微控制器(MCU)在從電機(jī)控制，到信息娛樂系統(tǒng)和車身控制等越來越寬泛的汽車應(yīng)用中提供至關(guān)重要的性能。隨著價(jià)格的下降和整固的增加，微控制器正變得越來越普及，這意味著MCU被越來越多地視為商品。盡管存在這種商品化趨勢(shì)，汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師仍然認(rèn)為不同的控制器會(huì)有很大的差異，包括各種級(jí)別的集成度和功率要求。選擇MCU通常可以縮減材料成本(BOM)，從而有效地降低電子控制單元(ECU)本身的價(jià)格。
選擇汽車MCU時(shí)，設(shè)計(jì)工程師可以考慮以下重要因素，實(shí)現(xiàn)成本壓力與應(yīng)用所需的特定性能特色之間的平衡。
1. 低壓檢測(cè)
MCU工作時(shí)的故障風(fēng)險(xiǎn)之一是在臨界點(diǎn)時(shí)電源電壓或MCU內(nèi)部電壓可能降至所需電平以下。顯然，如果工作電壓無法保證，而超出了推薦電源電壓之外的話，這就會(huì)引發(fā)故障。
傳統(tǒng)系統(tǒng)采用外部電壓監(jiān)測(cè)IC來檢查電壓。不過，這個(gè)功能可以通過一個(gè)既監(jiān)測(cè)MCU內(nèi)部電壓，又監(jiān)測(cè)外部電源電壓電平的內(nèi)部區(qū)塊整合到MCU中。如圖1所示，當(dāng)電壓降至預(yù)設(shè)的閾值以下時(shí)，MCU會(huì)自動(dòng)重置。閾值電平可以從一組預(yù)先設(shè)定值(7個(gè))中進(jìn)行選擇，富士通的最新MCU產(chǎn)品就是這樣。這種方法可以從BOM中去掉外部元器件，從而降低成本。
圖1：低壓檢測(cè)和自動(dòng)重置
2. 看門狗計(jì)時(shí)器
要考慮的另一個(gè)重要功能是看門狗計(jì)時(shí)器(WDT)，這種計(jì)時(shí)器有助于從“失控的微處理器”或“雜亂狀況下的處理器”等故障情況中恢復(fù)。該模塊一旦檢測(cè)到MCU處于無響應(yīng)狀態(tài)就會(huì)重置MCU。過去，嵌入式系統(tǒng)采用外部IC來執(zhí)行此功能，不過，可以在MCU中整合多個(gè)看門狗計(jì)時(shí)器。例如，一個(gè)計(jì)時(shí)器可以作為CPU操作系統(tǒng)時(shí)鐘外部的獨(dú)立時(shí)鐘工作。此計(jì)時(shí)器將基于較慢的CR時(shí)鐘，適合作為MCU的硬件看門狗使用，或者用于較長(zhǎng)的軟件循環(huán)從而防止出現(xiàn)失控狀況。另一個(gè)計(jì)時(shí)器可以基于較快的外圍時(shí)鐘。理論上，當(dāng)計(jì)時(shí)器可能由于某些錯(cuò)誤狀況而反饋過快時(shí)，看門狗計(jì)時(shí)器會(huì)支持窗口功能，此時(shí)也會(huì)重置MCU。
圖2：內(nèi)置看門狗計(jì)時(shí)器
3. 專用NV存儲(chǔ)器
與看門狗計(jì)時(shí)器一樣，EEPROM歷來都是MCU的外部器件。不過，也有可能通過采用專用ROM將這類存儲(chǔ)裝置變成內(nèi)部器件。提高穩(wěn)定性和采用糾錯(cuò)機(jī)制可以進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)置EEPROM。
將EEPROM整合到內(nèi)部的高級(jí)方法是采用具有雙重操作功能的閃存。閃存存儲(chǔ)庫的一部分可以進(jìn)行讀取，而另一部分庫則可以進(jìn)行編程，通過單個(gè)閃存模塊來實(shí)現(xiàn)EEPROM。另一種方法是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)閃存模塊，不過這種方法的開銷會(huì)比雙重操作閃存的開銷大。比如，富士通MCU具有高達(dá)100,000擦除/編程周期的高可靠性EEPROM方案。這些MCU還支持ECC，可將數(shù)據(jù)保留長(zhǎng)達(dá)20年之久。現(xiàn)在，用來將閃存控制為EEPROM功能的商用級(jí)軟件已經(jīng)開始供貨。
4. 汽車接地
由于電子控制單元定位方式的原因，汽車環(huán)境中的電氣連接確實(shí)很長(zhǎng)。汽車系統(tǒng)包含許多ECU和汲取相對(duì)較大電流的其他裝置。因此，除ECU本身產(chǎn)生的寄生噪聲之外，電氣接地電平往往不理想，可能會(huì)在一定范圍內(nèi)漂移。
圖3：漂移的汽車接地
根據(jù)這樣的接地情況進(jìn)行MCU設(shè)計(jì)會(huì)提高魯棒性和故障安全等級(jí)。高級(jí)MCU往往是根據(jù)汽車情況針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化VIL進(jìn)行設(shè)計(jì)的。由于“浮地”有助于防止出錯(cuò)，從而提高了ECU品質(zhì)。
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5. Vbat電平直接輸入
汽車系統(tǒng)中的某些ECU可以處理電池電平電壓周圍的I/O信號(hào)。對(duì)于基于CMOS設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體，I/O信號(hào)是VCC電平的最大值，一般在3V至5V范圍內(nèi)。因此，需要轉(zhuǎn)換器器進(jìn)行電壓電平轉(zhuǎn)換。某些情況下，可以實(shí)現(xiàn)電壓保護(hù)，從而允許高壓信號(hào)通過限流電阻直接相連。富士通MCU的設(shè)計(jì)通過一個(gè)內(nèi)部保護(hù)二極管和一個(gè)外部限流器來支持此功能。此方法可以減少PCB上所需的元器件數(shù)，從而進(jìn)一步降低成本。
