基于混合信號(hào)技術(shù)的汽車電子單芯片方案

隨著汽車部件電子化程度的不斷提高，汽車工程師們正積極地尋求車輛系統(tǒng)中的先進(jìn)控制和接口技術(shù)解決方案。目前，汽車系統(tǒng)中用來(lái)嵌入這些功能單元的空間和能源十分有限，汽車工程師們正借助于新穎的高壓混合信號(hào)技術(shù)將復(fù)雜的——截至目前還不兼容的元件功能集成到一塊芯片上?，F(xiàn)在，應(yīng)用與42V車載電壓兼容的I3T高電壓技術(shù)已經(jīng)可以將復(fù)雜的數(shù)字電路(如傳感器)、嵌入式微處理器以及功率電路(如激勵(lì)源或開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器)集成到一起。

LIN總線系統(tǒng)
由于其相對(duì)較低的造價(jià)，LIN總線正被廣泛應(yīng)用于汽車的分布式電氣控制系統(tǒng)中，如控制電動(dòng)車窗、調(diào)節(jié)后視鏡和車前燈等部位的步進(jìn)馬達(dá)和直流電源，或管理傳感器采集到的關(guān)于氣溫或座位位置的信息等。LIN總線的傳輸字節(jié)高達(dá)20kbps。基于單主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，通常，從節(jié)點(diǎn)安裝在收發(fā)器、微控制器、傳感器的接口或由分立元件組成的激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器的周圍。最近研制出了一種帶有LIN總線異步收發(fā)裝置(UART)的微控制器，這種微控制器可同集成有其它從節(jié)點(diǎn)模塊(如LIN總線收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器、看門(mén)狗定時(shí)器、激勵(lì)驅(qū)動(dòng)器和傳感器接口)的附件一起配套使用。目前，AMI半導(dǎo)體(AMIS)公司利用混合信號(hào)技術(shù)將關(guān)鍵的從節(jié)點(diǎn)模塊全部集成在了一個(gè)功能專一、功耗低、符合標(biāo)準(zhǔn)IP模塊的芯片上，將LIN總線的發(fā)展又推進(jìn)了一步。該方案的特點(diǎn)有：
?集成RC振蕩器，誤差≤15%；
?專用IP模塊(如DC或微型步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器)；
?遵守LIN總線V1.3協(xié)議；
?傳輸速率高達(dá)20kbps(特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))；
?低頻收發(fā)；
?睡眠/旁路模式中的低電流損耗；
フ伎氈鵲謀浠段?2~88%，滿足潛在的市場(chǎng)需求。
圖1為一個(gè)集成有LIN總線的從節(jié)點(diǎn)中主要元件的結(jié)構(gòu)框圖。AMIS的方案提供了應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層需要的所有主要功能模塊。這些功能模塊可以用VHDL代碼編程、用AMIS開(kāi)發(fā)板評(píng)估，下文將對(duì)它們作簡(jiǎn)要的介紹。
帶有數(shù)字濾波器的采樣模塊
該模塊從接收器中采集信號(hào)，并將結(jié)果數(shù)據(jù)流通過(guò)數(shù)字濾波器，以除掉由于LIN總線信號(hào)的衰減可能造成的偽傳輸。因此，該模塊提高了LIN協(xié)議在惡劣環(huán)境中應(yīng)用的性能，并最大程度上減少了同步和數(shù)據(jù)采樣中的問(wèn)題。
同步機(jī)
同步機(jī)模塊從同步域中提取所需的信息，以決定編碼器和解碼器的準(zhǔn)確采樣速率。該模塊具有內(nèi)部晶振，并采用了一種可將傳統(tǒng)的UART技術(shù)中偶爾發(fā)生的舍/入誤差減到最小的技術(shù)。同步機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于能用較低的時(shí)鐘頻率來(lái)執(zhí)行LIN協(xié)議。例如，可以使用一個(gè)250KHz的主時(shí)鐘及15%的容差來(lái)獲得精確無(wú)誤的通訊。另外，AMIS的方案實(shí)現(xiàn)了占空比較大的變化范圍。典型的UART在晶振零誤差的情況下能實(shí)現(xiàn)占空比在33~66%間的變化。然而，運(yùn)用AMIS解決方案可實(shí)現(xiàn)占空比在12~88%間的變化，并能完全適應(yīng)晶振的誤差。在對(duì)物理層參數(shù)提供了較大容差的同時(shí)，也提高了對(duì)占空比影響較大的電磁兼容性。
標(biāo)識(shí)符濾波器及其動(dòng)態(tài)管理
主節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行的初始及運(yùn)行過(guò)程中依據(jù)需要發(fā)布不同的從指令標(biāo)識(shí)符。為此，從節(jié)點(diǎn)要包含一定數(shù)目的寄存器。ROM指令數(shù)陣列指的是從節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行的不同指令，在RAM或EEPROM中含有相應(yīng)的標(biāo)識(shí)符。地址寄存器模塊識(shí)別同一LIN總線上的不同從節(jié)點(diǎn)，而第二ROM陣列是為不同的應(yīng)用和執(zhí)行過(guò)程識(shí)別不同的從節(jié)點(diǎn)。標(biāo)識(shí)符濾波器依據(jù)分配的標(biāo)識(shí)符以決定指令的執(zhí)行與否，若標(biāo)識(shí)符存在于隊(duì)列中，則執(zhí)行該指令，否則不執(zhí)行。
糾錯(cuò)
錯(cuò)誤識(shí)別模塊處于數(shù)據(jù)鏈路層，而糾錯(cuò)卻是在應(yīng)用層執(zhí)行。因此，由嵌入式微控制器在軟件中定義誤差量。應(yīng)用層中的糾錯(cuò)模塊包含一個(gè)狀態(tài)寄存器，每一種錯(cuò)誤都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤標(biāo)志位，并由該標(biāo)志位向微處理器的內(nèi)核產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求。錯(cuò)誤標(biāo)志可通過(guò)對(duì)狀態(tài)寄存器執(zhí)行讀操作來(lái)清除。每次錯(cuò)誤直接中斷通訊，從而導(dǎo)致一個(gè)位錯(cuò)誤以停止發(fā)送字節(jié)。進(jìn)而這一幀信息被忽略，從節(jié)點(diǎn)等待下一個(gè)中斷域。
幀緩沖器
幀緩沖器是將送給微處理器內(nèi)核的中斷減到最小的另一個(gè)途徑。它與標(biāo)識(shí)符濾波器配合使用，可將中斷的數(shù)量減到每幀一次。該緩沖器中含17個(gè)字節(jié)(一個(gè)標(biāo)識(shí)符、八個(gè)發(fā)送字節(jié)、八個(gè)接收字節(jié))。
內(nèi)核/狀態(tài)機(jī)及應(yīng)用接口
根據(jù)需要，AMIS可提供不同的內(nèi)核。內(nèi)核與LIN控制器間通過(guò)中斷信號(hào)和特殊功能寄存器(SFR)實(shí)現(xiàn)連接，LIN控制器可看作是SFR總線上的一個(gè)外圍器件。除了這些LIN總線特點(diǎn)外，與同類半導(dǎo)體處理技術(shù)平臺(tái)一樣，AMIS開(kāi)發(fā)了一個(gè)廣泛的IP模塊庫(kù)，包括貳⑵和SAR ADC模塊、輸出電流可達(dá)0.3A的延時(shí)觸發(fā)器及輸出電流達(dá)3A的H橋。當(dāng)然，運(yùn)用從節(jié)點(diǎn)只是整個(gè)功能中的一部分，通過(guò)給它們提供足夠功率以將它們集成在當(dāng)今汽車中是汽車電氣工程師的下一個(gè)重要挑戰(zhàn)。

