車用32位微控制器技術(shù)分析
過(guò)去到現(xiàn)在,微控制器已經(jīng)從4位、8位,逐漸發(fā)展到16位與32位的應(yīng)用,所投入的廠商也不在少數(shù)。在應(yīng)用方面,更是滲透并融入了人們生活周遭的各個(gè)領(lǐng)域中。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),舉凡操作接口有其相關(guān)的領(lǐng)域,或多或少都能發(fā)現(xiàn)到微控制器的蹤跡。甚至在許多國(guó)家中,已經(jīng)進(jìn)一步將微控制器的使用數(shù)量與市場(chǎng)規(guī)模,評(píng)估一個(gè)地區(qū)的收入、經(jīng)濟(jì)狀況的重要指標(biāo)之一,再加上家電、消費(fèi)性電子,以及汽車工業(yè)的應(yīng)用與加持之下,使得微控制器在這幾年里充滿了各界的期待。
從微控制器于汽車市場(chǎng)的應(yīng)用層面來(lái)看,不論是從汽車內(nèi)部主體來(lái)看,如:主(被)動(dòng)式安全設(shè)備、發(fā)電(動(dòng))機(jī)管理、底盤、引擎與車身控制,或者是以附加功能的車載式多媒體、娛樂(lè)、影音及信息系統(tǒng),都可以見(jiàn)到微控制器(MCU)大幅應(yīng)用的例子。那么微控制器為何會(huì)受到汽車電子廠商的關(guān)注?這是因?yàn)槠嚿系碾娮酉到y(tǒng)開始朝向?qū)崟r(shí)多任務(wù)管理、因特網(wǎng)與通信功能…等高階應(yīng)用下的產(chǎn)物,增加了車用電子系統(tǒng)、設(shè)備的智能化、實(shí)時(shí)性和可靠性程度。因此,為了使微控制器能順利的進(jìn)入汽車領(lǐng)域,除了必須要能有其基本特性之外,還兼?zhèn)湮磥?lái)智能型汽車強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能、系統(tǒng)集成度、適應(yīng)高溫、潮濕、振動(dòng)和電磁輻射干擾等。
過(guò)去曾經(jīng)以8位、16位作為車用微控制器的解決方案,但,其同樣性質(zhì)的微控器產(chǎn)品大都只能在穩(wěn)定中求得成長(zhǎng)。不過(guò),在汽車領(lǐng)域中,成長(zhǎng)幅度驚人的還是以32位/微控制器為主,另外還包括:上網(wǎng)手機(jī)、PDA、打印機(jī)、數(shù)字相機(jī),及其它應(yīng)用對(duì)其需求也不容小看,逐年的成長(zhǎng)率都能保持在30%以上。
從32位/微控制器產(chǎn)品角度來(lái)分析,即使以目前汽車市場(chǎng)份額的比重,還不能夠與8、16位/微控制器相比擬,也沒(méi)有辦法像消費(fèi)電子領(lǐng)域?qū)⑵渲苯痈鼡Q,但目前還是逐步地以快速成長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)向前邁進(jìn)。另一個(gè)主要關(guān)鍵,在于32位/微控制器的應(yīng)用產(chǎn)品大多為汽車電子領(lǐng)域中的新興產(chǎn)品,就像是中、高階汽車上所運(yùn)用的影音多媒體系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等,因?yàn)橹T如此類的系統(tǒng)設(shè)備大都需要較高的處理速度。有此可見(jiàn),32位/車用微控制器未來(lái)的發(fā)展空間有多大,預(yù)估在未來(lái)幾年中,其產(chǎn)值可望能夠一舉超越8、16位,成為微控制器市場(chǎng)中主流的應(yīng)用產(chǎn)品。
換個(gè)角度,從應(yīng)用面來(lái)看,由于微控制器所搭載的內(nèi)存已由過(guò)去的MaskROM走到今日的以Embedded Flash為主流,在產(chǎn)品架構(gòu)方面,微控制器與AD/DA等模擬組件的結(jié)合也成為強(qiáng)化本身價(jià)值的主要趨勢(shì)。因此,32位/微控制器內(nèi)存主要有MASK ROM、FLASH Memory(閃存)、On-Time Programmable(OTP) Memory等,在MASK ROM的價(jià)格上具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì),而FLASH Memory有加速產(chǎn)品開發(fā)的特性,On-Time ProgrammableMemory則介于兩者之間,一方面提供多種版本的微控制器供客戶使用,另一方面,F(xiàn)lash-Based 微控制器最大的好處就是能夠快速改變程序,藉此達(dá)到縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。由此可見(jiàn),因?yàn)?2位/微控制器所具備的靈活應(yīng)用性,可讓車廠在配置車輛時(shí)的特性集成及控制算法有很大幫助。
