽車(chē)零部件市場(chǎng)的競爭也趨白熱化。在這種形勢下，如何降低系統的開(kāi)發(fā)和制造成本，成了每個(gè)ECU設計師所面臨的另一個(gè)難題。

　　軟件開(kāi)發(fā)的成本在總開(kāi)發(fā)成本上所占的比例越來(lái)越高。如圖2所示，從2000年到2010年間，汽車(chē)軟件市場(chǎng)以每年15%的速度增加。而與此同時(shí)，汽車(chē)半導體的市場(chǎng)增長(cháng)率只有6.5%。預計到2010年，汽車(chē)總成本中的13%為其軟件成本。軟件在系統中的作用越來(lái)越重要，其復雜性也日益增加，但同時(shí)由于對軟件的規范也越來(lái)越嚴格，必須用更多的精力把來(lái)自不同開(kāi)發(fā)者的軟件集成在一起，或將軟件加以改造以適用于某個(gè)整車(chē)廠(chǎng)特定的應用環(huán)境及硬件平臺，這些工作增加了成本。軟件標準化將有助于減少這些成本。AUTOSAR就是在這一形勢下形成的一個(gè)跨國組織。其會(huì )員包括了全球幾乎所有的主要汽車(chē)生產(chǎn)商、一級及二級零部件供應商及軟件工具的開(kāi)發(fā)商。該組織的宗旨是通過(guò)不斷的改進(jìn)軟件模塊的重復使用性和可交換性來(lái)更有效地管理由于電氣/電子系統結構高度集成化所帶來(lái)的復雜性，從而有效地降低開(kāi)發(fā)成本。

　　AUTOSAR的具體實(shí)施方法是生成符合一定標準的“基礎軟件(Basic Software）”平臺，這種平臺獨立于任何特定的單片機硬件結構。英飛凌32位單片機TC1766被選為驗證AUTOSAR標準的32位單片機結構。

　　隨著(zhù)AUTOSAR逐漸被汽車(chē)界所接受，單片機的制造商必須采取適當的策略來(lái)支持這一標準。除了設計新產(chǎn)品時(shí)加入某些硬件上滿(mǎn)足其標準的功能，如更大Flash來(lái)放置更大的程序，更大的RAM來(lái)放置增多的變量及專(zhuān)門(mén)的存貯器保護單元(MPU）外，單片機制造商也需要在硬件推出的同時(shí)，向顧客提供單片機應用層(MCAL）所用到的底層驅動(dòng)軟件，并且與軟件工具的開(kāi)發(fā)商緊密合作，以提供能產(chǎn)生全套“基礎軟件”的程序包(Suite）。

　　除了通過(guò)標準化來(lái)降低軟件成本外，有許多降低硬件成本的方法被逐漸采用。方法之一是由軟件來(lái)實(shí)現原來(lái)必需靠硬件來(lái)實(shí)現的功能。例如，英飛凌的32位單片機TC1796所具有的高速模數轉換單元及強大的DSP計算能力，可以用來(lái)實(shí)現發(fā)動(dòng)機控制系統中的爆震檢測和控制(Knock Detection and Control）。這種方案既節省了昂貴的ASCI硬件，又可將同一ECU用于多種傳感器、發(fā)動(dòng)機及車(chē)型中，而且避免了因硬件本身老化或由溫度變化而引起的誤差，同時(shí)也增強了對信號的診斷能力。這種用軟件來(lái)代替硬件來(lái)實(shí)現某種功能的方法，也對單片機的運算能力提出了進(jìn)一步更高的要求。

　　由于半導體器件集成度的不斷提高，ECU的尺寸可望做到越來(lái)越小，這樣就為采用全新的安裝方式提供了可能性。例如將ECU直接放到發(fā)動(dòng)機機艙或變速箱中；或采用所謂“機電一體化”的概念，直接將ECU安裝在發(fā)動(dòng)機冷卻風(fēng)扇系統中或渦輪增壓裝置上。這種方式，不但有可能節約硬件成本，還可能因此使機械和電子部分的零部件采購合二為一，從而改變汽車(chē)零部件的供貨模式，為供貨環(huán)節的優(yōu)化提供條件。但是，在這種新的安裝方式下，ECU所處環(huán)境的溫度往往會(huì )更高，甚至超過(guò)一般汽車(chē)用單片機能承受的最高125℃的溫度，能耐更高溫的單片機因此就顯得很重要。英飛凌最新推出的XC866HOT系列產(chǎn)品就是一個(gè)很好的例子。該8位單片機產(chǎn)品可以在140℃的高溫環(huán)境下連續工作達500小時(shí)。

