連接車(chē)載應(yīng)用與系統(tǒng)，深度解析汽車(chē)接口技術(shù)

 摘要

汽車(chē)制造商一直熱衷于利用信息娛樂(lè)、舒適控制等電子系統(tǒng)為他們的高端品牌增添價(jià)值。那些曾專(zhuān)屬于高端車(chē)型的功能配置現(xiàn)在正成為暢銷(xiāo)量產(chǎn)車(chē)型的標(biāo)配。汽車(chē)電子系統(tǒng)現(xiàn)已被視為一項(xiàng)重要的差異競(jìng)爭(zhēng)力。因此，微控制器正成為汽車(chē)中無(wú)處不在的器件。目前，汽車(chē)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師面臨的一大挑戰(zhàn)是如何確保汽車(chē)中各個(gè)應(yīng)用和系統(tǒng)之間的通信。其中的關(guān)鍵就是接口。

前言

在汽車(chē)中使用各種電子系統(tǒng)的趨勢(shì)日漸增強(qiáng)。在所有汽車(chē)類(lèi)別和車(chē)型中，這些系統(tǒng)已變得無(wú)處不在。電子系統(tǒng)已不再為高端車(chē)型所專(zhuān)有，使用電子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的每一項(xiàng)功能和特性已被視為促使某個(gè)品牌脫穎而出的一種方式。據(jù)《2013年汽車(chē)電氣與電子系統(tǒng)報(bào)告》估算，電子系統(tǒng)的成本占傳統(tǒng)車(chē)型總成本的40%，占電動(dòng)及混合車(chē)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(zhǎng)的主要?jiǎng)恿χ?。?shí)現(xiàn)控制、信息娛樂(lè)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(chē)應(yīng)用的常用方法

兩種常見(jiàn)的汽車(chē)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(chē)中都能找到采用這兩種標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)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(gè)多主節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，被用于連接多個(gè)電子控制單元(ECU)。與此相反，LIN總線支持一個(gè)單主節(jié)點(diǎn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此，通常被用于將一個(gè)主用ECU與一個(gè)或多個(gè)智能程度較低的專(zhuān)用從節(jié)點(diǎn)互連在一起。

CAN總線的一種常見(jiàn)實(shí)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(diǎn)廣播報(bào)文。只要總線空閑，任何節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送報(bào)文。它采用一種無(wú)需重試的沖突仲裁及解決方法，可確保優(yōu)先級(jí)最高的報(bào)文被發(fā)送出去。CAN標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)定義了四種不同的報(bào)文類(lèi)型：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求幀、錯(cuò)誤幀和過(guò)載幀。

CAN提供了一種可互連多個(gè)控制器的快速、靈活、全面的方法，能夠讓各類(lèi)應(yīng)用共享傳感器輸入和其它數(shù)據(jù)。盡管如此，對(duì)于車(chē)窗控制等較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用而言，汽車(chē)制造商認(rèn)為其較高的速度和多功能性是沒(méi)有必要的，而且其實(shí)現(xiàn)成本也過(guò)于高昂。LIN協(xié)會(huì)于1999年由多家領(lǐng)先的汽車(chē)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(gè)增強(qiáng)版本，后者自上世紀(jì)八十年代起一直被用于實(shí)現(xiàn)車(chē)載診斷功能。一條LIN總線上只能有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)，但可以有一個(gè)或多個(gè)從節(jié)點(diǎn)。典型數(shù)據(jù)速率為20kb/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(chē)的舒適、傳感器和致動(dòng)器應(yīng)用。

圖1顯示了各種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線類(lèi)型以及它們的典型數(shù)據(jù)速率和相對(duì)的每節(jié)點(diǎn)成本。

圖1 – 各種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的每節(jié)點(diǎn)成本對(duì)比

為了滿足汽車(chē)電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dú)立收發(fā)器、集成了一個(gè)收發(fā)器、一個(gè)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(jí)封裝與專(zhuān)用(ASSP)器件。Atmel的器件采用BiPolarCMOS、CMOS和DMOS(BCD onSOI技術(shù))。它們結(jié)合高壓能力和絕緣體上硅(SOI)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高溫運(yùn)行、極低的泄露電流和抗閂鎖能力。

圖2 – 汽車(chē)LIN應(yīng)用舉例

高壓

圖2列出了采用LIN連接的一些應(yīng)用實(shí)例。這些應(yīng)用通常需要能夠直接使用汽車(chē)電瓶電壓高效地控制各種12V機(jī)械致動(dòng)器的高壓器件。應(yīng)用實(shí)例包括：車(chē)窗升降、車(chē)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(dòng)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(dòng)外置MOSFET，因此必須使用內(nèi)置柵極驅(qū)動(dòng)器，常見(jiàn)的例子是H橋和B6柵極驅(qū)動(dòng)器。用于控制這些應(yīng)用的任何微控制器均需使用一個(gè)低于汽車(chē)電瓶電壓的工作電壓，因此，通常需要使用一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器為MCU提供穩(wěn)定電壓。

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

抗擾能力有可能對(duì)LIN應(yīng)用構(gòu)成一大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)長(zhǎng)IN總線可能長(zhǎng)達(dá)幾米，暴露于電子噪聲環(huán)境。Atmel的器件具備異常可靠的EMC/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(chē)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(guò)了這些標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。Atmel在其故障安全型LIN器件中采用一種非常可靠的SOI技術(shù)。Atmel的某些LIN器件在硬件中實(shí)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(kāi)展合作，以確保提供完整的生產(chǎn)級(jí)質(zhì)量的LIN協(xié)議軟件棧。

圖3 – 小型直流電動(dòng)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(jì)人員為L(zhǎng)IN總線系統(tǒng)開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉而強(qiáng)大的主從節(jié)點(diǎn)。它內(nèi)置一個(gè)8信道高壓接口、一個(gè)遵從LIN 2.2a和SAEJ2602-2的LIN收發(fā)器、一個(gè)可調(diào)WindowWatchdog和一個(gè)低壓降穩(wěn)壓器，可提供5V輸出電壓和高達(dá)80mA的電流。AtmelATA664151專(zhuān)為L(zhǎng)IN開(kāi)關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，并將幾乎整個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)集成到一個(gè)封裝中。ATA664151的強(qiáng)大功能集使其對(duì)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(jià)值。設(shè)計(jì)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(guò)壓和欠壓檢測(cè)、過(guò)熱檢測(cè)、高壓端口和電源電壓測(cè)量等。

圖3顯示了一個(gè)采用ATA664151的電動(dòng)機(jī)控制應(yīng)用示例。該設(shè)計(jì)在車(chē)窗升降應(yīng)用中可能較為常見(jiàn)，其中繼電器用于為一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)提供雙向驅(qū)動(dòng)電流。該設(shè)計(jì)利用ATA664151的并行輸出能力提高繼電器的電流驅(qū)動(dòng)能力。如該例所示，僅僅使用ATA664151、一個(gè)Atmel主控MCU和幾個(gè)無(wú)源組件，我們就能設(shè)計(jì)出一個(gè)通過(guò)LIN連接的ECU。為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，我們也可以將ATA664151和一個(gè)AtmelATtiny167 MCU集成到一個(gè)封裝中。