微控制器如何解決解決動(dòng)力系統(tǒng)分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)

　　車輛中微控制器的數(shù)量正在穩(wěn)步增加，它們使用的關(guān)鍵領(lǐng)域之一是降低燃料消耗。因此，一些制造商正在設(shè)計(jì)和制造針對(duì)動(dòng)力總成應(yīng)用的微控制器。這個(gè)市場(chǎng)的趨勢(shì)是將智能分布在車輛周圍。這種微控制器能夠解決動(dòng)力系統(tǒng)的不同方面以及分布式架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)挑戰(zhàn)。

　　用作發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 （ECU） 的微控制器正變得越來越普遍。確認(rèn)這些將完成所需的工作并具有最高質(zhì)量對(duì)于促進(jìn)進(jìn)一步實(shí)施至關(guān)重要。分析溯源信息需要診斷工具，因此在設(shè)計(jì)周期中應(yīng)盡早進(jìn)行此類一級(jí)診斷。

　　動(dòng)力總成市場(chǎng)正在尋找減少車輛碳足跡的創(chuàng)新方法，包括縮小發(fā)動(dòng)機(jī)尺寸、減少噴射損失和提高效率等流行方法。汽車制造商希望優(yōu)化傳動(dòng)比和換檔，減少摩擦和液壓損失，并繼續(xù)推動(dòng)混合動(dòng)力和全電動(dòng)汽車的發(fā)展。在所有這些領(lǐng)域中，汽車電子設(shè)備發(fā)揮著越來越重要的作用。

　　示例和應(yīng)用

　　將這些想法付諸實(shí)踐的是許多設(shè)備，首先是STMicroelectronics SPC563M64L5COAR，它是其 SPC56x 系列微控制器的一部分，適用于 ECU 診斷應(yīng)用。英飛凌 SAA-XC866-4FRA 5V BE也可用于各種動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用（稍后將討論當(dāng)用作控制燃油泵的電路的一部分時(shí)其降低燃油消耗的能力示例）。Atmel 的 AVR 低功耗 32 位微控制器，例如AT32UC3C0512C-ALUR，可以為汽車應(yīng)用提供更高的電源效率。這些不僅限于在動(dòng)力系統(tǒng)中使用，還可以用于汽車音響和車門控制模塊等應(yīng)用。

　　然而，隨著汽車的互聯(lián)程度越來越高，汽車中的所有設(shè)備都必須協(xié)同工作。因此，重要的是它們可以與車輛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互。飛思卡爾半導(dǎo)體提供MPC5566MVR132在其 MPC5xx 系列微控制器中，可與公司的 MFR4310 FlexRay 控制器配合使用。

　　ECU 診斷

　　STMicroelectronics SPC56x 系列微控制器可用于 ECU 診斷的多種不同工具，特別是 SPC563Mx 和 SPC564Ax 動(dòng)力總成設(shè)備。了解閃存何時(shí)受到保護(hù)以及如何讀取存儲(chