連接車載應(yīng)用與系統(tǒng)，深度解析汽車接口技術(shù)

　　作者：

　　James Goings，射頻與汽車應(yīng)用經(jīng)理

　　Timothy Grai，射頻與汽車應(yīng)用經(jīng)理

　　Juergen Strohal，射頻與汽車應(yīng)用經(jīng)理

　　摘要

　　汽車制造商一直熱衷于利用信息娛樂、舒適控制等電子系統(tǒng)為他們的高端品牌增添價值。那些曾專屬于高端車型的功能配置現(xiàn)在正成為暢銷量產(chǎn)車型的標(biāo)配。汽車電子系統(tǒng)現(xiàn)已被視為一項重要的差異競爭力。因此，微控制器正成為汽車中無處不在的器件。目前，汽車電子系統(tǒng)設(shè)計工程師面臨的一大挑戰(zhàn)是如何確保汽車中各個應(yīng)用和系統(tǒng)之間的通信。其中的關(guān)鍵就是接口。

　　本文重點闡述三個領(lǐng)域的汽車電子應(yīng)用，并探討所需連接及其實現(xiàn)方式，以及工程師可能遇到的與應(yīng)用有關(guān)的挑戰(zhàn)。

　　前言

　　在汽車中使用各種電子系統(tǒng)的趨勢日漸增強(qiáng)。在所有汽車類別和車型中，這些系統(tǒng)已變得無處不在。電子系統(tǒng)已不再為高端車型所專有，使用電子系統(tǒng)實現(xiàn)汽車的每一項功能和特性已被視為促使某個品牌脫穎而出的一種方式。據(jù)《2013年汽車電氣與電子系統(tǒng)報告》估算，電子系統(tǒng)的成本占傳統(tǒng)車型總成本的40%，占電動及混合車型總成本的75%。

　　芯片公司集成眾多復(fù)雜功能的能力是促進(jìn)這種增長的主要動力之一。實現(xiàn)控制、信息娛樂和其它應(yīng)用的所需集成度意味著，傳統(tǒng)線束的某些部分已被各種用于整合目的的網(wǎng)絡(luò)總線替代。

　　連接各種汽車應(yīng)用的常用方法

　　兩種常見的汽車應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)是CAN（控制器局域網(wǎng)絡(luò)）和LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）。為了最大程度減少布線，這兩種協(xié)議均采用串行通信方式。任何一輛現(xiàn)代汽車中都能找到采用這兩種標(biāo)準(zhǔn)的多個網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)特定的應(yīng)用領(lǐng)域。CAN網(wǎng)絡(luò)擁有一個多主節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，被用于連接多個電子控制單元（ECU）。與此相反，LIN總線支持一個單主節(jié)點拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，通常被用于將一個主用ECU與一個或多個智能程度較低的專用從節(jié)點互連在一起。

　　CAN總線的一種常見實現(xiàn)方式是采用非歸零（NRZ）編碼的平衡差分2線接口。其典型數(shù)據(jù)速率最高可達(dá)1 Mb/s。它采用一種異步方法向網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點廣播報文。只要總線空閑，任何節(jié)點都可以發(fā)送報文。它采用一種無需重試的沖突仲裁及解決方法，可確保優(yōu)先級最高的報文被發(fā)送出去。CAN標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）定義了四種不同的報文類型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程傳輸請求幀、錯誤幀和過載幀。

　　CAN提供了一種可互連多個控制器的快速、靈活、全面的方法，能夠讓各類應(yīng)用共享傳感器輸入和其它數(shù)據(jù)。盡管如此，對于車窗控制等較為簡單的應(yīng)用而言，汽車制造商認(rèn)為其較高的速度和多功能性是沒有必要的，而且其實現(xiàn)成本也過于高昂。LIN協(xié)會于1999年由多家領(lǐng)先的汽車制造商創(chuàng)建。LIN提供一條單線總線，該總線遵從ISO9141規(guī)范的一個增強(qiáng)版本，后者自上世紀(jì)八十年代起一直被用于實現(xiàn)車載診斷功能。一條LIN總線上只能有一個主節(jié)點，但可以有一個或多個從節(jié)點。典型數(shù)據(jù)速率為20 kb/s或更低，這也有助于將電磁干擾降至最低。低成本的LIN系統(tǒng)通常被用于汽車的舒適、傳感器和致動器應(yīng)用。

