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。除了提到的協議版本，CAN總線控制器緩存和接收過濾器的數量也影響了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。
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據儲存的內存可使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。在數據安全性方面，MCU嵌入式內存的數據保護機制可實現較高的可靠性，保證其中的數據免遭盜取。
DSP提升設計彈性
數字信號處理(DSP)技術是當今高科技數碼產業(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據處理的彈性。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。
DSP一般用于處理大量的數字信號、編解碼，及通信數據分析。在汽車電子系統(tǒng)中，例如車載輔助路況警示安全系統(tǒng)，DSP可用于處理和識別復雜的路況信息并及時為司機提供實時建議和警告。
圖三 具備MAC單元的16位MCU(以ST10為例)
圖四 16位車用MCU的應用場景
MCU的處理能力與應用場合
車載MCU的市場主要集中在8、16和32位的微控器，可按汽車電子產品的不同需求用于不同性能的場景。
8位MCU由于處理能力的限制主要應用于風扇、空調、雨刷、車窗、集線盒、座椅控制、門控等比較簡單的系統(tǒng)。16位MCU則屬一般用于中端設備，主要應用場合為引擎控制動、離合器控制、底盤機構和懸掛、電子剎車、電子式動力方向盤，和電子式渦輪系統(tǒng)等動力和傳動系統(tǒng)。32位MCU在汽車電子領域主要用于預碰撞(Pre-crash)模塊、自適應巡航控制(ACC)、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能、復雜的X-by-wire等傳動功能，以及多媒體信息系統(tǒng)(Telematics)、安全系統(tǒng)和引擎控制方面等需要較高智能性、運算性能、實時性能的模塊。
目前，16位MCU的生存空間似乎受到8位和32位MCU的不斷擠壓。8位微控制器的處理器核心功率不斷提升，隨著嵌入式內存容量的增加，以及接腳數更具彈性，再加上成熟的技術促使成本進一步降低，讓8位微控制器的適用市場空間變得更大，能向上涵蓋一些16位MCU的應用，也能向下取代多數4位MCU。32位MCU在越來越強調智能性、實時性和多樣化的今天十分具有市場潛力，除了處理復雜的運算及控制功能，32位MCU產品也將扮演車用電子系統(tǒng)中的主控處理中心角色，也就是將分散各處的中低階電子控制單元(ECU)集中管理。而這些能力都不是16位MCU所具備的。
16位MCU似乎處境十分尷尬，但在加入更高容量內存及上文提到的具備DSP-MAC的條件下，16位產品仍然能滿足特殊應用功能的需求。而且在組件的質量、性能，和成本上其已獲得市場認可，仍然存在其適當的市場空間。另一方面，雖然32位MCU產品在一般市場上已被廣泛應用，但目前一般出現在高端汽車產品中。而在大多數的傳動及安全系統(tǒng)等關鍵性應用上仍以16位MCU為主。主要的原因是32位MCU大多仍處于汽車電子零件規(guī)格的驗證階段，之后還需要通過車廠本身的各種環(huán)境測試，所以成為市場主流還需要等待一段時間。
8位MCU
