單片機(jī)在汽車動力總成應(yīng)用領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)及對策

　　前言

　　近二十年來，汽車中的半導(dǎo)體電子元器件成分及復(fù)雜程度一直呈增長的趨勢。據(jù)統(tǒng)計，目前汽車中90%的新發(fā)明都與電子器件的運(yùn)用直接相關(guān)。某些歐洲高檔車型(如BMW7系列）中的電子控制單元(ECU）已多達(dá)80個以上。這些ECU依靠網(wǎng)絡(luò)相互通訊聯(lián)系，形成一個龐大復(fù)雜的系統(tǒng)。它們的工作情況，直接影響到汽車的性能。眾所周知，每個ECU中一般至少有一個“大腦”——單片機(jī)。這些單片機(jī)的性能、功能和可靠性，對ECU能否正常工作是至關(guān)重要的。

　　汽車動力總成系統(tǒng)是指車輛內(nèi)部產(chǎn)生動力并傳輸這些動力的所有部件的總稱，其主要部分包括發(fā)動機(jī)系統(tǒng)及動力傳輸系統(tǒng)。動力總成系統(tǒng)ECU的設(shè)計之難是公認(rèn)的，因此，關(guān)注這個領(lǐng)域出現(xiàn)的新問題以及它們給單片機(jī)所提出的挑戰(zhàn)并
找到有關(guān)對策，就顯得意義重大。

　　系統(tǒng)性能的急速增加

　　當(dāng)前，全球汽車工業(yè)面臨的重要課題是如何不斷地降低汽車油耗、減少排放以及進(jìn)一步提高其駕駛性能。要做到這些，就要求ECU，特別是用于發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)(EMS）中的ECU具備運(yùn)算能力越來越強(qiáng)大的單片機(jī)，以完成軟件中各種復(fù)雜的算法和控制及實現(xiàn)各種硬件功能。

　　圖1以英飛凌(Infineon）單片機(jī)的演變?yōu)槔?，顯示了汽車用單片機(jī)30年中運(yùn)算性能的發(fā)展趨勢及同一時期平均油耗和排放的變化情況。從該圖中可以清楚地看到單片機(jī)的運(yùn)算性能在同樣成本的基礎(chǔ)上以每年30%~60%的速度增加，而車輛的平均油耗則呈不斷下降的趨勢，這在目前國際油價居高不下的形勢下顯得更有意義；同時更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)逐一出臺。目前，歐洲各汽車廠正在為所有2009年9月后出廠的新車能滿足EURO5排放標(biāo)準(zhǔn)而緊鑼密鼓地做準(zhǔn)備。

　　汽車動力總成系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域的ECU，根據(jù)其用途大致可分為五大類：一是輔助型系統(tǒng)(Auxiliary Subsystem），如變速器控制或發(fā)動機(jī)散熱控制模塊；二是經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)，如某些低檔1~4缸的汽油EMS或摩托車EMS；三是基本型系統(tǒng)，如3~5缸的汽油EMS，混合型燃料的摩托車EMS；四是主流型系統(tǒng)，如4~8缸的汽油EMS和4缸柴油EMS；五是高檔型系統(tǒng)，如6~12缸的柴油EMS及直噴型汽油EMS。

　　可以預(yù)見的是，在今后五年內(nèi)，除了第一種類別外的所有其它系統(tǒng)中的單片機(jī)的運(yùn)算性能及片內(nèi)存儲器都會大致按照“摩爾定律(Moore’s Law）”增加。雖然對輸入/輸出口及定時器數(shù)量的需求不會有大的變化，但來自傳感器的數(shù)字輸入會增加，同時，需要更快速、精確度也更高的模數(shù)轉(zhuǎn)換器單元。

　　每個動力總成系統(tǒng)類別有各自的特點及市場定位，其所用的單片機(jī)的運(yùn)算性能和片內(nèi)存儲器的大小也不同。輔助型系統(tǒng)將由于其安裝方式的不同和更多機(jī)電一體化(Mechatronization）的情況出現(xiàn)而變得更多樣化，但所用的單片機(jī)的運(yùn)算能力將變化不大，仍在10~40MIPS(注：指單片機(jī)系統(tǒng)總的有效數(shù)據(jù)傳輸速率而非內(nèi)核本身僅有的數(shù)據(jù)處理能力，下同）之間，其內(nèi)部存儲器的大小一般會小于0.5MB。

　　經(jīng)濟(jì)型系統(tǒng)主要是用與摩托車或新興市場(如印度）的微型汽車，其單片機(jī)的運(yùn)算能力及內(nèi)部存儲器分別增加到約80MIPS及768KB左右。
基本型系統(tǒng)將承受由產(chǎn)品商品化引起的成本壓力，低成本小型汽車的普及更加印證了這一趨勢。在這一類別中，單片機(jī)的計算能力和內(nèi)部存儲器會增加至90MIPS及718~1024KB左右。