　　圖1顯示了各種汽車網(wǎng)絡(luò)總線類型以及它們的典型數(shù)據(jù)速率和相對的每節(jié)點成本。

　　圖1 – 各種汽車網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每節(jié)點成本對比

　　為了滿足汽車電子系統(tǒng)設(shè)計人員的需求，Atmel可為他們提供一整套支持CAN和LIN應(yīng)用的器件。Atmel的LIN產(chǎn)品組合包括獨立收發(fā)器、集成了一個收發(fā)器、一個穩(wěn)壓器和其它功能的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片（SBC）以及基于Atmel AVR微控制器的系統(tǒng)級封裝與專用（ASSP）器件。Atmel的器件采用BiPolar CMOS、CMOS和DMOS（BCD on SOI技術(shù)）。它們結(jié)合高壓能力和絕緣體上硅（SOI）技術(shù)，實現(xiàn)了高溫運行、極低的泄露電流和抗閂鎖能力。

　　圖2 – 汽車LIN應(yīng)用舉例

　　本文選自電子發(fā)燒友網(wǎng)7月《汽車電子特刊》Change The World，轉(zhuǎn)載請注明出處！
　　

　　高壓

　　圖2列出了采用LIN連接的一些應(yīng)用實例。這些應(yīng)用通常需要能夠直接使用汽車電瓶電壓高效地控制各種12V機(jī)械致動器的高壓器件。應(yīng)用實例包括：車窗升降、車座位置調(diào)整、雨刮器和渦輪增壓器襟翼控制。芯片上通常內(nèi)置驅(qū)動器，可提供高達(dá)1安培的電流。此外，還需要使用外置MOSFET。由于微控制器不能直接驅(qū)動外置MOSFET，因此必須使用內(nèi)置柵極驅(qū)動器，常見的例子是H橋和B6柵極驅(qū)動器。用于控制這些應(yīng)用的任何微控制器均需使用一個低于汽車電瓶電壓的工作電壓，因此，通常需要使用一個低壓降穩(wěn)壓器為MCU提供穩(wěn)定電壓。

　　一個8位Atmel微控制器通常在一個由10－16個LIN從節(jié)點組成的小集群中工作，我們可以將其用于這些應(yīng)用，同時確保所要求的響應(yīng)時間。

　　抗擾能力有可能對LIN應(yīng)用構(gòu)成一大挑戰(zhàn)。這是因為LIN總線可能長達(dá)幾米，暴露于電子噪聲環(huán)境。Atmel的器件具備異?？煽康腅MC/EMI（電磁兼容/電磁干擾）特性以及6 kV的ESD（靜電放電）抗擾度。汽車制造商規(guī)定必須遵從一些通用標(biāo)準(zhǔn)，而Atmel的器件通過了這些標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。Atmel在其故障安全型LIN器件中采用一種非?？煽康腟OI技術(shù)。Atmel的某些LIN器件在硬件中實現(xiàn)了LIN協(xié)議軟件棧的最底層。這不僅有助于大幅減少那些成本敏感型應(yīng)用的物料清單（BoM），而且還能為應(yīng)用釋放大量閃存空間。除此之外，Atmel還與一些領(lǐng)先的行業(yè)合作伙伴開展合作，以確保提供完整的生產(chǎn)級質(zhì)量的LIN協(xié)議軟件棧。

　　圖3 – 小型直流電動機(jī)的H橋控制

　　Atmel最新推出的系統(tǒng)基礎(chǔ)芯片ATA664151便于設(shè)計人員為LIN總線系統(tǒng)開發(fā)價格低廉而強(qiáng)大的主從節(jié)點。它內(nèi)置一個8信道高壓接口、一個遵從LIN 2.2a和SAEJ2602-2的LIN收發(fā)器、一個可調(diào)Window Watchdog和一個低壓降穩(wěn)壓器，可提供5V輸出電壓和高達(dá)80mA的電流。Atmel ATA664151專為LIN開關(guān)應(yīng)用而設(shè)計，并將幾乎整個LIN節(jié)點集成到一個封裝中。 ATA664151的強(qiáng)大功能集使其對于LED控制、繼電器控制、外置晶體管控制等其它眾多應(yīng)用也頗具價值。設(shè)計人員可以方便靈活地配置ATA664151的高壓端口，使其完美匹配所需應(yīng)用。此外，ATA664151還具備各種可提高系統(tǒng)魯棒性和可靠性的功能，如過壓和欠壓檢測、過熱檢測、高壓端口和電源電壓測量等。

