基于MCU的汽車(chē)性能提高設(shè)計(jì)

引言

在現(xiàn)在的汽車(chē)設(shè)計(jì)中，人們?cè)絹?lái)越注重智能和環(huán)保這兩個(gè)方面。因?yàn)橹悄芑钠?chē)可以為人們帶來(lái)高度的安全性和舒適感，在環(huán)保方面，通過(guò)使用數(shù)字技術(shù)達(dá)到節(jié)能省碳的目的。因此，數(shù)字化程度在汽車(chē)領(lǐng)域也愈來(lái)愈深，大到動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，小到車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)，無(wú)處不見(jiàn)電子組件的身影，它們被廣泛應(yīng)用在感測(cè)和操控上。

在汽車(chē)電子的各個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中，往往需要采用微控制器（MCU）做為運(yùn)作控制的核心，而汽車(chē)對(duì)電子系統(tǒng)的倚重，也刺激車(chē)用微控制器市場(chǎng)的快速成長(zhǎng)。車(chē)用微控器涵蓋8位、16位、32位等低、中、高階產(chǎn)品等級(jí)，各有其適合的應(yīng)用系統(tǒng)，大致如下：

8位MCU：主要應(yīng)用于車(chē)體的各個(gè)次系統(tǒng)，包括風(fēng)扇控制、空調(diào)控制、雨刷、天窗、車(chē)窗升降、低階儀表板、集線盒、座椅控制、門(mén)控模塊等較低階的控制功能。

16位MCU：主要應(yīng)用為動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統(tǒng)等；也適合用于底盤(pán)機(jī)構(gòu)上，如懸吊系統(tǒng)、電子式動(dòng)力方向盤(pán)、扭力分散控制，和電子幫浦、電子剎車(chē)等。

32位MCU：主要應(yīng)用包括儀表板控制、車(chē)身控制、多媒體信息系統(tǒng)（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新興的智能性和實(shí)時(shí)性的安全系統(tǒng)及動(dòng)力系統(tǒng)，如預(yù)碰撞（Pre- crash）、自適應(yīng)巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能，以及復(fù)雜的X-by-wire等傳動(dòng)功能。

1 車(chē)用MCU常見(jiàn)接口

CAN和LIN是比較常見(jiàn)的接口。

隨著今日汽車(chē)對(duì)應(yīng)用功能的要求愈來(lái)愈高，需整合的系統(tǒng)也愈來(lái)愈復(fù)雜，使得汽車(chē)電子系統(tǒng)對(duì)于高階32位 MCU的需求不斷提升。這類(lèi)車(chē)用MCU往往被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴(yán)重的運(yùn)作環(huán)境，因此對(duì)耐受性的要求遠(yuǎn)高于一般用途的MCU。此外，在汽車(chē)的應(yīng)用環(huán)境中，車(chē)用MCU必須與多個(gè)車(chē)用電子控制裝置（ECU）相連結(jié)，其中最常見(jiàn)的傳輸接口為CAN和LIN。

CAN又分為高速CAN和低速CAN,高速CAN的傳輸率可以達(dá)到1 Mbps,適用于ABS、EMS等強(qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)反應(yīng)的應(yīng)用；低速CAN則可達(dá)到125 Kbps,適合較低速的車(chē)體零件控制。此外，CAN控制器的型式可分為舊型的1.x、標(biāo)準(zhǔn)型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的規(guī)格效能自然愈好，其中 2.0B又可分為被動(dòng)（passive）型式和主動(dòng)（active）型式。

LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，采用一個(gè)主節(jié)點(diǎn)、多個(gè)從節(jié)點(diǎn)的概念（最多支持16個(gè)節(jié)點(diǎn)），可達(dá) 20 kbps數(shù)據(jù)傳輸率，總線電纜的長(zhǎng)度最多可以擴(kuò)展到40公尺。它很適合做為空調(diào)控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）、車(chē)門(mén)模塊（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等較單純系統(tǒng)的分布式通訊解決方案。

以下將介紹應(yīng)用于儀表板控制及車(chē)身控制的新一代MCU技術(shù)，并以富士通新一代的MB91770系列和MB91725系列新型微控制器做為設(shè)計(jì)參考。請(qǐng)參考（圖一）。

圖1　儀表盤(pán)控制及車(chē)身控制MCU在汽車(chē)中的應(yīng)用（以MB91770系列和MB91725系列為例）

2 汽車(chē)儀表板及車(chē)身控制設(shè)計(jì)要領(lǐng)

汽車(chē)的儀表板為駕駛提供各種實(shí)時(shí)的視覺(jué)信息，這些信息是輔助決策的重要參考，必須快速且準(zhǔn)確無(wú)誤的傳遞給駕駛員知道。此外，汽車(chē)中的空調(diào)及車(chē)身控制模塊（BCM）系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為駕駛及乘客提供舒適的乘車(chē)環(huán)境。其中空調(diào)系統(tǒng)過(guò)執(zhí)行最佳控制將汽車(chē)內(nèi)部的溫度迅速降至較為舒適的水平，并根據(jù)來(lái)自于各個(gè)傳感器的信息保持舒適的車(chē)內(nèi)溫度。BCM系統(tǒng)則可以集中控制多個(gè)ECU,如車(chē)門(mén)、座椅和組合開(kāi)關(guān)等。