圖4：直接輸入Vbat電平信號(hào)
6. 終端功能重定位
在對(duì)引腳數(shù)相當(dāng)大的IC進(jìn)行PCB布局時(shí)盡可能保持最小的層數(shù)往往很有挑戰(zhàn)。PCB上的外圍元器件無法總是根據(jù)MCU的引腳分布進(jìn)行理想的定位。有時(shí)，如果MCU具有將其內(nèi)部模塊重定位至另外一組引腳的內(nèi)置靈活性的話就會(huì)很有用。這可以通過軟件設(shè)置來實(shí)現(xiàn)。這種能力可以提高PCB布局過程中的靈活性。
圖5：IO終端重定位
7. ADC輔助功能
模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)一直以來都是嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)基本功能塊。ADC可將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換至數(shù)字域，從而使得能夠訪問來自模擬域的信息。
可以根據(jù)具體的應(yīng)用修改ADC功能塊基于ADC功能塊對(duì)MCU進(jìn)行區(qū)分。這種增強(qiáng)可以區(qū)分整個(gè)MCU封裝。比如，ADC模塊可以在硬件中支持范圍比較器和脈沖檢測(cè)功能。這些功能對(duì)于儀表板中的步進(jìn)電機(jī)控制等應(yīng)用、電源監(jiān)測(cè)和傳感器應(yīng)用非常有用。ADC可以處理來自步進(jìn)電機(jī)線圈的輸入信號(hào)，以執(zhí)行零點(diǎn)檢測(cè)(ZPD)。在硬件中完成處理任務(wù)時(shí)，CPU可以在其它地方使用其MIPS。
8. LIN硬件輔助功能
本地互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)是一種成本低廉的低速通信技術(shù)，該技術(shù)在車身應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。通過LIN總線可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)幀頭的傳輸和檢測(cè)、通信測(cè)試功能、變量中斷長(zhǎng)度生成、以及硬件中的校驗(yàn)和生成和驗(yàn)證等功能。因此，使用LIN總線有助于增強(qiáng)MCU性能。此方法用于其他地方時(shí)有助于節(jié)省CPU的MIPS。
9. ZPD增強(qiáng)
對(duì)于儀表板應(yīng)用而言，ECU采用零點(diǎn)檢測(cè)(ZPD)來確定指針何時(shí)到達(dá)終點(diǎn)以便停止步進(jìn)電機(jī)。此功能要求步進(jìn)電機(jī)控制器(SMC)讀取和評(píng)估電機(jī)線圈中的電壓信號(hào)(也稱為“反電動(dòng)勢(shì)”)，從而進(jìn)行檢測(cè)。增加硬件支持可以增強(qiáng)SMC，從而進(jìn)行電壓評(píng)估，這樣，實(shí)現(xiàn)ZPD就無需任何外部元器件。此外，大多數(shù)反電動(dòng)勢(shì)評(píng)估也可以采用硬件機(jī)制來進(jìn)行。(在這方面，上文中提到的ADC范圍比較器和脈沖檢測(cè)功能比較有用。)此外，此方法只需要最小的CPU使用率
10. 位置和轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)
以硬件區(qū)塊的形式提供四位置和轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)(QPRC)功能十分有利。這樣，用戶就可以在音頻和導(dǎo)航應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)飛梭(jog-dial)功能。此模塊可以控制旋轉(zhuǎn)程度和方向，確定旋轉(zhuǎn)速度。從理論上講，這可以通過在MCU中采用標(biāo)準(zhǔn)輸入捕獲單元來實(shí)現(xiàn)。不過，實(shí)現(xiàn)專門用于這些任務(wù)的專用硬件模塊可使CPU節(jié)約資源，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)更好的任務(wù)分配和簡(jiǎn)化的軟件包。
選擇最佳供應(yīng)商
選擇汽車MCU時(shí)還要考慮一個(gè)關(guān)鍵因素：找一家歷史悠久、市場(chǎng)份額較大的公司。還需要考慮供應(yīng)商能否提供針對(duì)五花八門的汽車應(yīng)用的各種MCU，包括車身、電源軌和車載信息系統(tǒng)。找一條包含基于經(jīng)過業(yè)界驗(yàn)證、專有CPU和標(biāo)準(zhǔn)ARM架構(gòu)的16位和32位MCU的汽車產(chǎn)品線。
因此，盡管汽車MCU存在商品化的趨勢(shì)，但并不表示一定會(huì)增加成本才能實(shí)現(xiàn)各種不同的特殊功能。只要選擇合適的MCU，就可以大幅提高成本效益，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。而選擇一家信譽(yù)可靠、產(chǎn)品多樣、具有強(qiáng)大支持的MCU供應(yīng)商可以讓MCU設(shè)計(jì)過程變得更簡(jiǎn)單、高效。
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