基于MCU的汽車性能提高設計

引言

在現(xiàn)在的汽車設計中，人們越來越注重智能和環(huán)保這兩個方面。因為智能化的汽車可以為人們帶來高度的安全性和舒適感，在環(huán)保方面，通過使用數(shù)字技術(shù)達到節(jié)能省碳的目的。因此，數(shù)字化程度在汽車領(lǐng)域也愈來愈深，大到動力傳動系統(tǒng)，小到車載娛樂系統(tǒng)，無處不見電子組件的身影，它們被廣泛應用在感測和操控上。

在汽車電子的各個系統(tǒng)當中，往往需要采用微控制器（MCU）做為運作控制的核心，而汽車對電子系統(tǒng)的倚重，也刺激車用微控制器市場的快速成長。車用微控器涵蓋8位、16位、32位等低、中、高階產(chǎn)品等級，各有其適合的應用系統(tǒng)，大致如下：

8位MCU：主要應用于車體的各個次系統(tǒng)，包括風扇控制、空調(diào)控制、雨刷、天窗、車窗升降、低階儀表板、集線盒、座椅控制、門控模塊等較低階的控制功能。

16位MCU：主要應用為動力傳動系統(tǒng)，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統(tǒng)等；也適合用于底盤機構(gòu)上，如懸吊系統(tǒng)、電子式動力方向盤、扭力分散控制，和電子幫浦、電子剎車等。

32位MCU：主要應用包括儀表板控制、車身控制、多媒體信息系統(tǒng)（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新興的智能性和實時性的安全系統(tǒng)及動力系統(tǒng)，如預碰撞（Pre- crash）、自適應巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能，以及復雜的X-by-wire等傳動功能。

1 車用MCU常見接口

CAN和LIN是比較常見的接口。

隨著今日汽車對應用功能的要求愈來愈高，需整合的系統(tǒng)也愈來愈復雜，使得汽車電子系統(tǒng)對于高階32位 MCU的需求不斷提升。這類車用MCU往往被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴重的運作環(huán)境，因此對耐受性的要求遠高于一般用途的MCU。此外，在汽車的應用環(huán)境中，車用MCU必須與多個車用電子控制裝置（ECU）相連結(jié)，其中最常見的傳輸接口為CAN和LIN。

CAN又分為高速CAN和低速CAN,高速CAN的傳輸率可以達到1 Mbps,適用于ABS、EMS等強調(diào)實時反應的應用；低速CAN則可達到125 Kbps,適合較低速的車體零件控制。此外，CAN控制器的型式可分為舊型的1.x、標準型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的規(guī)格效能自然愈好，其中 2.0B又可分為被動（passive）型式和主動（active）型式。

LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，采用一個主節(jié)點、多個從節(jié)點的概念（最多支持16個節(jié)點），可達 20 kbps數(shù)據(jù)傳輸率，總線電纜的長度最多可以擴展到40公尺。它很適合做為空調(diào)控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）、車門模塊（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等較單純系統(tǒng)的分布式通訊解決方案。

以下將介紹應用于儀表板控制及車身控制的新一代MCU技術(shù)，并以富士通新一代的MB91770系列和MB91725系列新型微控制器做為設計參考。請參考（圖一）。

圖1　儀表盤控制及車身控制MCU在汽車中的應用（以MB91770系列和MB91725系列為例）

2 汽車儀表板及車身控制設計要領(lǐng)

汽車的儀表板為駕駛提供各種實時的視覺信息，這些信息是輔助決策的重要參考，必須快速且準確無誤的傳遞給駕駛員知道。此外，汽車中的空調(diào)及車身控制模塊（BCM）系統(tǒng)，負責為駕駛及乘客提供舒適的乘車環(huán)境。其中空調(diào)系統(tǒng)過執(zhí)行最佳控制將汽車內(nèi)部的溫度迅速降至較為舒適的水平，并根據(jù)來自于各個傳感器的信息保持舒適的車內(nèi)溫度。BCM系統(tǒng)則可以集中控制多個ECU,如車門、座椅和組合開關(guān)等。

不論是儀表盤控制或車身控制的MCU,都必須提供更高的處理性能、處理大量網(wǎng)絡節(jié)點的能力、支持多種外圍連接的接口功能、可擴展電路板布局范圍的功能、先進的內(nèi)存架構(gòu)，以及更便利的開發(fā)環(huán)境。