不論是儀表盤(pán)控制或車(chē)身控制的MCU,都必須提供更高的處理性能、處理大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的能力、支持多種外圍連接的接口功能、可擴(kuò)展電路板布局范圍的功能、先進(jìn)的內(nèi)存架構(gòu)，以及更便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境。

2.1 高處理性能

MCU要提升處理性能，必須從其核心及軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例，它的工作性能達(dá)到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的處理效能；因具有內(nèi)置式單精度浮點(diǎn)運(yùn)算單元（FPU），能夠滿足圖像處理系統(tǒng)和那些需要浮點(diǎn)操作功能的系統(tǒng)（如制動(dòng)器控制）要求。此外，透過(guò)硬件式的FPU支持，能夠簡(jiǎn)化軟件程序并提升運(yùn)算性能。

2.2 大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理能力

今日汽車(chē)中的CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在著大量的內(nèi)置式ECU,它們的規(guī)模隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而不斷擴(kuò)大，因此車(chē)用MCU必須支持更多的訊息緩沖器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供達(dá)32個(gè)內(nèi)置式訊息緩沖器，但現(xiàn)在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來(lái)說(shuō)，已能支持達(dá)64個(gè)內(nèi)置式訊息緩沖器，而且支持CAN 2.0A/B規(guī)格及提供1Mbps的高傳輸率。

2.3 廣泛接口支持能力

車(chē)用MCU連接的外圍相當(dāng)多樣，而連接的接口可能是UART、頻率同步串行、LIN-UART 和 I2C,因此必須具備彈性的接口連接能力。為了滿足此需求，富士通將內(nèi)置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透過(guò)軟件方式來(lái)切換上述各種接口，以靈活支持外部組件的通信規(guī)范，并提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自由度。新系列MCU還提供LIN-UART 的6條通道，從而能夠與更多控制單元進(jìn)行通信；其中MB91725系列因具有定時(shí)器功能的多條信道和 A/D 轉(zhuǎn)換器，更容易達(dá)成各種功能的整合。請(qǐng)參考（圖2）。

圖2　使用序列接口達(dá)成彈性的通信接口功能整合

2.4 可擴(kuò)展電路板布局范圍的功能

由于車(chē)用電路板系統(tǒng)的布局設(shè)計(jì)方式相當(dāng)多樣，車(chē)用MCU必須能滿足這些設(shè)計(jì)的需求。一些可行的作法包括為外部總線接口終端配置獨(dú)立電源，使得ECU板上無(wú)需再安裝電平轉(zhuǎn)換器。此一外部總線接口終端的電源范圍要廣（如涵蓋3.0V至5.5V），進(jìn)而能彈性地和單元內(nèi)存或圖像用ASIC相連。

另一個(gè)作法是讓MCU具備內(nèi)置式I/O再分配的功能，透過(guò)軟件設(shè)置即可改變I/O連接埠的分配。如此一來(lái)，設(shè)計(jì)者可以更彈性地與特定外圍相連結(jié)，進(jìn)而大幅提升電路板布局的自由度。

2.5 先進(jìn)的內(nèi)存架構(gòu)

為了提升工作處理彈性，今日車(chē)用微控制器的系統(tǒng)中往往會(huì)內(nèi)置嵌入式內(nèi)存（Flash）。過(guò)去只將Flash用于程序儲(chǔ)存，新一代MCU的架構(gòu)中也加入數(shù)據(jù)用的Flash。此架構(gòu)不僅能提高數(shù)據(jù)寫(xiě)入速度，因不再需要E2PROM,也能縮小電路板的面積。此外，將數(shù)據(jù)與程序同時(shí)儲(chǔ)存于微控制器的Flash內(nèi)存中，也有助于防止信息的泄露。

2.6 更便利的開(kāi)發(fā)環(huán)境

一般產(chǎn)品必須利用ICE主單元和驗(yàn)證用評(píng)估芯片來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)檢驗(yàn)，為了降低驗(yàn)證的復(fù)雜度，我們?yōu)樾乱淮鶰CU產(chǎn)品提供芯片上（on-chip）的偵錯(cuò)方式。它采用單線調(diào)試接口，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)評(píng)估或一致性測(cè)試，并且能夠利用通用同軸電纜、在高達(dá)10米的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)小型 ICE 主單元和目標(biāo)電路板之間的通信。這可以簡(jiǎn)化按照常規(guī)難以實(shí)現(xiàn)的汽車(chē)評(píng)估。

圖3　運(yùn)用芯片上偵錯(cuò)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)評(píng)估

3 結(jié)論

電子系統(tǒng)在汽車(chē)中的應(yīng)用越來(lái)越復(fù)雜，車(chē)用MCU也發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。由于汽車(chē)儀表板和車(chē)身控制設(shè)計(jì)，必須以為駕駛者提供精準(zhǔn)的信息和提供舒適的乘車(chē)體驗(yàn)為前提，因此，MCU必須滿足更高的性能和設(shè)計(jì)的要求，為開(kāi)發(fā)應(yīng)用帶來(lái)幫助。