微控制器在汽車驅(qū)動(dòng)中的分析

 今天競爭激烈的汽車市場(chǎng)要求車輛能夠提供卓越的駕駛特性，吝嗇的油耗以及最新的舒適功能和便利性，例如帶記憶功能的座椅系統(tǒng)，無鑰匙進(jìn)入，集成導(dǎo)航以及駕駛員輔助。幸運(yùn)的是，制造商可以滿足那些由嵌入式微控制器(MCU)提供的智能提供的需求，這使他們能夠在中檔甚至經(jīng)濟(jì)模型中提供先進(jìn)的功能。

汽車環(huán)境帶來了許多挑戰(zhàn)。設(shè)備必須滿足嚴(yán)格的安全性和可靠性標(biāo)準(zhǔn)。它們必須在很寬的溫度范圍內(nèi)(通常為-40°C至125°C)保持穩(wěn)定，提供靜電放電(ESD)保護(hù)和低電磁干擾(EMI)。現(xiàn)代的線控駕駛車輛要求設(shè)備與各種協(xié)議兼容，包括控制器局域網(wǎng)(CAN)總線和本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)標(biāo)準(zhǔn)。

汽車領(lǐng)域MCU的兩個(gè)關(guān)鍵活動(dòng)領(lǐng)域包括車身電子和網(wǎng)關(guān)模塊。車身電子設(shè)備包括HVAC，照明(內(nèi)部和外部)，座椅定位，鏡子調(diào)節(jié)以及安全/安全功能，如無鑰匙進(jìn)入，防盜裝置和胎壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些任務(wù)中的許多任務(wù)，例如在客艙中保持設(shè)定溫度，在幾分鐘而不是幾微秒的時(shí)間尺度上運(yùn)行。因此，像Silicon Labs Inc.的C8051F52xA和C8051F53xA這樣的8位MCU可以提供有效而經(jīng)濟(jì)的解決方案，尤其適用于廉價(jià)車輛。

符合汽車電子協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100的汽車應(yīng)用要求，C8051F5xxA系列采用25 MIPS 8051 CPU，以及可編程24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，在以下工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在±0.5%以內(nèi) - 在40°C至+ 125°C。 (圖1)。這些器件包括8 kB的片上閃存和256字節(jié)的片上RAM。一系列集成功能，包括可編程比較器，電壓調(diào)節(jié)器和片上溫度傳感器，可降低成本和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，同時(shí)加快產(chǎn)品上市時(shí)間。兩個(gè)芯片的I/O端口數(shù)量不同，C8051F52xA提供多達(dá)16個(gè)I/O端口，C8051F53xA提供26個(gè)。

圖1： 8位C8051F5xxA系列微控制器具有集成的可編程比較器，穩(wěn)壓器和片內(nèi)溫度傳感器，可簡化設(shè)計(jì)。 (由Silicon Labs Inc.提供)

在當(dāng)今高度網(wǎng)絡(luò)化的車輛中，系統(tǒng)級(jí)通信至關(guān)重要。 C8051F5xxA系列擁有專用的LIN 2.0控制器，可處理電源窗等功能的低優(yōu)先級(jí)單向數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，控制器可以通過車輛的CAN網(wǎng)絡(luò)與其他子系統(tǒng)連接。

32位解決方案

傳動(dòng)控制等動(dòng)力總成應(yīng)用需要更高的處理速度和更強(qiáng)大的功能。在這里，像Atmel公司的AT32UC3C系列這樣的32位MCU可以提供有效的解決方案。 AT32UC3C基于AVR32UC RISC處理器，由一個(gè)完整的片上系統(tǒng)微控制器組成，提供1.49 DMIPS/MHz，速度高達(dá)66 MHz。它具有高達(dá)512 kB的片上閃存和高達(dá)64 kB的片上SRAM。數(shù)據(jù)接口旨在最大限度地提高速度并最大限度地減少延遲(圖2)。

圖2：AVR32UC CPU包括三個(gè)高速存儲(chǔ)器接口：一個(gè)高速總線主控器，每個(gè)用于取指令和數(shù)據(jù)訪問，另外還有一個(gè)高速總線從器件，允許總線主控器訪問CPU內(nèi)部的RAM。片上RAM可最大限度地減少延遲。 (由Atmel公司提供)

該器件具有多種外設(shè)，包括16通道，12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器和4通道12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。雖然外圍設(shè)備構(gòu)成了MCU的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，但管理它們可占據(jù)相當(dāng)大比例的CPU，更不用說引入抖動(dòng)和延遲。為了解決這些問題，AT32UC3C將外圍設(shè)備與內(nèi)部通信結(jié)構(gòu)連接起來。該方法允許芯片將事件從一個(gè)外設(shè)重定向到另一個(gè)外設(shè)或從輸入引腳重定向到外設(shè)。因此，它可以觸發(fā)基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形的ADC捕獲等操作，無需CPU干預(yù)，從而降低了計(jì)算開銷并最大限度地減少了延遲。類似地，存儲(chǔ)器直接存儲(chǔ)器存取控制器(MDMA)和外圍直接存儲(chǔ)器存取控制器(PDCA)控制器可以分別在存儲(chǔ)器位置之間或存儲(chǔ)器位置和外圍設(shè)備之間傳遞數(shù)據(jù)，而無需處理器的幫助。該方法釋放CPU以運(yùn)行應(yīng)用程序或切換到空閑模式，從而節(jié)省電力。

