引言

在現(xiàn)在的汽車設(shè)計中,，人們越來越注重智能和環(huán)保這兩個方面,。因為智能化的汽車可以為人們帶來高度的安全性和舒適感,，在環(huán)保方面,，通過使用數(shù)字技術(shù)達(dá)到節(jié)能省碳的目的,。因此,，數(shù)字化程度在汽車領(lǐng)域也愈來愈深,，大到動力傳動系統(tǒng)，小到車載娛樂系統(tǒng),，無處不見電子組件的身影,，它們被廣泛應(yīng)用在感測和操控上。

在汽車電子的各個系統(tǒng)當(dāng)中,，往往需要采用微控制器（MCU）做為運作控制的核心,，而汽車對電子系統(tǒng)的倚重，也刺激車用微控制器市場的快速成長,。車用微控器涵蓋8位,、16位、32位等低,、中,、高階產(chǎn)品等級，各有其適合的應(yīng)用系統(tǒng),，大致如下：

8位MCU：主要應(yīng)用于車體的各個次系統(tǒng),，包括風(fēng)扇控制、空調(diào)控制,、雨刷,、天窗、車窗升降,、低階儀表板,、集線盒、座椅控制,、門控模塊等較低階的控制功能,。

16位MCU：主要應(yīng)用為動力傳動系統(tǒng)，如引擎控制,、齒輪與離合器控制,，和電子式渦輪系統(tǒng)等；也適合用于底盤機構(gòu)上,，如懸吊系統(tǒng),、電子式動力方向盤、扭力分散控制,，和電子幫浦,、電子剎車等。

32位MCU：主要應(yīng)用包括儀表板控制,、車身控制,、多媒體信息系統(tǒng)（TelemaTIcs）、引擎控制,，以及新興的智能性和實時性的安全系統(tǒng)及動力系統(tǒng),，如預(yù)碰撞（Pre- crash）、自適應(yīng)巡航控制（ACC）,、駕駛輔助系統(tǒng),、電子穩(wěn)定程序等安全功能，以及復(fù)雜的X-by-wire等傳動功能,。

1 車用MCU常見接口

CAN和LIN是比較常見的接口,。

隨著今日汽車對應(yīng)用功能的要求愈來愈高，需整合的系統(tǒng)也愈來愈復(fù)雜,，使得汽車電子系統(tǒng)對于高階32位 MCU的需求不斷提升,。這類車用MCU往往被置放在高熱、多塵,、劇震,、電子干擾嚴(yán)重的運作環(huán)境，因此對耐受性的要求遠(yuǎn)高于一般用途的MCU,。此外,，在汽車的應(yīng)用環(huán)境中，車用MCU必須與多個車用電子控制裝置（ECU）相連結(jié),，其中最常見的傳輸接口為CAN和LIN,。

CAN又分為高速CAN和低速CAN,高速CAN的傳輸率可以達(dá)到1 Mbps,適用于ABS、EMS等強調(diào)實時反應(yīng)的應(yīng)用,；低速CAN則可達(dá)到125 Kbps,適合較低速的車體零件控制,。此外，CAN控制器的型式可分為舊型的1.x,、標(biāo)準(zhǔn)型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的規(guī)格效能自然愈好,，其中 2.0B又可分為被動（passive）型式和主動（active）型式。

LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案,，采用一個主節(jié)點,、多個從節(jié)點的概念（最多支持16個節(jié)點），可達(dá) 20 kbps數(shù)據(jù)傳輸率,，總線電纜的長度最多可以擴展到40公尺,。它很適合做為空調(diào)控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）,、車門模塊（Door Modules）,、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）,、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等較單純系統(tǒng)的分布式通訊解決方案,。

以下將介紹應(yīng)用于儀表板控制及車身控制的新一代MCU技術(shù)，并以富士通新一代的MB91770系列和MB91725系列新型微控制器做為設(shè)計參考,。請參考（圖一）,。



圖1　儀表盤控制及車身控制MCU在汽車中的應(yīng)用（以MB91770系列和MB91725系列為例）

2 汽車儀表板及車身控制設(shè)計要領(lǐng)

汽車的儀表板為駕駛提供各種實時的視覺信息,，這些信息是輔助決策的重要參考，必須快速且準(zhǔn)確無誤的傳遞給駕駛員知道,。此外,，汽車中的空調(diào)及車身控制模塊（BCM）系統(tǒng)，負(fù)責(zé)為駕駛及乘客提供舒適的乘車環(huán)境,。其中空調(diào)系統(tǒng)過執(zhí)行最佳控制將汽車內(nèi)部的溫度迅速降至較為舒適的水平,，并根據(jù)來自于各個傳感器的信息保持舒適的車內(nèi)溫度。BCM系統(tǒng)則可以集中控制多個ECU,如車門,、座椅和組合開關(guān)等,。