　　主流型發(fā)動機(jī)系統(tǒng)以優(yōu)化的系統(tǒng)成本及可升級性(Scalability）為主要特征。由于軟件標(biāo)準(zhǔn)化的要求(如AUTOSAR的采用）及一些高端功能在這類車型中被更多地使用，所需要的單片機(jī)的運(yùn)算性能也需大幅提高。此外，由于該類系統(tǒng)被用在多款車型中，其單片機(jī)內(nèi)部需攜帶更多的存儲器。這種類型系統(tǒng)中的單片機(jī)的運(yùn)算能力和內(nèi)部存儲器的容量將從目前約160MIPS及1.5MB分別增加到5年后的260MIPS及2MB~4MB的大小。

　　在高檔型發(fā)動機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)的運(yùn)算性能是至關(guān)重要的，預(yù)計會從目前的250MIPS增加到500MIPS，而同時內(nèi)部存儲器大小也會將從目前的2~4MB增加到4~5MB，在個別系統(tǒng)中甚至可達(dá)8MB。這么高的運(yùn)算性能和存儲容量如光靠一個單片機(jī)來完成，會面臨設(shè)計高度復(fù)雜、制造成本昂貴、內(nèi)部總線傳輸能力限制，甚至是芯片散熱困難等一系列問題。因此將來在這類ECU的設(shè)計中，會采用多核心(Multiple-core)或多單片機(jī)的方式來分散計算任務(wù)和產(chǎn)生的熱量。

　　系統(tǒng)成本降低的壓力

　　目前世界汽車業(yè)整體產(chǎn)能過剩是個不爭的事實，汽車零部件市場的競爭也趨白熱化。在這種形勢下，如何降低系統(tǒng)的開發(fā)和制造成本，成了每個ECU設(shè)計師所面臨的另一個難題。

　　軟件開發(fā)的成本在總開發(fā)成本上所占的比例越來越高。如圖2所示，從2000年到2010年間，汽車軟件市場以每年15%的速度增加。而與此同時，汽車半導(dǎo)體的市場增長率只有6.5%。預(yù)計到2010年，汽車總成本中的13%為其軟件成本。軟件在系統(tǒng)中的作用越來越重要，其復(fù)雜性也日益增加，但同時由于對軟件的規(guī)范也越來越嚴(yán)格，必須用更多的精力把來自不同開發(fā)者的軟件集成在一起，或?qū)④浖右愿脑煲赃m用于某個整車廠特定的應(yīng)用環(huán)境及硬件平臺，這些工作增加了成本。軟件標(biāo)準(zhǔn)化將有助于減少這些成本。AUTOSAR就是在這一形勢下形成的一個跨國組織。其會員包括了全球幾乎所有的主要汽車生產(chǎn)商、一級及二級零部件供應(yīng)商及軟件工具的開發(fā)商。該組織的宗旨是通過不斷的改進(jìn)軟件模塊的重復(fù)使用性和可交換性來更有效地管理由于電氣/電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度集成化所帶來的復(fù)雜性，從而有效地降低開發(fā)成本。

　　AUTOSAR的具體實施方法是生成符合一定標(biāo)準(zhǔn)的“基礎(chǔ)軟件(Basic Software）”平臺，這種平臺獨立于任何特定的單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)。英飛凌32位單片機(jī)TC1766被選為驗證AUTOSAR標(biāo)準(zhǔn)的32位單片機(jī)結(jié)構(gòu)。

　　隨著AUTOSAR逐漸被汽車界所接受，單片機(jī)的制造商必須采取適當(dāng)?shù)牟呗詠碇С诌@一標(biāo)準(zhǔn)。除了設(shè)計新產(chǎn)品時加入某些硬件上滿足其標(biāo)準(zhǔn)的功能，如更大Flash來放置更大的程序，更大的RAM來放置增多的變量及專門的存貯器保護(hù)單元(MPU）外，單片機(jī)制造商也需要在硬件推出的同時，向顧客提供單片機(jī)應(yīng)用層(MCAL）所用到的底層驅(qū)動軟件，并且與軟件工具的開發(fā)商緊密合作，以提供能產(chǎn)生全套“基礎(chǔ)軟件”的程序包(Suite）。

　　除了通過標(biāo)準(zhǔn)化來降低軟件成本外，有許多降低硬件成本的方法被逐漸采用。方法之一是由軟件來實現(xiàn)原來必需靠硬件來實現(xiàn)的功能。例如，英飛凌的32位單片機(jī)TC1796所具有的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元及強(qiáng)大的DSP計算能力，可以用來實現(xiàn)發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)中的爆震檢測和控制(Knock Detection and Control）。這種方案既節(jié)省了昂貴的ASCI硬件，又可將同一ECU用于多種傳感器、發(fā)動機(jī)及車型中，而且避免了因硬件本身老化或由溫度變化而引起的誤差，同時也增強(qiáng)了對信號的診斷能力。這種用軟件來代替硬件來實現(xiàn)某種功能的方法，也對單片機(jī)的運(yùn)算能力提出了進(jìn)一步更高的要求。

