連接車載應(yīng)用與系統(tǒng)，深度解析汽車接口技術(shù)

 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。

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

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)WindowWatchdog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。AtmelATA664151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AtmelATtiny167 MCU集成到一個封裝中。