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汽车电子中MCU技术原理及需求分析

助工
2020-05-25 22:37:00    评分

微控制器(MCU)作为汽车电子系统内部运算和处理的核心,也遍布悬挂、气囊、门控和音响等几十种次系统(Sub-System)中。由于汽车作为高速交通工具承载了对用户生命安全的保障,同时汽车经常工作在十分恶劣的环境中,其对内部电子设备的可靠性要求要远高于一般性电子产品。因此汽车电子所用的MCU与一般性产品的结构差异虽然并不很大,而一般的MCU产品由于可靠性不能符合厂商的要求而并不能被选用,这也是汽车电子产品同一般性电子产品市场的区别之一。

  技术特性需求

  CAN和LIN是最常见的车身系统总线接口,因此汽车电子类MCU除了在可靠性和抵抗恶劣环境等方面有较高要求外,还要能实现对上述总线接口的支持。

  CAN总线即控制器局域网 (Controller Area Net),是一种现场总线,最初由德国BOSCH公司为汽车监测和控制而设计,主要用于各种过程检测及控制。CAN总线分为高速CAN和低速CAN,前者主要用于动力和安全等关键性的应用,如发动机控制单元、自动变速器控制、ABS控制、安全气囊控制等;后者则通常针对一般性车身应用,如集控锁、行李箱锁、车窗,及车内灯光等。CAN总线的协议也在不断演进发展,从最早期的1.x版本已发展到目前的CAN2.0A及其扩展版CAN2.0B,其中CAN2.0B又分为主动(Active)式和被动(Passive)式。

  由于CAN总线协议的版本和分类不同,对车用MCU的要求也有差异。除了提到的协议版本,CAN总线控制器缓存和接收过滤器的数量也影响了MCU的选用。如图所示,ST的CAN控制器针对不同的应用场景,有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同类型。其中如beCAN、bxCAN两款适合中高端车身功能控制及低端网关;FullCAN适合引擎管理系统;cCAN则适合高端的网关和动力传动控制。

  LIN(Local Interconnect Network)总线是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总线,主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络。在带宽要求不高、功能简单、实时性要求低的场合,如车身电器的控制等方面,使用LIN总线可有效的简化网络线束、降低成本、提高网络通讯效率和可靠性。如图所示,LIN主要适合于车内空调控制(Air-CondiTIoning Control)、车门控制模块(Door Modules)、座椅控制、智能性交换器(Smart Switches)、低成本传感器(Low-Cost Sensors)等分布式通讯应用。

  LIN的应用领域

  网关控制器

  车内网关控制器(Gateway)的作用是车内电子系统中不同网络的通讯枢纽,使分布在车身内的各个单元可实现沟通。网关一般包括总线收发器、稳压器(Regulator),以及支持多种网络协议的低成本、高效能微控制器;并广泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等车用电子通讯接口。网关控制器设计上比较灵活,一般厂家会依据自己的需求而定制。针对不同的应用,其可以集成在车身控制单元或仪表组件等设备当中,也可以作为一个独立的模块出现。

  嵌入式闪存的作用

  MCU嵌入式内存可为满足工控机系统的需求提供保障,稳定性可得到提升,也有助于实现更低的成本和增大工作处理的弹性。因此在MCU上提供嵌入式内存,甚至整合DSP的单元,已成为目前的设计趋势。

  车用MCU嵌入式内存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash,其中NOR Flash作为微控制器程序及数据储存的内存可使MCU具有更高的弹性,已逐渐成为目前设计的主流。由于嵌入内存而使MCU无需与外部组件进行高速串连,因此不易产生信号干扰的问题,降低了接线的复杂度,提高了稳定性。此外,嵌入式内存省去了外接元件,也可有效减少PCB尺寸,给产品设计更大的灵活性。在数据安全性方面,MCU嵌入式内存的数据保护机制可实现较高的可靠性,保证其中的数据免遭盗取。

  DSP提升设计弹性

  数字信号处理(DSP)技术是当今高科技数码产业的技术基础。从MP3随身听到航空航天等的高技术应用,DSP技术无所处不在并增长迅速。在汽车电子系统设计中,除在上文提到的在MCU嵌入内存外,为MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升数据处理的弹性。DSP属于系统的软件功能范畴,因此可灵活地根据厂商或客户的需求进行功能改进和升级。此外,DSP与处理器(ARM、PowerPC等)相结合可实现多任务分工处理,例如可把关键的控制功能交由处理器完成,而让DSP专职进行运算方面的工作,这样可降低系统功耗并提高处理效率。

  DSP一般用于处理大量的数字信号、编解码,及通信数据分析。在汽车电子系统中,例如车载辅助路况警示安全系统,DSP可用于处理和识别复杂的路况信息并及时为司机提供实时建议和警告。

  16位车用MCU的应用场景

  MCU的处理能力与应用场合

  车载MCU的市场主要集中在8、16和32位的微控器,可按汽车电子产品的不同需求用于不同性能的场景。

  8位MCU:主要应用于车体的各个次系统,包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。

  16位MCU:主要应用为动力传动系统,如引擎控制、齿轮与离合器控制,和电子式涡轮系统等;也适合用于底盘机构上,如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制,和电子帮浦、电子刹车等。

  32位MCU:主要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统(TelemaTIcs)、引擎控制,以及新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统,如预碰撞(Pre- crash)、自适应巡航控制(ACC)、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能,以及复杂的X-by-wire等传动功能。

  结论

  汽车电子在整体车身成本中的比重越来越显著,MCU的重要性也不断得到提升。而汽车电子有其特殊的门槛,即安全性和可靠性的考虑。因此MCU在实现较高的智能性、操控性、实时性,和弹性的同时,必须要能满足较高标准的可靠性要求,以保障行车的安全。




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