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汽车电子嵌入式系统设计(6)车用8/16/32位元MCU技术需求

52RD.com 2007年8月28日 Bruce Liu            评论:0条 我来说两句
  
今日汽车的电子化程度已愈来愈深,从资讯娱乐、车身、安全到动力传动系统,利用电子元件来进行感测和操控的情况已深入汽车的各个角落,若说汽车是一部大型而复杂的电子化设备,一点也不为过。在汽车中数十种的次系统中(如门控、气囊、悬吊、CD播放等),且不论其输出输入的功能为何,它们都需要有一个运算和控制的处理核心,也就是本文所要谈的微控制器(MCU)。

就架构面来看,车用微控制器与一般泛用性微控制器的架构差异并不大,然而,一般的微控制器往往不会被车厂所接受,他们要的是符合车用规格要求的高可靠度微控制器。若个别来看,汽车中各个次系统对微控制器的操控需求或许并无太特殊之处,但当这些微控制器是被用在汽车引擎、剎车、气囊等用途上,而且需被置放在高热、多尘、剧震、电子干扰严重的运作环境时,车厂对于电子元件的品质就得从严把关。
技术特性需求
除了对温度范围、抗震、抗干扰等特性的加强外,车用微控制器也必须满足一些专属的需求,其中最明显的是对车用环境汇流排介面的支援。最常见的介面规格是CAN和LIN,这两大规格在本系列前文中已详细介绍过,其中CAN又分为高速CAN和低速CAN,高速CAN通常用于汽车发动机控制单元、自动变速器控制单元、ABS控制单元、安全气囊控制单元等关键性的应用;低速CAN则用于集控锁、车窗、行李箱锁、后视镜及车内顶灯等一般性的车身应用。

虽然同样是有CAN的支援功能,但不同的微控制器可执行的能力仍可能有差别,这主要和CAN控制器的型式有关。CAN的型式可分为旧型的1.x、标准型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的规格效能自然愈好,其中2.0B又可分为被动(passive)型式和主动(active)型式。

除了支援型式的差异外,CAN控制器依信号缓冲的数目和接收过滤器的数目不同,支援能力也会有差异,以ST的CAN控制器为例,就提供pCAN、beCAN、bxCAN、FullCan和cCAN等五款不同类型的控制器,各有其适合的应用类型,如beCAN、bxCAN适合中高阶车体功能及低阶闸道器;FullCAN适合引擎管理系统;cCAN则适合高阶的闸道器和动力传动等应用。
 

图一 依信号缓冲及接收过滤器数目而区分的CAN控制器型式
 

LIN则是较CAN更为低速且低成本的通信方案,很适合做为空调控制(Climate Control)、后照镜(Mirrors)、车门模组(Door Modules)、座椅(Seats)、智能性交换器(Smart Switches)、低成本感测器(Low-cost Sensors)等较单纯系统的分散式通讯解决方案。
 

图二 LIN的应用领域
 

当汽车内部分散多处的单元需要进行沟通时,这时就会需要将资讯汇流到一个闸道器(Gateway)控制器,这个汽车中多种不同网路的通讯桥接中心,必须广泛支援低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等车用电子通信介面。在一个完整的闸道器解决方案架构中,必须包括汇流排收发器、稳压器(regulator),以及支援多种网路协定的低成本、高效能微控制器。

不过,闸道器的设计目前并没有一个通则的作法,它可以是一个独立的模组,也可以被嵌入在其他的设备当中,例如智能型集线盒、车体控制器或仪表组件(instrument cluster),而且不同的车厂往往会有自己的协定规格,必须量身定制才行。

嵌入式快闪存储器成主流
为了提升工作处理弹性,今日车用微控制器的系统中往往会内置嵌入式存储器(Flash),甚至整合DSP的单元。车用嵌入式存储器又可分为ROM、EEPROM、RAM和Flash,其中嵌入NOR Flash做为微控制器程式及数据储存的存储器已是主流的趋势,它让微控制器具有更高的设计弹性。

