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汽車儀表板及車身控制設計要領

發(fā)布時間:2010-08-02

中心議題:
  • 車用MCU常見接口
  • 汽車儀表板及車身控制設計要領
解決方案:
  • 高處理性能MCU
  • 廣泛接口支持能力

今日的汽車已邁向智能化與環(huán)?;脑O計時代,在智能方面透過數字電子技術來提升汽車的安全性與舒適性,并環(huán)保方面透過油電混合及電動車等設計來達到節(jié)能省碳的目標。因此,今日汽車的電子化程度已愈來愈深,從信息娛樂、車身、安全到動力傳動系統(tǒng),利用電子組件來進行感測和操控的情況已深入汽車的各個角落。

在汽車電子的各個系統(tǒng)當中,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、高階產品等級,各有其適合的應用系統(tǒng),大致如下:

8位MCU:主要應用于車體的各個次系統(tǒng),包括風扇控制、空調控制、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),如預碰撞(Pre-crash)、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,以及復雜的X-by-wire等傳動功能。

車用MCU常見接口:CAN&LIN

隨著今日汽車對應用功能的要求愈來愈高,需整合的系統(tǒng)也愈來愈復雜,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、電子干擾嚴重的運作環(huán)境,因此對耐受性的要求遠高于一般用途的MCU。此外,在汽車的應用環(huán)境中,車用MCU必須與多個車用電子控制裝置(ECU)相連結,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的傳輸率可以達到1Mbps,適用于ABS、EMS等強調實時反應的應用;低速CAN則可達到125Kbps,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、標準型的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20kbps數據傳輸率,總線電纜的長度最多可以擴展到40公尺。它很適合做為空調控制(ClimateControl)、后照鏡(Mirrors)、車門模塊(DoorModules)、座椅(Seats)、智能性交換器(SmartSwitches)、低成本傳感器(Low-costSensors)等較單純系統(tǒng)的分布式通訊解決方案。

以下將介紹應用于儀表板控制及車身控制的新一代MCU技術,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計參考。請參考(圖一)。

圖一 儀表盤控制及車身控制MCU在汽車中的應用(以MB91770系列和MB91725系列為例)


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汽車儀表板及車身控制設計要領

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,必須快速且準確無誤的傳遞給駕駛員知道。此外,汽車中的空調及車身控制模塊(BCM)系統(tǒng),負責為駕駛及乘客提供舒適的乘車環(huán)境。其中空調系統(tǒng)過執(zhí)行最佳控制將汽車內部的溫度迅速降至較為舒適的水平,并根據來自于各個傳感器的信息保持舒適的車內溫度。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、處理大量網絡節(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、先進的內存架構,以及更便利的開發(fā)環(huán)境。這些設計需求分析如下:

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)架構下手以富士通新一代MCU的FR81SCPU核心為例,它的工作性能達到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的處理效能;因具有內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。

大量網絡節(jié)點處理能力

今日汽車中的CAN網絡內存在著大量的內置式ECU,它們的規(guī)模隨著節(jié)點數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(messagebuffer)。上一代的32位CAN微控制器能提供達32個內置式訊息緩沖器,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64個內置式訊息緩沖器,而且支持CAN2.0A/B規(guī)格及提供1Mbps的高傳輸率。

廣泛接口支持能力:


車用MCU連接的外圍相當多樣,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轉換器,更容易達成各種功能的整合。請參考(圖二)。

圖二 使用序列接口達成彈性的通信接口功能整合



可擴展電路板布局范圍的功能

由于車用電路板系統(tǒng)的布局設計方式相當多樣,車用MCU必須能滿足這些設計的需求。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存或圖像用ASIC相連。

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

先進的內存架構:

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

更便利的開發(fā)環(huán)境:

一般產品必須利用ICE主單元和驗證用評估芯片來進行系統(tǒng)檢驗,為了降低驗證的復雜度,我們?yōu)樾乱淮鶰CU產品提供芯片上(on-chip)的偵錯方式。它采用單線調試接口,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10米的范圍內實現(xiàn)小型ICE主單元和目標電路板之間的通信。這可以簡化按照常規(guī)難以實現(xiàn)的汽車評估。

圖三 運用芯片上偵錯實現(xiàn)汽車評估


一輛汽車中的電子系統(tǒng)愈來愈復雜,對于車用MCU的仰賴也愈來愈深。針對汽車儀表板及車身控制設計,必須為駕駛提供精準迅速的輔助信息,以及便利舒適的乘車空間,因此相關的MCU也必須滿足更高的性能及更彈性的設計需求,才能為應用功能的開發(fā)帶來幫助。
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