2.1 高處理性能

MCU要提升處理性能，必須從其核心及軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例，它的工作性能達到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的處理效能；因具有內(nèi)置式單精度浮點運算單元（FPU），能夠滿足圖像處理系統(tǒng)和那些需要浮點操作功能的系統(tǒng)（如制動器控制）要求。此外，透過硬件式的FPU支持，能夠簡化軟件程序并提升運算性能。

2.2 大量網(wǎng)絡節(jié)點處理能力

今日汽車中的CAN網(wǎng)絡內(nèi)存在著大量的內(nèi)置式ECU,它們的規(guī)模隨著節(jié)點數(shù)量的增加而不斷擴大，因此車用MCU必須支持更多的訊息緩沖器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供達32個內(nèi)置式訊息緩沖器，但現(xiàn)在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來說，已能支持達64個內(nèi)置式訊息緩沖器，而且支持CAN 2.0A/B規(guī)格及提供1Mbps的高傳輸率。

2.3 廣泛接口支持能力

車用MCU連接的外圍相當多樣，而連接的接口可能是UART、頻率同步串行、LIN-UART 和 I2C,因此必須具備彈性的接口連接能力。為了滿足此需求，富士通將內(nèi)置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透過軟件方式來切換上述各種接口，以靈活支持外部組件的通信規(guī)范，并提高系統(tǒng)設計的自由度。新系列MCU還提供LIN-UART 的6條通道，從而能夠與更多控制單元進行通信；其中MB91725系列因具有定時器功能的多條信道和 A/D 轉(zhuǎn)換器，更容易達成各種功能的整合。請參考（圖2）。

圖2　使用序列接口達成彈性的通信接口功能整合

2.4 可擴展電路板布局范圍的功能

由于車用電路板系統(tǒng)的布局設計方式相當多樣，車用MCU必須能滿足這些設計的需求。一些可行的作法包括為外部總線接口終端配置獨立電源，使得ECU板上無需再安裝電平轉(zhuǎn)換器。此一外部總線接口終端的電源范圍要廣（如涵蓋3.0V至5.5V），進而能彈性地和單元內(nèi)存或圖像用ASIC相連。

另一個作法是讓MCU具備內(nèi)置式I/O再分配的功能，透過軟件設置即可改變I/O連接埠的分配。如此一來，設計者可以更彈性地與特定外圍相連結(jié)，進而大幅提升電路板布局的自由度。

2.5 先進的內(nèi)存架構(gòu)

為了提升工作處理彈性，今日車用微控制器的系統(tǒng)中往往會內(nèi)置嵌入式內(nèi)存（Flash）。過去只將Flash用于程序儲存，新一代MCU的架構(gòu)中也加入數(shù)據(jù)用的Flash。此架構(gòu)不僅能提高數(shù)據(jù)寫入速度，因不再需要E2PROM,也能縮小電路板的面積。此外，將數(shù)據(jù)與程序同時儲存于微控制器的Flash內(nèi)存中，也有助于防止信息的泄露。

2.6 更便利的開發(fā)環(huán)境

一般產(chǎn)品必須利用ICE主單元和驗證用評估芯片來進行系統(tǒng)檢驗，為了降低驗證的復雜度，我們?yōu)樾乱淮鶰CU產(chǎn)品提供芯片上（on-chip）的偵錯方式。它采用單線調(diào)試接口，可以實現(xiàn)汽車評估或一致性測試，并且能夠利用通用同軸電纜、在高達10米的范圍內(nèi)實現(xiàn)小型 ICE 主單元和目標電路板之間的通信。這可以簡化按照常規(guī)難以實現(xiàn)的汽車評估。

圖3　運用芯片上偵錯實現(xiàn)汽車評估

3 結(jié)論

電子系統(tǒng)在汽車中的應用越來越復雜，車用MCU也發(fā)揮越來越重要的作用。由于汽車儀表板和車身控制設計，必須以為駕駛者提供精準的信息和提供舒適的乘車體驗為前提，因此，MCU必須滿足更高的性能和設計的要求，為開發(fā)應用帶來幫助。