汽車電子MCU技術原理與需求分析

　　汽車作為一部大型的機電一體化設備，汽車電子在汽車整體成本中的比例越來越大。目前歐美發(fā)達國家汽車電子的平均成本達350美元以上，其涵蓋了從車身控制、動力傳動、車身安全，到車內娛樂的各個方面。

　　微控制器（MCU）作為汽車電子系統(tǒng)內部運算和處理的核心，也遍布懸掛、氣囊、門控和音響等幾十種次系統(tǒng)（Sub-System）中。由于汽車作為高速交通工具承載了對用戶生命安全的保障，同時汽車經常工作在十分惡劣的環(huán)境中，其對內部電子設備的可靠性要求要遠高于一般性電子產品。因此汽車電子所用的MCU與一般性產品的結構差異雖然并不很大，而一般的MCU產品由于可靠性不能符合廠商的要求而并不能被選用，這也是汽車電子產品同一般性電子產品市場的區(qū)別之一。

　　技術特性需求

　　CAN和LIN是最常見的車身系統(tǒng)總線接口，因此汽車電子類MCU除了在可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有較高要求外，還要能實現(xiàn)對上述總線接口的支持。

　　CAN總線即控制器局域網 (Controller Area Net)，是一種現(xiàn)場總線，最初由德國BOSCH公司為汽車監(jiān)測和控制而設計，主要用于各種過程檢測及控制。CAN總線分為高速CAN和低速CAN，前者主要用于動力和安全等關鍵性的應用，如發(fā)動機控制單元、自動變速器控制、ABS控制、安全氣囊控制等；后者則通常針對一般性車身應用，如集控鎖、行李箱鎖、車窗，及車內燈光等。CAN總線的協(xié)議也在不斷演進發(fā)展，從最早期的1.x版本已發(fā)展到目前的CAN2.0A及其擴展版CAN2.0B，其中CAN2.0B又分為主動（Active）式和被動（Passive）式。

　　由于CAN總線協(xié)議的版本和分類不同，對車用MCU的要求也有差異。除了提到的協(xié)議版本，CAN總線控制器緩存和接收過濾器的數(shù)量也影響了MCU的選用。如圖所示，ST的CAN控制器針對不同的應用場景，有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同類型。其中如beCAN、bxCAN兩款適合中高端車身功能控制及低端網關；FullCAN適合引擎管理系統(tǒng)；cCAN則適合高端的網關和動力傳動控制。

                           圖一　ST不同的CAN控制器的緩存及接收過濾器數(shù)量

　　LIN（Local Interconnect Network）總線是一種結構簡單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，主要用作CAN等高速總線的輔助網絡或子網絡。在帶寬要求不高、功能簡單、實時性要求低的場合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡化網絡線束、降低成本、提高網絡通訊效率和可靠性。如圖所示，LIN主要適合于車內空調控制（Air-Conditioning Control）、車門控制模塊（Door Modules）、座椅控制、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-Cost Sensors）等分布式通訊應用。

                                  圖二　LIN的應用領域

　　網關控制器

　　車內網關控制器（Gateway）的作用是車內電子系統(tǒng)中不同網絡的通訊樞紐，使分布在車身內的各個單元可實現(xiàn)溝通。網關一般包括總線收發(fā)器、穩(wěn)壓器（Regulator），以及支持多種網絡協(xié)議的低成本、高效能微控制器；并廣泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等車用電子通訊接口。網關控制器設計上比較靈活，一般廠家會依據(jù)自己的需求而定制。針對不同的應用，其可以集成在車身控制單元或儀表組件等設備當中，也可以作為一個獨立的模塊出現(xiàn)。

　　嵌入式閃存的作用

　　MCU嵌入式內存可為滿足工控機系統(tǒng)的需求提供保障，穩(wěn)定性可得到提升，也有助于實現(xiàn)更低的成本和增大工作處理的彈性。因此在MCU上提供嵌入式內存，甚至整合DSP的單元，已成為目前的設計趨勢。

　　車用MCU嵌入式內存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中NOR Flash作為微控制器程序及數(shù)據(jù)儲存的內存可使MCU具有更高的彈性，已逐漸成為目前設計的主流。由于嵌入內存而使MCU無需與外部組件進行高速串連，因此不易產生信號干擾的問題，降低了接線的復雜度，提高了穩(wěn)定性。此外，嵌入式內存省去了外接元件，也可有效減少PCB尺寸，給產品設計更大的靈活性。在數(shù)據(jù)安全性方面，MCU嵌入式內存的數(shù)據(jù)保護機制可實現(xiàn)較高的可靠性，保證其中的數(shù)據(jù)免遭盜取。

　　DSP提升設計彈性

　　數(shù)字信號處理（DSP）技術是當今高科技數(shù)碼產業(yè)的技術基礎。從MP3隨身聽到航空航天等的高技術應用，DSP技術無所處不在并增長迅速。在汽車電子系統(tǒng)設計中，除在上文提到的在MCU嵌入內存外，為MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升數(shù)據(jù)處理的彈性。DSP屬于系統(tǒng)的軟件功能范疇，因此可靈活地根據(jù)廠商或客戶的需求進行功能改進和升級。此外，DSP與處理器（ARM、PowerPC等） 相結合可實現(xiàn)多任務分工處理，例如可把關鍵的控制功能交由處理器完成，而讓DSP專職進行運算方面的工作，這樣可降低系統(tǒng)功耗并提高處理效率。