單片機在汽車動力總成應用領(lǐng)域中面臨的挑戰(zhàn)及對策

　　前言

　　近二十年來，汽車中的半導體電子元器件成分及復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。這些單片機的性能、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)動機管理系統(tǒng)(EMS）中的ECU具備運算能力越來越強大的單片機，以完成軟件中各種復雜的算法和控制及實現(xiàn)各種硬件功能。

　　圖1以英飛凌(Infineon）單片機的演變?yōu)槔?，顯示了汽車用單片機30年中運算性能的發(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的運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；同時更嚴格的排放標準逐一出臺。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排放標準而緊鑼密鼓地做準備。

　　汽車動力總成系統(tǒng)的應用領(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)動機散熱控制模塊；二是經(jīng)濟型系統(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)中的單片機的運算性能及片內(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，其所用的單片機的運算性能和片內(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，但所用的單片機的運算能力將變化不大，仍在10~40MIPS(注：指單片機系統(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，其單片機的運算能力及內(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。由于軟件標準化的要求(如AUTOSAR的采用）及一些高端功能在這類車型中被更多地使用，所需要的單片機的運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，其單片機內(nèi)部需攜帶更多的存儲器。這種類型系統(tǒng)中的單片機的運算能力和內(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)動機系統(tǒng)中，單片機的運算性能是至關(guān)重要的，預計會從目前的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8MB。這么高的運算性能和存儲容量如光靠一個單片機來完成，會面臨設(shè)計高度復雜、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，汽車半導體的市場增長率只有6.5%。預計到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，其復雜性也日益增加，但同時由于對軟件的規(guī)范也越來越嚴格，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用環(huán)境及硬件平臺，這些工作增加了成本。軟件標準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軟件模塊的重復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準的“基礎(chǔ)軟件(Basic Software）”平臺，這種平臺獨立于任何特定的單片機硬件結(jié)構(gòu)。英飛凌32位單片機TC1766被選為驗證AUTOSAR標準的32位單片機結(jié)構(gòu)。

　　隨著AUTOSAR逐漸被汽車界所接受，單片機的制造商必須采取適當?shù)牟呗詠碇С诌@一標準。除了設(shè)計新產(chǎn)品時加入某些硬件上滿足其標準的功能，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單元(MPU）外，單片機制造商也需要在硬件推出的同時，向顧客提供單片機應用層(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）。

　　除了通過標準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TC1796所具有的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換單元及強大的DSP計算能力，可以用來實現(xiàn)發(fā)動機控制系統(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，也對單片機的運算能力提出了進一步更高的要求。

　　由于半導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)動機機艙或變速箱中；或采用所謂“機電一體化”的概念，直接將ECU安裝在發(fā)動機冷卻風扇系統(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能承受的最高125℃的溫度，能耐更高溫的單片機因此就顯得很重要。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位單片機產(chǎn)品可以在140℃的高溫環(huán)境下連續(xù)工作達500小時。

　　ECU內(nèi)部與相互間通訊的復雜化

　　隨著單片機運算性能的提高，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運而生。如英飛凌在32位單片機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是為了改善單片機與其它器件進行數(shù)字通訊而設(shè)計的新一代高速串行口，其傳遞速度可達每秒30MB；而MSC主要是用于單片機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雜。目前，ECU間的通訊主要是依靠“點對點”、LIN或CAN總線來進行。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)界公認的下一代高速通訊協(xié)議標準。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)部與相互間通訊復雜化所引起的單片機設(shè)計和應用方面新的變化和發(fā)展，其中包括提高其運算能力和增加片內(nèi)存儲器的容量，引進新的片內(nèi)外設(shè)單元，支持如AUTOSAR等新的軟件標準，用軟件來替代硬件來實現(xiàn)某些系統(tǒng)功能，提高單片機所能承受的環(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：

　　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