在微控制器中嵌入存储器有许多好处:此举能够省略外接的元件,进而有效缩减印刷电路板(PCB)所需的空间;还能降低接线的复杂度,由于不需要以汇流排与外部元件进行高速串连,因此不易产生信号干扰的问题,稳定也就能够提升。嵌入式存储器运用高可靠性的方式来储存组态参数,并搭配防读保护机制,用以确保可程式存储器中的内容不致遭受非法复制。
DSP单元提升设计弹性
另一个提升弹性的作法,则是为微控制器加入数字信号处理(DSP)的MAC功能。DSP特别适合用来处理大量的数学算式运算,能够加速各种编解码及通信数据的分析,举例来说,在安全系统的驾驶辅助警示应用上,DSP可以用来计算复杂的前方路况辨识,为驾驶提出最恰当且即时的警告。由于DSP是属于软件功能,因此能够依设计需要而弹性进行修改或功能升级;此外,DSP可以和微控制器中的处理器核心(如ARM或PowerPC)分工合作,将大量的运算交给DSP处理,让处理器核心能专注于关键性的控制功能,这种分散运算的方式也有助于降低系统的功耗。
 

图三 具备MAC单元的16位元MCU:以ST10为例

元件类型与特性剖析
和一般性微控制器市场类似,车用微控制器依功能性也可分为4位元、8位元、16位元、32位元及64位元等五个等级,不过,今日来看,4位元微控制器已过于阳春,而64位元产品则仍太过高阶,所以主力的市场集中在8、16和32位元的微控制器,这三种等级正好适用低、中、高阶三种车用电子应用。

适合8位元微控制器的低阶应用,主要是车体的各个次系统,包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模组等;适合16位元微控制器的中阶应用主要是动力传动系统,如引擎控制、齿轮与离合器控制,和电子式涡轮系统等,这类控制器也适合用于底盘机构上,如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制,和电子帮浦、电子剎车等。
 

图四 16位元MCU的汽车应用
 

对于车用电子来说,32位元微控制器仍属于高性能产品,目前最常用于汽车多媒体资讯系统(Telematics)及引擎控制方面,但随着汽车电子系统的日趋复杂化,尤其是愈来愈强调智能性和即时性的安全系统及动力系统中,都势必得采用32位元的微控制器,才能顺利执行。这些前瞻性的功能包括上文提到的预碰撞(Pre-crash)、自适应巡航控制(ACC)、驾驶辅助系统、电子稳定程式等安全功能,以及复杂的X-by-wire等传动功能。

值得关注的是车用微控制器市场的发展趋势。今日8位元微控制器的功能不断在提升,例如处理器核心功率提升、嵌入式存储器容量增加,以及接脚数更具弹性等等,再加上成熟的技术促使成本进一步降低,让8位元微控制器的适用市场空间变得更大,能向上涵盖一些16位元的应用,也能向下取代多数4位元的应用。

32位元微控制器则是最具成长潜力的产品类型。今日的汽车电子系统强调更高的智能性、更即时的反应,和更多样化的功能,这些需求都渐渐不是16位元产品所能满足的,因而必然得选用更高效能的32位元微控制器。除了处理复杂的运算及控制功能,32位元产品也将扮演车用电子系统中的主控处理中心角色,也就是将分散各处的中低阶电子控制单元(ECU)集中管理。

虽然32位元的产品在一般市场上早已广泛被应用,但在今日汽车的关键性应用上(如传动及安全系统)用到的还不多,仍以16位元微控制器为主。主要的原因是32位元MCU大多仍处于车用电子零件规格的验证阶段,即使是合格的产品,还得通过车厂本身的各种环境测试,所以成为市场主流还需要等待一段时间,目前大多要在高阶的车款中才看得到其应用。

这样看起来,16位元微控制器正好遭到来自8位元及32位元市场的夹杀,地位显得有些尴尬。事实上也正是如此,不过,在加入更高容量存储器及具备DSP-MAC的条件下,16位元产品仍然能满足特殊应用功能的需求。至少在元件的品质上,它已获得市场上的认可,只要成本及功能性还能保有优势,16位元仍然有其存在的市场空间。

■8位元MCU
8位元车用微控制器适合广泛的中低阶应用,这些元件通常都支援CAN及LIN介面,而且会嵌入Flash或ROM程式存储器。它们必须能提供快速的程式执行、有效的存储器使用、快速的资料处理和环境切换(context switching)、弹性的输入/输出介面,以及延伸性的系统功能。