　　由于半導(dǎo)體器件集成度的不斷提高，ECU的尺寸可望做到越來越小，這樣就為采用全新的安裝方式提供了可能性。例如將ECU直接放到發(fā)動機(jī)機(jī)艙或變速箱中；或采用所謂“機(jī)電一體化”的概念，直接將ECU安裝在發(fā)動機(jī)冷卻風(fēng)扇系統(tǒng)中或渦輪增壓裝置上。這種方式，不但有可能節(jié)約硬件成本，還可能因此使機(jī)械和電子部分的零部件采購合二為一，從而改變汽車零部件的供貨模式，為供貨環(huán)節(jié)的優(yōu)化提供條件。但是，在這種新的安裝方式下，ECU所處環(huán)境的溫度往往會更高，甚至超過一般汽車用單片機(jī)能承受的最高125℃的溫度，能耐更高溫的單片機(jī)因此就顯得很重要。英飛凌最新推出的XC866HOT系列產(chǎn)品就是一個很好的例子。該8位單片機(jī)產(chǎn)品可以在140℃的高溫環(huán)境下連續(xù)工作達(dá)500小時。

　　ECU內(nèi)部與相互間通訊的復(fù)雜化

　　隨著單片機(jī)運(yùn)算性能的提高，傳統(tǒng)的串行通訊接口，如通用異步串行接口(UART)或同步串行口(SSC）在執(zhí)行ECU器件間的一些高速通訊時顯得力不從心，一些新的通訊接口就應(yīng)運(yùn)而生。如英飛凌在32位單片機(jī)AUTO-NG系列中采用的“Micro-link Interface(MLI）”及“Micro-second Communication(MSC）”就是這樣兩個例子。MLI是為了改善單片機(jī)與其它器件進(jìn)行數(shù)字通訊而設(shè)計的新一代高速串行口，其傳遞速度可達(dá)每秒30MB；而MSC主要是用于單片機(jī)與智能功率器件間的通訊，它的使用可以降低系統(tǒng)成本。

　　汽車各ECU之間的通訊相對于其內(nèi)部的通訊可能會更復(fù)雜。目前，ECU間的通訊主要是依靠“點對點”、LIN或CAN總線來進(jìn)行。相對于傳統(tǒng)上靠專用線索來完成“點對點”的通訊方式，總線的引入大大地減少線束的使用，減輕了汽車的自重，提高了通訊速度及可靠性。LIN總線主要是用于速度較慢的局部網(wǎng)絡(luò)；而CAN總線則大多是用于速度較快的骨干網(wǎng)絡(luò)中。有時某些ECU需充當(dāng)網(wǎng)關(guān)(GATEWAY）的角色而同時與幾種傳輸速度不同的CAN總線相通訊，這時單片機(jī)內(nèi)部往往需要帶有多路的CAN總線控制器，例如TC1796中的多通道CAN模塊就可同時支持4個CAN總線網(wǎng)絡(luò)。

　　隨著車內(nèi)ECU的數(shù)量的增加，所涉及的通訊界面和數(shù)量也越來越多，LIN和CAN總線有時就無法完成實時性很強(qiáng)的通訊任務(wù)，在這種情況下，采用新的通訊協(xié)議就成了必然。Flexray是目前汽車工業(yè)界公認(rèn)的下一代高速通訊協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。與CAN總線相比，F(xiàn)lexray不僅帶寬更高，而且可靠性和實時性更好。對動力總成系統(tǒng)中某些對實時性要求極高的應(yīng)用來講，F(xiàn)lexray無疑是一個更好的通訊方式。為了配合這一發(fā)展趨勢。世界主要汽車單片機(jī)的生產(chǎn)廠商都在新一代32位產(chǎn)品中集成了Flexray控制器。

　　結(jié)語

　　汽車的動力總成系統(tǒng)在整個車輛中的重要性是不言而喻的，而其中的ECU的設(shè)計是公認(rèn)的難題。國際上這個領(lǐng)域的動向,以及這些動向給所用單片機(jī)帶來的影響是許多業(yè)者所關(guān)注的。

　　本文扼要地介紹了因系統(tǒng)性能的快速增加、成本降低的壓力及ECU內(nèi)部與相互間通訊復(fù)雜化所引起的單片機(jī)設(shè)計和應(yīng)用方面新的變化和發(fā)展，其中包括提高其運(yùn)算能力和增加片內(nèi)存儲器的容量，引進(jìn)新的片內(nèi)外設(shè)單元，支持如AUTOSAR等新的軟件標(biāo)準(zhǔn)，用軟件來替代硬件來實現(xiàn)某些系統(tǒng)功能，提高單片機(jī)所能承受的環(huán)境溫度，以及采用新的通訊方式和協(xié)議來實現(xiàn)ECU內(nèi)部或相互間的高速通訊等。
    
　　參考文獻(xiàn)：

　　1. AUTOSAR組織的官方網(wǎng)站：www.autosar.org

　　2. Patrick Leteinturier: Automotive Semiconductor Trend & Challenge. Proceedings of the Conference on Design, Automation and test in Europe.

　　3. 英飛凌科技TC1796用戶手冊