如上文所述，8位車用MCU通常要求系統(tǒng)能提供快速執(zhí)行速度和數據處理能力、高效環(huán)境切換(Context Switching)和內存使用、彈性的I/O，以及廣泛的系統(tǒng)功能延伸性。此外還要求支持CAN及LIN總線協議接口，而且會嵌入Flash或ROM，適合廣泛的中低階系統(tǒng)應用。ST72561是ST專為車用環(huán)境設計的8位MCU產品，其整合了CAN及LIN總線接口，具有強大的錯誤診斷和信號處理功能，待機功耗較低，小于50μA，并具有周期性喚醒功能。ST72561通過新增的處理器接口來支持基于Bosch CAN核心的beCAN控制單元，集成2個傳送mailbox、三個RX-FIFO，和六個過濾器群組，能夠有效地按ID進行信息過濾;此外，其CAN控制器全面支持具備增強型消息過濾功能的29位識別碼。ST72561的LIN接口則面向ST針對硬件設計提出的的“主-從LINSCI連接接口”等最優(yōu)化技術，能對LIN總線數據自動進行標頭處理與過濾。該機制可大幅降低系統(tǒng)負擔和成本，使電路設計得到簡化，系統(tǒng)性能也得到較大提升。據測試，高達90%的用于LIN總線通信的CPU負載可被節(jié)省。
圖五 ST7261在車體應用上的系統(tǒng)架構
2. 16位MCU
圖六 16位車用MCU按內存及封裝接腳數的選擇與分類
ST推出的ST10為16位車用MCU，適合車身的傳動、底盤及安全系統(tǒng)等強調高效能、高實時性，和低功耗的應用。該系列產品提供16個優(yōu)先級的中斷控制器和緊密整合的DMA，CPU頻率最高可達64MHz，因此十分適合要求較高的硬實時應用。
ST10具有DSP-MAC功能。其DSP-MAC乘法/累加加速器提供了功能強大的DSP函數，并配有一整套數學軟件庫，使自行定義的算法能夠更快速、簡便的實現。ST10內建高容量的Flash內存，容量最大可達832KB，可實現100,000次以上的擦寫次數。ST10具有極高的兼容性，廣泛支持多種系統(tǒng)外圍和接口，如ASC/LIN、CAN、I2C和SSC等。ST10的跨平臺開發(fā)能力給用戶的前期投資提供了潛在保護。它除了支持ST的開發(fā)工具，也支持英飛凌(Infineon)的C16x和XC16x平臺，為現有用戶升級到密度更高的閃存提供了一條快捷方式。此外，得益于ST最新的0.18μm制造工藝，及較大的工作溫度范圍(-40℃~+125℃)產品壽命得到有效延長，數據保存時間可長達20年。有助于延長產品使用壽命和優(yōu)化成本。
3. 32位MCU
32位汽車用MCU擁有更高的處理能力，以及高于8位和16位MCU的排錯能力，但由于種種原因，其普及還需要一定時間。
目前影響32位MCU競爭力的因素有很多，成本問題是其中之一。單芯片是低成本的必然趨勢，如果將一些總線開關、中斷控制器和排錯電路等系統(tǒng)外圍電路整合至MCU，其成本可得到有效降低;此外，單芯片方案還能縮小產品尺寸，促進小型化，高頻電路干擾也可由此降低。另一方面，低成本的實現還需要更優(yōu)化和更具性價比的生產制程和加工技術來支持。
鑒于32位MCU的卓越處理能力，當前最廣泛的應用為汽車的高檔多媒體設備。32位MCU如果搭配FlexRay等更高速的總線接口，也可進一步提升整體系統(tǒng)通訊的實時性。
STA2058為ST推出的32位汽車用MCU產品，其優(yōu)秀的性能和彈性的構架非常適用于汽車多媒體信息系統(tǒng)(Telematics)。STA2058整合了32位ARM7TDMI微處理器和嵌入式閃存(Embedded Flash)，廣泛支持CAN、SPI、UART、I2C、USB等接口，以及RTCA-SC159、WAAS、EGNOS等GPS系統(tǒng)。此外，STA2058EX更擁有外接內存接口，可以用作遠程信息處理服務平臺，允許通過免黏結邏輯(Glueless)而與GSM/GPRS模塊、芯片卡、音頻功能DSP等外部裝置相連。
結論
汽車電子在整體車身成本中的比重越來越顯著，MCU的重要性也不斷得到提升。而汽車電子有其特殊的門檻，即安全性和可靠性的考慮。因此MCU在實現較高的智能性、操控性、實時性，和彈性的同時，必須要能滿足較高標準的可靠性要求，以保障行車的安全。
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