汽車安全的高性能

汽車應(yīng)用必須達(dá)到最高的可靠性標(biāo)準(zhǔn)。為了保護(hù)車輛和操作員，AT32UC3C監(jiān)控其主時(shí)鐘。如果它檢測(cè)到故障，它會(huì)切換到本地115 kHz RC振蕩器，該振蕩器既可以作為常規(guī)操作的備份，也可以支持關(guān)機(jī)過程。看門狗定時(shí)器提供額外的安全級(jí)別，允許系統(tǒng)在啟動(dòng)期間監(jiān)控性能以確保正常運(yùn)行。這些定時(shí)器通常通過軟件運(yùn)行，這會(huì)增加在應(yīng)用程序代碼損壞的情況下它們可能無法提供故障安全中斷的威脅。為了防止這種類型的故障，例如檢測(cè)系統(tǒng)是否陷入循環(huán)，AT32UC3C包含一個(gè)窗口看門狗定時(shí)器 - 如果在用戶定義的窗口內(nèi)沒有發(fā)生操作，它會(huì)觸發(fā)中斷。

驅(qū)動(dòng)程序輔助功能需要多核MCU最佳支持的高速運(yùn)行(參見之前的TechZone SM 文章“多核MCU提供新功能嵌入式選項(xiàng)。“)。多核MCU可用于同構(gòu)(多個(gè)相同內(nèi)核)或異構(gòu)(多個(gè)不同內(nèi)核)架構(gòu)，允許用戶劃分和征服處理任務(wù)。這些器件具有更高的計(jì)算密度和靈活性。每個(gè)核心可以執(zhí)行不同的操作，同時(shí)共享內(nèi)存并與其他核心交換數(shù)據(jù)。核心甚至可以在不同的操作系統(tǒng)上運(yùn)行。也許最重要的是，多核MCU支持多線程進(jìn)行并行處理;讓設(shè)計(jì)師自由地管理他們認(rèn)為合適的任務(wù)。

與多核計(jì)算平臺(tái)一樣，多核MCU可以通過虛擬機(jī)管理程序進(jìn)行虛擬化，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)存和處理能力的動(dòng)態(tài)分配。與使用管理程序在給定核心上提供多個(gè)服務(wù)器的計(jì)算環(huán)境不同，嵌入式系統(tǒng)可以虛擬化單個(gè)硬件，例如，允許多個(gè)系統(tǒng)組件通過它進(jìn)行通信。如果使用得當(dāng)，多核MCU可以整合多個(gè)單一控制器的操作，從而降低成本和尺寸，同時(shí)最大限度地提高功率和效率。

德州儀器(TI)的TMS570為用戶提供了一個(gè)均勻平臺(tái)選擇，其中雙ARM Cortex R4內(nèi)核以鎖步方式運(yùn)行，或者是集成了Cortex R4和Cortex ARM M3內(nèi)核的異構(gòu)平臺(tái)(圖3a)。符合IEC 61508安全完整性等級(jí)3(SIL3) - 危險(xiǎn)失效概率小于10 - 3 每小時(shí) - 異步設(shè)備的設(shè)計(jì)是為了安全 - 關(guān)鍵的汽車應(yīng)用，如駕駛輔助。內(nèi)核以160 MHz的最高速度運(yùn)行，提供超過250 DMIPS的性能。高可靠性功能包括CPU邏輯和存儲(chǔ)器的內(nèi)置自檢(BIST)，循環(huán)冗余校驗(yàn)?zāi)K和錯(cuò)誤信號(hào)模塊(圖3b)。

圖3a：采用鎖步內(nèi)核，內(nèi)置自檢和循環(huán)冗余校驗(yàn)?zāi)K，TMS570符合IEC 61508至安全完整性等級(jí)3.(由德州儀器公司提供)

圖3b：為了消除潛在的常見故障模式，該設(shè)計(jì)在其中一個(gè)處理器中引入了延遲，然后比較輸出信號(hào)。 (由Texas Instruments提供)

這些單元提供高達(dá)2 MB的片上閃存和高達(dá)160 KB的RAM。外設(shè)包括32個(gè)nHET定時(shí)器通道和一對(duì)12位A/D轉(zhuǎn)換器，最多支持24個(gè)輸入。 MCU還包括雙通道FlexRay接口和最多三個(gè)CAN接口。

雖然我們還沒有意識(shí)到專家們?cè)?0世紀(jì)90年代中期預(yù)測(cè)到的完全自動(dòng)化的駕駛體驗(yàn)，但即使是低成本的車輛也具有令人印象深刻的智能和功能。明天的車輛肯定會(huì)更先進(jìn)，汽車工程師不會(huì)很快擺脫相互沖突的設(shè)計(jì)需求。然而，憑借單核和多核MCU提供的功能，它們可以很好地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。