　　圖3顯示了一個采用ATA664151的電動機(jī)控制應(yīng)用示例。該設(shè)計在車窗升降應(yīng)用中可能較為常見，其中繼電器用于為一個直流電動機(jī)提供雙向驅(qū)動電流。該設(shè)計利用ATA664151的并行輸出能力提高繼電器的電流驅(qū)動能力。如該例所示，僅僅使用ATA664151、一個Atmel主控MCU和幾個無源組件，我們就能設(shè)計出一個通過LIN連接的ECU。為了簡化設(shè)計，我們也可以將ATA664151和一個Atmel ATtiny167 MCU集成到一個封裝中。

　　汽車門禁

　　另一個增長迅猛并被消費者廣泛接受的汽車電子領(lǐng)域就是汽車門禁系統(tǒng)。無線接口是實現(xiàn)這些系統(tǒng)的技術(shù)：1）300-900MHz范圍內(nèi)的射頻（RF）和2）100-150KHz范圍內(nèi)的低頻（LF）。每個接口都具有獨特、非常適合這些應(yīng)用的屬性和特點。RF通信接口通常傳輸距離較遠(yuǎn)（30-300米），而且允許使用多種降噪技術(shù)來確?？煽康臄?shù)據(jù)交換。LF通信接口的傳輸距離通常要小很多（對于接收應(yīng)用，小于10米；對于收發(fā)應(yīng)用，小于《 0.05米），能夠從低頻電磁場采集能量，并可使用遠(yuǎn)低于RF所要求的電流進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)。

　　Atmel從一開始就一直在為RKE系統(tǒng)提供RF發(fā)射器和接收器。隨著OEM廠商要求增加傳輸距離、提高可靠性和降低功耗的呼聲日益增高，Atmel繼續(xù)致力于提供能力更強(qiáng)的新型發(fā)射器、接收器和收發(fā)器。目前包括集成高效的微控制器技術(shù)，為門禁應(yīng)用打造超低功耗的單芯片解決方案，其中包括高效、超低電流的微控制器技術(shù)。RKE車鑰匙發(fā)射器的一個例子是ATA557x系列。如圖4所示，它集成了一個Atmel微控制器、4K用戶內(nèi)存和一個固定N型PLL RF發(fā)射器。

　　圖4 – 用于實現(xiàn)RKE功能的ATA577x車鑰匙原理圖

　　當(dāng)今的汽車門禁系統(tǒng)還能提供發(fā)動機(jī)防盜鎖止（IMMO）和無源開鎖/無源啟動（PEPS）功能。RKE完全依賴于射頻（RF）實現(xiàn)無線操作，而IMMO和PEPS則使用低頻（LF）。配備IMMO功能的車鑰匙必須能夠在不使用電池的情況下“收聽”和“回應(yīng)”汽車發(fā)起的查詢。這要求鑰匙中的控制電子元件能夠利用從汽車產(chǎn)生的LF電磁場采集的微乎其微的電能來運行。為了讓汽車能夠?qū)﹁€匙進(jìn)行身份驗證，需要使用安全性極高的高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES）。

　　圖5顯示了Atmel的另一個高集成度器件。如圖所示，只需很少的外部元件就能實現(xiàn)具備RKE和IMMO功能的車鑰匙。ATA5795包含一個微控制器、安全的EEPROM、轉(zhuǎn)發(fā)器和一個可對輸出功率、頻率和調(diào)制參數(shù)進(jìn)行編程的RF發(fā)射器。注：即使紐扣電池耗盡電量，IMMO也完全能夠正常工作。

　　圖5 – 用于實現(xiàn)RKE和IMMO功能的ATA5795車鑰匙原理圖

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　　PEPS最近越來越受歡迎，這不僅因為它具備便利性（用戶再也不需要在兜里摸索鑰匙，然后按開門鍵解鎖車門），而且因為消費者越來越能夠接受從“擰鑰匙啟動車輛”到“一鍵啟動車輛”的范式轉(zhuǎn)變。PEPS系統(tǒng)結(jié)合使用了LF和RF無線技術(shù)。人們對于PEPS系統(tǒng)尤其感興趣的是，要求其能夠測量車鑰匙相對于汽車的位置。一旦獲得該信息，汽車就能解鎖車門（車鑰匙位于車外），防止意外鎖車（車鑰匙位于車內(nèi)），或允許用戶啟動車輛（車鑰匙位于車內(nèi)）。