不論是儀表盤控制或車身控制的MCU,都必須提供更高的處理性能、處理大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的能力,、支持多種外圍連接的接口功能,、可擴展電路板布局范圍的功能、先進的內(nèi)存架構(gòu),，以及更便利的開發(fā)環(huán)境,。

2.1 高處理性能

MCU要提升處理性能，必須從其核心及軟,、硬件系統(tǒng)架構(gòu)下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例,，它的工作性能達(dá)到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的處理效能；因具有內(nèi)置式單精度浮點運算單元（FPU）,，能夠滿足圖像處理系統(tǒng)和那些需要浮點操作功能的系統(tǒng)（如制動器控制）要求,。此外，透過硬件式的FPU支持,，能夠簡化軟件程序并提升運算性能,。

2.2 大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理能力

今日汽車中的CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在著大量的內(nèi)置式ECU,它們的規(guī)模隨著節(jié)點數(shù)量的增加而不斷擴大，因此車用MCU必須支持更多的訊息緩沖器（message buffer）,。上一代的32位CAN微控制器能提供達(dá)32個內(nèi)置式訊息緩沖器,，但現(xiàn)在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來說,，已能支持達(dá)64個內(nèi)置式訊息緩沖器,，而且支持CAN 2.0A/B規(guī)格及提供1Mbps的高傳輸率。

2.3 廣泛接口支持能力

車用MCU連接的外圍相當(dāng)多樣,，而連接的接口可能是UART,、頻率同步串行、LIN-UART 和 I2C,因此必須具備彈性的接口連接能力,。為了滿足此需求,，富士通將內(nèi)置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透過軟件方式來切換上述各種接口,，以靈活支持外部組件的通信規(guī)范,，并提高系統(tǒng)設(shè)計的自由度,。新系列MCU還提供LIN-UART 的6條通道，從而能夠與更多控制單元進行通信,；其中MB91725系列因具有定時器功能的多條信道和 A/D 轉(zhuǎn)換器,，更容易達(dá)成各種功能的整合。請參考（圖2）,。



圖2　使用序列接口達(dá)成彈性的通信接口功能整合

2.4 可擴展電路板布局范圍的功能

由于車用電路板系統(tǒng)的布局設(shè)計方式相當(dāng)多樣，車用MCU必須能滿足這些設(shè)計的需求,。一些可行的作法包括為外部總線接口終端配置獨立電源,，使得ECU板上無需再安裝電平轉(zhuǎn)換器。此一外部總線接口終端的電源范圍要廣（如涵蓋3.0V至5.5V）,，進而能彈性地和單元內(nèi)存或圖像用ASIC相連,。

另一個作法是讓MCU具備內(nèi)置式I/O再分配的功能，透過軟件設(shè)置即可改變I/O連接埠的分配,。如此一來,，設(shè)計者可以更彈性地與特定外圍相連結(jié)，進而大幅提升電路板布局的自由度,。

2.5 先進的內(nèi)存架構(gòu)

為了提升工作處理彈性,，今日車用微控制器的系統(tǒng)中往往會內(nèi)置嵌入式內(nèi)存（Flash）。過去只將Flash用于程序儲存,，新一代MCU的架構(gòu)中也加入數(shù)據(jù)用的Flash,。此架構(gòu)不僅能提高數(shù)據(jù)寫入速度，因不再需要E2PROM,也能縮小電路板的面積,。此外,，將數(shù)據(jù)與程序同時儲存于微控制器的Flash內(nèi)存中，也有助于防止信息的泄露,。

2.6 更便利的開發(fā)環(huán)境

一般產(chǎn)品必須利用ICE主單元和驗證用評估芯片來進行系統(tǒng)檢驗,，為了降低驗證的復(fù)雜度，我們?yōu)樾乱淮鶰CU產(chǎn)品提供芯片上（on-chip）的偵錯方式,。它采用單線調(diào)試接口,，可以實現(xiàn)汽車評估或一致性測試，并且能夠利用通用同軸電纜,、在高達(dá)10米的范圍內(nèi)實現(xiàn)小型 ICE 主單元和目標(biāo)電路板之間的通信,。這可以簡化按照常規(guī)難以實現(xiàn)的汽車評估。



圖3　運用芯片上偵錯實現(xiàn)汽車評估

3 結(jié)論

電子系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用越來越復(fù)雜,，車用MCU也發(fā)揮越來越重要的作用,。由于汽車儀表板和車身控制設(shè)計，必須以為駕駛者提供精準(zhǔn)的信息和提供舒適的乘車體驗為前提,，因此,，MCU必須滿足更高的性能和設(shè)計的要求,，為開發(fā)應(yīng)用帶來幫助。