最后,在由技術(shù)面來(lái)看,微控制器應(yīng)具備更強(qiáng)的功能,這是因?yàn)槊鎸?duì)到汽車多變的應(yīng)用環(huán)境,不僅對(duì)硬件穩(wěn)定性、可靠性要求很高,還必須要考慮設(shè)備的延展性。因此,要如何選擇一項(xiàng)具有優(yōu)勢(shì)的嵌入式設(shè)備控制器,就顯得相當(dāng)重要,使控制器能夠長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)在惡劣環(huán)境下,能夠因應(yīng)高振動(dòng)、高沖擊、低溫、高溫、溫度變化劇烈和高濕度等環(huán)境問(wèn)題。
閃存微控制器MB91F467D,針對(duì)下一世代汽車電子應(yīng)用所設(shè)計(jì),并采用0.18μm制程技術(shù),具備更快速、儲(chǔ)存大容量及更多的功能。MB91F467D采用嵌入式閃存技術(shù),具備讀出保護(hù)功能的1,088kB的儲(chǔ)存容量。閃存芯片內(nèi)建的預(yù)取與彈性快取功能,可確保連接至I-bus和F-bus的內(nèi)存之最佳效能。MB91F467D微控制器提供64kB嵌入式RAM與32位數(shù)據(jù),26位地址的外部總線接口,可用來(lái)連接外部?jī)?nèi)存,如:SDRAM、脈沖模式(urst-mode)閃存、或者用于繪圖顯示控制器(GDC)。具有3個(gè)CAN接口各自擁有32個(gè)訊息緩沖器與5個(gè)LIN-UART,而其中4個(gè)內(nèi)建16 Byte Rx 和Tx FIFOs,可用來(lái)提高傳輸速度,而3個(gè)I2C模塊則讓該控制器的序列通訊接口更加完整。
基本上,MB91F467D是藉由內(nèi)建8個(gè)自由運(yùn)行定時(shí)器而強(qiáng)化其定時(shí)器功能。此8個(gè)自由運(yùn)行定時(shí)器是做為8個(gè)ICU與4個(gè)OCU模塊、8個(gè)重裝定時(shí)器、3個(gè)Up/Down計(jì)數(shù)模式、以及1個(gè)以4MHz主要石英振頻或32 kHz子頻率振頻運(yùn)作的實(shí)時(shí)頻率(RTC)模塊的時(shí)間基礎(chǔ)。除了具備6信道步進(jìn)馬達(dá)控制器接口,來(lái)控制儀表板設(shè)備外,MB91F467D還內(nèi)建12信道16位脈沖產(chǎn)生器(PPG)的脈沖產(chǎn)生模塊、1個(gè)聲音產(chǎn)生器,另一個(gè)則是功率因子模式(PFM)模塊,而芯片中相位鎖定回路(PLL)的內(nèi)部工作頻率可高達(dá)96MHz。
MB91F467DA亦具備24信道10位模擬轉(zhuǎn)數(shù)字控制器與1個(gè)警示比較器輸入端等模擬功能,并加強(qiáng)了I/O驅(qū)動(dòng)功能包含:2mA、5mA、或30mA的SMC驅(qū)動(dòng)器。另外,MB91F467DA包含各種輸入端,例如:汽車、CMOS磁滯(Hysteresis),甚至是晶體管邏輯電路(TTL)。所有輸入端皆包含內(nèi)部提升電阻,可以確保未使用過(guò)的針腳處于開啟狀態(tài)。MB91F467DA采用的是208針腳的無(wú)鉛純錫方型扁平式(QFP)封裝技術(shù)。此外,此款微控制器的工作溫度介于攝氏-40℃到105℃之間,運(yùn)作供電電壓則介于3V到5.5V之間。
在車載式逆變器控制的32位方面,瑞薩半導(dǎo)體開發(fā)出RISC微控制器SH7147F,內(nèi)建256KB的閃存。SH7147F是過(guò)去瑞薩所開發(fā)SuperH系列SH7047F的二代產(chǎn)品,采用了與SH7047F相同的100針小型封裝,功能與性能均高于SH7047F,并能夠與目前產(chǎn)品軟件兼容,以現(xiàn)有程序便能直接取代。
SH7147F使用SH-2CPU內(nèi)核,工作頻率從SH7047F的50MHz提高到了64MHz,處理性能約為SH7047F的1.3倍。此外由于配備了閃存,可隨時(shí)進(jìn)行一個(gè)周期的循環(huán)讀取,提高了程序處理能力。另外,新開發(fā)的12位AD轉(zhuǎn)換器,其轉(zhuǎn)換時(shí)間比過(guò)去的10位AD轉(zhuǎn)換器縮短了大約30%,可同時(shí)取樣、同時(shí)轉(zhuǎn)換的信道數(shù)從2個(gè)系統(tǒng)增加到了最多6個(gè)系統(tǒng)。最后,還有一個(gè)通道配備了支持車載LAN的CAN的接口,除了可以運(yùn)用在汽車的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、混合動(dòng)力車等的逆變器控制之外,還可以應(yīng)用于通用逆變器和交流伺服(AC SERVO)等。