　　在認(rèn)識到消費者對系統(tǒng)解決方案－而不僅僅是對“芯片”－感興趣之后，Atmel幾年前開始著手開發(fā)可在其上開發(fā)RKE、IMMO和PEPS系統(tǒng)的無線通信協(xié)議棧，并免費向客戶提供這些協(xié)議棧。所有協(xié)議棧均向客戶免費開放和提供，允許客戶在他們的系統(tǒng)中使用和/或修改它們。這一舉措促進(jìn)了競爭和互操作性，讓市場各方力量能夠為消費者降低系統(tǒng)成本。此外，它還將這些協(xié)議棧公之于眾，供專家進(jìn)行同行評審，以便改進(jìn)協(xié)議抵御外部攻擊的能力。所有協(xié)議棧均采用128位AES加密算法進(jìn)行安全快速的身份驗證，而且每一個協(xié)議棧均具備獨特的可配置性，可提高設(shè)計靈活性。

　　為了協(xié)助工程師開發(fā)汽車門禁設(shè)計，Atmel還提供ATAK51003評估工具包，它是一個完整的系統(tǒng)參考設(shè)計，可為遙控?zé)o鑰匙門禁（RKE）、無源開鎖/無源啟動（PEPS）和發(fā)動機(jī)防盜鎖止（IMMO）應(yīng)用提供最新的器件和開源無線協(xié)議。

　　人機(jī)接口/信息娛樂/觸控

　　近年來經(jīng)歷了重大創(chuàng)新的一個汽車電子領(lǐng)域就是觸控感測技術(shù)，它極大改變了用戶與各種車輛控制功能之間的交互方式。無論它們通過什么方式實現(xiàn)－按鍵、輪子、滑塊、觸摸板或觸摸屏，觸控感測控制技術(shù)正逐漸滲透到眾多應(yīng)用之中。這些應(yīng)用最初被用于導(dǎo)航和信息娛樂，目前則包括車內(nèi)氣候控制以及中控面板上的其它控制功能。這些功能可替代傳統(tǒng)開關(guān)，或借助按壓機(jī)械按鍵之前的觸控預(yù)感測功能改進(jìn)這些開關(guān)。

　　近距感測功能用于在用戶手指靠近模塊時喚醒它。例如，位于車門把手中的近距傳感器現(xiàn)在可用于喚醒和啟動用于驗證用戶車鑰匙的無源開鎖系統(tǒng)。

　　圖6 – 汽車觸控應(yīng)用舉例

　　Atmel提供一系列通過汽車認(rèn)證、性能卓越、響應(yīng)迅速、定位精準(zhǔn)、甚至支持戴手套操作的觸摸屏控制器。maXTouch系列觸摸屏控制器最大支持16點觸控和14英寸及以上的觸摸屏，并可在−40至+105°C的溫度范圍內(nèi)工作。

　　對于大多數(shù)基于觸摸屏或觸摸板的應(yīng)用而言，抗擾能力是一個主要問題。這個問題可以通過觸摸屏控制器中的多種濾波算法加以解決，它們可以確保觸摸屏即使在噪聲很大的環(huán)境中依然能夠平穩(wěn)運行。將某個觸摸屏應(yīng)用連接至一個ECU時，需要使用CAN總線，因為對于此類應(yīng)用而言，LIN的傳輸速率太低。只要它們位于同一輛汽車上，觸控感測控制器通常通過I2C或SPI與主控MCU/MPU通信。

　　Atmel有一個名為AvantCar™（見圖7）的技術(shù)展示概念，它是一個全功能的汽車中控臺。該中控臺配有兩個大型弧形觸摸屏顯示器，但沒有配備機(jī)械按鍵。它采用了XSense®觸摸傳感器、maXTouch®控制器、QTouch®技術(shù)、通過汽車認(rèn)證的MCU以及用于控制環(huán)境照明的LIN驅(qū)動器。

　　圖7 – Atmel的AvantCar中控臺概念

　　結(jié)束語

　　從今以后，汽車OEM廠商將尋求集成更多的控制功能。一輛現(xiàn)代汽車可能配有多達(dá)50個或更多的ECU、多條CAN總線和更多的LIN總線。整合多種ECU功能將給可用的總線帶寬帶來更大壓力，并有可能加快CAN-FD、FlexRay、Ethernet等其它總線技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。FlexRay擁有一個差分總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，速率高達(dá)10 Mb/s。汽車Ethernet提供100 Mb/s的數(shù)據(jù)速率。CAN總線的衍生品包括CAN-FD和CAN-PN，它們也在汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域找到了立足之地。作為我司基因的一部分，我們將繼續(xù)運用我們的技術(shù)和專業(yè)知識，推動這些應(yīng)用領(lǐng)域不斷向前發(fā)展。

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