汽车电子MCU技术原理与需求分析

汽车电子MCU技术原理与需求分析汽车作为一部大型的机电一体化设备，在汽车整体成本中的比例越来越大。目前欧美发达国家汽车电子的平均成本达350美元以上，其涵盖了从车身控制、动力传动、车身安全，到车内娱乐的各个方面。微控制器（MCU）作为汽车电子系统内部运算和处理的核心，也遍布悬挂、气囊、门控和音响等几十种次系统（Sub-System）中。由于汽车作为高速交通工具承载了对用户生命安全的保障，同时汽车经常工作在十分恶劣的环境中，其对内部电子设备的可靠性要求要远高于一般性电子产品。因此汽车电子所用的MCU与一般性产品的结构差异虽然并不很大，而一般的MCU产品由于可靠性不能符合厂商的要求而并不能被选用，这也是汽车电子产品同一般性电子产品市场的区别之一。技术特性需求CAN和LIN是最常见的车身系统总线接口，因此汽车电子类MCU除了在可靠性和抵抗恶劣环境等方面有较高要求外，还要能实现对上述总线接口的支持。CAN总线即控制器局域网(ControllerAreaNet)，是一种现场总线，最初由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计，主要用于各种过程检测及控制。CAN总线分为高速CAN和低速CAN，前者主要用于动力和安全等关键性的应用，如发动机控制单元、自动变速器控制、ABS控制、安全气囊控制等；后者则通常针对一般性车身应用，如集控锁、行李箱锁、车窗，及车内灯光等。CAN总线的协议也在不断演进发展，从最早期的1.x版本已发展到目前的CAN2.0A及其扩展版CAN2.0B，其中CAN2.0B又分为主动（Active）式和被动（Passive）式。由于CAN总线协议的版本和分类不同，对车用MCU的要求也有差异。除了提到的协议版本，CAN总线控制器缓存和接收过滤器的数量也影响了MCU的选用。如图所示，ST的CAN控制器针对不同的应用场景，有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN和cCAN五款不同类型。其中如beCAN、bxCAN两款适合中高端车身功能控制及低端网关；FullCAN适合引擎管理系统；cCAN则适合高端的网关和动力传动控制。图一ST不同的CAN控制器的缓存及接收过滤器数量LIN（LocalInterconnectNetwork）总线是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总线，主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络。在带宽要求不高、功能简单、实时性要求低的场合，如车身电器的控制等方面，使用LIN总线可有效的简化网络线束、降低成本、提高网络通讯效率和可靠性。如图所示，LIN主要适合于车内空调控制（Air-ConditioningControl）、车门控制模块（DoorModules）、座椅控制、智能性交换器（SmartSwitches）、低成本传感器（Low-CostSensors）等分布式通讯应用。图二LIN的应用领域网关控制器车内网关控制器（Gateway）的作用是车内电子系统中不同网络的通讯枢纽，使分布在车身内的各个单元可实现沟通。网关一般包括总线收发器、稳压器（Regulator），以及支持多种网络协议的低成本、高效能微控制器；并广泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等车用电子通讯接口。网关控制器设计上比较灵活，一般厂家会依据自己的需求而定制。针对不同的应用，其可以集成在车身控制单元或仪表组件等设备当中，也可以作为一个独立的模块出现。嵌入式闪存的作用MCU嵌入式内存可为满足工控机系统的需求提供保障，稳定性可得到提升，也有助于实现更低的成本和增大工作处理的弹性。因此在MCU上提供嵌入式内存，甚至整合DSP的单元，已成为目前的设计趋势。车用MCU嵌入式内存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中NORFlash作为微控制器程序及数据储存的内存可使MCU具有更高的弹性，已逐渐成为目前设计的主流。由于嵌入内存而使MCU无需与外部组件进行高速串连，因此不易产生信号干扰的问题，降低了接线的复杂度，提高了稳定性。此外，嵌入式内存省去了外接元件，也可有效减少PCB尺寸，给产品设计更大的灵活性。在数据安全性方面，MCU嵌入式内存的数据保护机制可实现较高的可靠性，保证其中的数据免遭盗取。DSP提升设计弹性数字信号处理（DSP）技术是当今高科技数码产业的技术基础。从MP3随身听到航空航天等的高技术应用，DSP技术无所处不在并增长迅速。在汽车电子系统设计中，除在上文提到的在MCU嵌入内存外，为MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升数据处理的弹性。DSP属于系统的软件功能范畴，因此可灵活地根据厂商或客户的需求进行功能改进和升级。此外，DSP与处理器（ARM、PowerPC等）相结合可实现多任务分工处理，例如可把关键的控制功能交由处理器完成，而让DSP专职进行运算方面的工作，这样可降低系统功耗并提高处理效率。