以ST专为车用环境设计的8位元ST72561微控制器为例,该元件即整合了CAN及LIN汇流排介面。其CAN控制器全面支援具备增强型消息过滤功能的29位元识别码,ST透过新增的处理器介面来支援基于Bosch CAN核心的beCAN单元,它有二个传送mailbox、三个讯息深度RX-FIFO,和六个过滤器群组,能够有效地依ID进行信息过滤。

LIN介面则支援ST针对硬件强化所提出的主/从LINSCI连接埠,此一最佳化技术能针对无关系的LIN讯框进行自动化LIN标头的处理与过滤,能够为LIN通信省下约九成的CPU负载。降低CPU的负荷有助于提升系统效能,也能简化系统的电路设计,以降低制造成本。此外,它的延伸性错误侦测和讯号处理功能,让应用上的错误处理更为容易。ST72561待机时的功耗非常低,一般小于50μA,而且有周期性唤醒功能。
 

图五 ST7261在车体应用上的系统架构图 

■16位元MCU
16位元车用微控制器适合更高要求的应用类型,如传动或安全与底盘系统。以ST10为例,它具有DSP-MAC功能,并内建高容量的Flash存储器,适合强调高效能、即时性及低功耗的应用。它的DSP-MAC(乘法/累加)加速器提供了功能强大的DSP函数,使自行定义的演算法能够更快速、简便的实现,它还配有一整套数学软件库。

该系列产品的CPU时脉速度最高可达64MHz,它提供16个优先顺序的中断控制器和紧密整合的DMA,因此特别适合要求极高的即时应用。它的程式存储器为Flash或ROM,其Flash的容量最大可达832KB,擦写迴圈保证100,000次,资料保存期限20年,因採用意法半导体最新的0.18μm制造工艺,有助于延长产品使用寿命和优化成本,工作温度-40℃到+125℃。
 

图六 可依存储器及封装接脚数选择需要的16位元MCU 

ST10支援广泛的系统週边和介面,包括ASC/LIN、CAN、I2C和SSC。它除了支援ST的开发工具,也支援英飞凌的C16x和XC16x,为现有用户升级到密度更高的快闪存储器提供了一条捷径,同时还能保护用户的前期投资。

■32位元MCU
目前32位元微控制器大都用在高档的汽车影音多媒体上,以满足多媒体播放所需的较高处理速度。以ST的STA2058为例,它整合了32位元微处理器ARM7TDMI和一个嵌入式快闪存储器(embedded flash),并广泛支援CAN、SPI、UART、I2C、USB等介面,以及RTCA-SC159、WAAS、EGNOS等GPS系统。此外,STA2058EX更拥有外接存储器介面,可以用作远端资讯处理服务平臺,允许免黏接逻辑(glueless)而与外部装置(如:GSM/GPRS模组、晶片卡、音频功能DSP)相连,非常适用于汽车在Telematics上的应用。

为了让32位元微控制器更普及,它必须采用较便宜的生产制程及新的技术来降低成本,尤其是进行更高度的单晶片整合。透过将关系密切的系统周边电路(如汇流排关关、中断控制器和除错电路等)整合入微控制器当中,可以有效缩减系统电路的尺寸,也能降低不必要的高频电路干扰。采用32位元微控制器,除了为车用电子应用提供更高的处理效能外,搭配更高速的汇流排介面(如FlexRay),能让整个系统得到更即时的通信表现。此外,32位元产品也具有比8位元及16位元更佳的除错能力。

结论
微控制器在汽车电子当中的重要性不断提升,扮演着提高操控性、智能性、即时性及娱乐性的核心角色。汽车对电子系统的倚重,也为微控制器市场的成长带来明显的助益,这类的产品除了得满足功能性的要求外,更重要的是要能符合高标准且长时间的可靠性,这是车厂非常重视的一道防线,以保障行车上的安全;而这也是元件制造商想切入这个市场的门槛所在。
在下一篇文章中,我们将探讨汽车元件的规格要求及相关技术,敬请期待。

本文章来源自 EEDesign电子设计资源网
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