MPC5566是基于Power Architecture技術(shù)的MPC55xx車用控制器系列之一,內(nèi)嵌的大容量閃存能解決汽車業(yè)對(duì)內(nèi)嵌式內(nèi)存持續(xù)增加的需求,讓研發(fā)人員得以設(shè)計(jì)更先進(jìn)的動(dòng)力引擎控制系統(tǒng),不僅可提高增加燃油效率,還可降低有害的廢氣排放。大型單芯片閃存數(shù)組能提供研發(fā)人員高效能解決方案,以支持更精密、內(nèi)存存取密集(memory-intensive)的引擎控制功能。
雖然,MPC5566控制器是MPC55xx系列的第七代組件,而這一系列組件具備可擴(kuò)充特性,其接腳和原始碼均兼容(pin-and code-compatible),可在多重應(yīng)用中重復(fù)使用原始碼。MPC55xx是以節(jié)能的e200核心為基礎(chǔ),并采用Power Architecture技術(shù)。利用MPC55xx的設(shè)計(jì)技術(shù),可協(xié)助減少程序代碼(code footprint)達(dá)30,以增加程序代碼密度并降低內(nèi)存需求的可變長(zhǎng)度編碼(VLE)功能,而根據(jù)特定裝置,最高可達(dá)32k快取。該組件還具備數(shù)字訊號(hào)處理器(DSP),以及浮點(diǎn)運(yùn)算的單一指令復(fù)合數(shù)據(jù)(SIMD)模式,可提升功能的自動(dòng)編碼及功能性整合,如:爆震偵測(cè)系統(tǒng)。
TMS320系列中的F28015和F28016數(shù)字訊號(hào)控制器提供60MHz效能,TMS320F2801-60和F2802-60控制器是以現(xiàn)有的TMS320F2801和F2802組件為基礎(chǔ),同樣提供60MHz效能。TI F280xx控制器系列共包含11顆軟件和接腳兼容的組件,都具備32位DSP高效能運(yùn)算核心、高度外圍整合以及易于使用等優(yōu)點(diǎn),最適合設(shè)計(jì)人員升級(jí)目前以微控制器為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。
所有以F280x為基礎(chǔ)的組件都采用32位數(shù)據(jù)路徑以提高效能,16/32位混合指令集則能增加程序代碼密度。這些擁有高系統(tǒng)整合度的控制器全都內(nèi)建完整的系統(tǒng)控制功能,包括訊號(hào)輸入、12位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、正交編碼器脈沖 (QEP) 界面、定時(shí)器的擷取與比較、以及高達(dá)10組獨(dú)立脈沖寬度調(diào)變 (PWM) 信道的訊號(hào)輸出。這些控制器還能視實(shí)際配置的組件而定,提供CAN、I2C、UART和SPI端口等通訊界面。TMS320F28016是最低成本的數(shù)字訊號(hào)控制器,內(nèi)含CAN通訊界面。CAN長(zhǎng)期以來(lái)就是汽車電子常用的界面,不僅適合噪聲水平很高的工業(yè)應(yīng)用,還具備錯(cuò)誤偵測(cè)與錯(cuò)誤處理能力,為應(yīng)用系統(tǒng)提供強(qiáng)大可靠的通訊能力。
業(yè)界第一個(gè)ARM9核心90 奈米微控制器LPC3180,這個(gè)新的32位微控制器,不僅能夠提供高效能和低功耗的優(yōu)勢(shì),也是唯一提供向量浮點(diǎn)輔助處理器、整合式USB OTG、以及在0.9V電壓下操作極低消耗功率模式能力的ARM9核心微控制器。飛利浦LPC3180的最高速率可達(dá)208 MHz,為許多高精度應(yīng)用的理想選擇,例如銷售點(diǎn)管理系統(tǒng)(POS)設(shè)備、醫(yī)療及工業(yè)裝置、全球定位系統(tǒng)(GPS)、機(jī)器人等。
LPC3180彈性的電源管理能夠容許高峰值效能(尤其是當(dāng)執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算時(shí)),同時(shí)也允許系統(tǒng)在保留實(shí)時(shí)頻率(real-time clock)和喚醒(wake-up)功能時(shí)關(guān)閉核心電源。這個(gè)新的微控制器是目前業(yè)界唯一能夠提供高速且高效率硬件向量浮點(diǎn)輔助處理單元的ARM9微控制器。這個(gè)硬件向量浮點(diǎn)輔助處理器在scaler mode下可加速達(dá)4~5倍,而在最佳化的Vertor mode下達(dá)到更高的加速效能。
為汽車市場(chǎng)推出首個(gè)采用ARM9的32位引擎控制器(ECU),產(chǎn)品編號(hào)為ML67Q2003微控制器,采用272接腳QFP封裝,具有雙通道CAN,它的頻率頻率達(dá)80Hz。此項(xiàng)產(chǎn)品整合ARM966E-S核心CPU、ARM VFP-9向量浮點(diǎn)協(xié)同處理器、1MB嵌入式閃存和48KB SRAM,可處理復(fù)雜的燃燒監(jiān)視,提高燃料效率,還可以處理其它關(guān)鍵的引擎功能,如油門、定時(shí)、油溫及壓力、電池、傳輸及車閘等。
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