42V電源技術(shù)方案
一個(gè)理想的汽車電源方案中，電源等級(jí)將會(huì)從傳統(tǒng)的12V電池電壓轉(zhuǎn)換成42V電源系統(tǒng)。而在42V系統(tǒng)中，電源等級(jí)還將會(huì)不斷地升高。例如，系統(tǒng)整個(gè)壽命周期中的最大工作電壓設(shè)定在50V，如果存在著8V最大動(dòng)態(tài)過(guò)電壓，電源電壓就會(huì)達(dá)到58V。增加一個(gè)12V的外部驅(qū)動(dòng)負(fù)荷泵，將會(huì)使系統(tǒng)的電壓需求達(dá)到70V，再增加一個(gè)ESD保護(hù)窗，系統(tǒng)電壓將達(dá)到80V。而且汽車的半導(dǎo)體器件不僅要承受較高的電壓，同時(shí)還必須具備足夠的魯棒性以滿足其苛刻的運(yùn)行環(huán)境，比如，應(yīng)滿足運(yùn)行溫度在-40℃~+200℃范圍的需求。到目前為止，承受較高電壓和滿足苛刻運(yùn)行條件的需求是42V汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用智能SoC技術(shù)的重大障礙。
 AMI半導(dǎo)體的I3T80是一種基于0.35mm CMOS工藝的80V電源智能模塊集成技術(shù)。滿足42V汽車系統(tǒng)惡劣的運(yùn)行條件。由此技術(shù)開(kāi)發(fā)出的設(shè)備包括電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器、DC-DC變換器、具有帶寬濾波器的高精度模擬電路以及ADC和DAC等。而且I3T80能夠嵌入集成總計(jì)超過(guò)150000個(gè)門(mén)電路，其通信協(xié)議模塊包括PLL、USB、總線協(xié)議控制器、CAN和LIN通信控制器。除此之外，它還提供了ROM和RAM存儲(chǔ)器。

結(jié)語(yǔ)
在新型汽車電子應(yīng)用中，隨著電子部件不斷地增加，汽車設(shè)計(jì)者們正在尋求一種合理的解決方案。這樣，高集成度、高可靠性SoC解決方案應(yīng)運(yùn)而生。這種解決方案技術(shù)要求能夠簡(jiǎn)化執(zhí)行步驟，減少與不同電子系統(tǒng)之間的控制和接口成本。AMIS的高電壓、混合信號(hào)技術(shù)滿足了這種需要。它把半導(dǎo)體解決方案與專用IP模塊結(jié)合在一起，能夠滿足任何標(biāo)準(zhǔn)接口通信總線(LIN、CAN)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用，同時(shí)與42V電壓等級(jí)方案兼容。■ (趙棟利譯自IQ)