汽車(chē)電子MCU技術(shù)原理與需求分析

　　汽車(chē)作為一部大型的機電一體化設備，汽車(chē)電子在汽車(chē)整體成本中的比例越來(lái)越大。目前歐美發(fā)達國家汽車(chē)電子的平均成本達350美元以上，其涵蓋了從車(chē)身控制、動(dòng)力傳動(dòng)、車(chē)身安全，到車(chē)內娛樂(lè )的各個(gè)方面。

　　微控制器（MCU）作為汽車(chē)電子系統內部運算和處理的核心，也遍布懸掛、氣囊、門(mén)控和音響等幾十種次系統（Sub-System）中。由于汽車(chē)作為高速交通工具承載了對用戶(hù)生命安全的保障，同時(shí)汽車(chē)經(jīng)常工作在十分惡劣的環(huán)境中，其對內部電子設備的可靠性要求要遠高于一般性電子產(chǎn)品。因此汽車(chē)電子所用的MCU與一般性產(chǎn)品的結構差異雖然并不很大，而一般的MCU產(chǎn)品由于可靠性不能符合廠(chǎng)商的要求而并不能被選用，這也是汽車(chē)電子產(chǎn)品同一般性電子產(chǎn)品市場(chǎng)的區別之一。

　　技術(shù)特性需求

　　CAN和LIN是最常見(jiàn)的車(chē)身系統總線(xiàn)接口，因此汽車(chē)電子類(lèi)MCU除了在可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有較高要求外，還要能實(shí)現對上述總線(xiàn)接口的支持。

　　CAN總線(xiàn)即控制器局域網(wǎng) (Controller Area Net)，是一種現場(chǎng)總線(xiàn)，最初由德國B(niǎo)OSCH公司為汽車(chē)監測和控制而設計，主要用于各種過(guò)程檢測及控制。CAN總線(xiàn)分為高速CAN和低速CAN，前者主要用于動(dòng)力和安全等關(guān)鍵性的應用，如發(fā)動(dòng)機控制單元、自動(dòng)變速器控制、ABS控制、安全氣囊控制等；后者則通常針對一般性車(chē)身應用，如集控鎖、行李箱鎖、車(chē)窗，及車(chē)內燈光等。CAN總線(xiàn)的協(xié)議也在不斷演進(jìn)發(fā)展，從最早期的1.x版本已發(fā)展到目前的CAN2.0A及其擴展版CAN2.0B，其中CAN2.0B又分為主動(dòng)（Active）式和被動(dòng)（Passive）式。

　　由于CAN總線(xiàn)協(xié)議的版本和分類(lèi)不同，對車(chē)用MCU的要求也有差異。除了提到的協(xié)議版本，CAN總線(xiàn)控制器緩存和接收過(guò)濾器的數量也影響了MCU的選用。如圖所示，ST的CAN控制器針對不同的應用場(chǎng)景，有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同類(lèi)型。其中如beCAN、bxCAN兩款適合中高端車(chē)身功能控制及低端網(wǎng)關(guān)；FullCAN適合引擎管理系統；cCAN則適合高端的網(wǎng)關(guān)和動(dòng)力傳動(dòng)控制。

                           圖一　ST不同的CAN控制器的緩存及接收過(guò)濾器數量

　　LIN（Local Interconnect Network）總線(xiàn)是一種結構簡(jiǎn)單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線(xiàn)，主要用作CAN等高速總線(xiàn)的輔助網(wǎng)絡(luò )或子網(wǎng)絡(luò )。在帶寬要求不高、功能簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性要求低的場(chǎng)合，如車(chē)身電器的控制等方面，使用LIN總線(xiàn)可有效的簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò )線(xiàn)束、降低成本、提高網(wǎng)絡(luò )通訊效率和可靠性。如圖所示，LIN主要適合于車(chē)內空調控制（Air-Conditioning Control）、車(chē)門(mén)控制模塊（Door Modules）、座椅控制、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-Cost Sensors）等分布式通訊應用。

                                  圖二　LIN的應用領(lǐng)域

　　網(wǎng)關(guān)控制器

　　車(chē)內網(wǎng)關(guān)控制器（Gateway）的作用是車(chē)內電子系統中不同網(wǎng)絡(luò )的通訊樞紐，使分布在車(chē)身內的各個(gè)單元可實(shí)現溝通。網(wǎng)關(guān)一般包括總線(xiàn)收發(fā)器、穩壓器（Regulator），以及支持多種網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的低成本、高效能微控制器；并廣泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等車(chē)用電子通訊接口。網(wǎng)關(guān)控制器設計上比較靈活，一般廠(chǎng)家會(huì )依據自己的需求而定制。針對不同的應用，其可以集成在車(chē)身控制單元或儀表組件等設備當中，也可以作為一個(gè)獨立的模塊出現。

　　嵌入式閃存的作用

　　MCU嵌入式內存可為滿(mǎn)足工控機系統的需求提供保障，穩定性可得到提升，也有助于實(shí)現更低的成本和增大工作處理的彈性。因此在MCU上提供嵌入式內存，甚至整合DSP的單元，已成為目前的設計趨勢。

　　車(chē)用MCU嵌入式內存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中NOR Flash作為微控制器程序及數據儲存的內存可使MCU具有更高的彈性，已逐漸成為目前設計的主流。由于嵌入內存而使MCU無(wú)需與外部組件進(jìn)行高速串連，因此不易產(chǎn)生信號干擾的問(wèn)題，降低了接線(xiàn)的復雜度，提高了穩定性。此外，嵌入式內存省去了外接元件，也可有效減少PCB尺寸，給產(chǎn)品設計更大的靈活性。在數據安全性方面，MCU嵌入式內存的數據保護機制可實(shí)現較高的可靠性，保證其中的數據免遭盜取。

　　DSP提升設計彈性

　　數字信號處理（DSP）技術(shù)是當今高科技數碼產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎。從MP3隨身聽(tīng)到航空航天等的高技術(shù)應用，DSP技術(shù)無(wú)所處不在并增長(cháng)迅速。在汽車(chē)電子系統設計中，除在上文提到的在MCU嵌入內存外，為MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升數據處理的彈性。DSP屬于系統的軟件功能范疇，因此可靈活地根據廠(chǎng)商或客戶(hù)的需求進(jìn)行功能改進(jìn)和升級。此外，DSP與處理器（ARM、PowerPC等） 相結合可實(shí)現多任務(wù)分工處理，例如可把關(guān)鍵的控制功能交由處理器完成，而讓DSP專(zhuān)職進(jìn)行運算方面的工作，這樣可降低系統功耗并提高處理效率。