　　ECU內部與相互間通訊的復雜化

　　隨著(zhù)單片機運算性能的提高，傳統的串行通訊接口，如通用異步串行接口(UART)或同步串行口(SSC）在執行ECU器件間的一些高速通訊時(shí)顯得力不從心，一些新的通訊接口就應運而生。如英飛凌在32位單片機AUTO-NG系列中采用的“Micro-link Interface(MLI）”及“Micro-second Communication(MSC）”就是這樣兩個(gè)例子。MLI是為了改善單片機與其它器件進(jìn)行數字通訊而設計的新一代高速串行口，其傳遞速度可達每秒30MB；而MSC主要是用于單片機與智能功率器件間的通訊，它的使用可以降低系統成本。

　　汽車(chē)各ECU之間的通訊相對于其內部的通訊可能會(huì )更復雜。目前，ECU間的通訊主要是依靠“點(diǎn)對點(diǎn)”、LIN或CAN總線(xiàn)來(lái)進(jìn)行。相對于傳統上靠專(zhuān)用線(xiàn)索來(lái)完成“點(diǎn)對點(diǎn)”的通訊方式，總線(xiàn)的引入大大地減少線(xiàn)束的使用，減輕了汽車(chē)的自重，提高了通訊速度及可靠性。LIN總線(xiàn)主要是用于速度較慢的局部網(wǎng)絡(luò )；而CAN總線(xiàn)則大多是用于速度較快的骨干網(wǎng)絡(luò )中。有時(shí)某些ECU需充當網(wǎng)關(guān)(GATEWAY）的角色而同時(shí)與幾種傳輸速度不同的CAN總線(xiàn)相通訊，這時(shí)單片機內部往往需要帶有多路的CAN總線(xiàn)控制器，例如TC1796中的多通道CAN模塊就可同時(shí)支持4個(gè)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。

　　隨著(zhù)車(chē)內ECU的數量的增加，所涉及的通訊界面和數量也越來(lái)越多，LIN和CAN總線(xiàn)有時(shí)就無(wú)法完成實(shí)時(shí)性很強的通訊任務(wù)，在這種情況下，采用新的通訊協(xié)議就成了必然。Flexray是目前汽車(chē)工業(yè)界公認的下一代高速通訊協(xié)議標準。與CAN總線(xiàn)相比，Flexray不僅帶寬更高，而且可靠性和實(shí)時(shí)性更好。對動(dòng)力總成系統中某些對實(shí)時(shí)性要求極高的應用來(lái)講，Flexray無(wú)疑是一個(gè)更好的通訊方式。為了配合這一發(fā)展趨勢。世界主要汽車(chē)單片機的生產(chǎn)廠(chǎng)商都在新一代32位產(chǎn)品中集成了Flexray控制器。

　　結語(yǔ)

　　汽車(chē)的動(dòng)力總成系統在整個(gè)車(chē)輛中的重要性是不言而喻的，而其中的ECU的設計是公認的難題。國際上這個(gè)領(lǐng)域的動(dòng)向,以及這些動(dòng)向給所用單片機帶來(lái)的影響是許多業(yè)者所關(guān)注的。

　　本文扼要地介紹了因系統性能的快速增加、成本降低的壓力及ECU內部與相互間通訊復雜化所引起的單片機設計和應用方面新的變化和發(fā)展，其中包括提高其運算能力和增加片內存儲器的容量，引進(jìn)新的片內外設單元，支持如AUTOSAR等新的軟件標準，用軟件來(lái)替代硬件來(lái)實(shí)現某些系統功能，提高單片機所能承受的環(huán)境溫度，以及采用新的通訊方式和協(xié)議來(lái)實(shí)現ECU內部或相互間的高速通訊等。
    
　　參考文獻：

　　1. AUTOSAR組織的官方網(wǎng)站：www.autosar.org

　　2. Patrick Leteinturier: Automotive Semiconductor Trend & Challenge. Proceedings of the Conference on Design, Automation and test in Europe.

　　3. 英飛凌科技TC1796用戶(hù)手冊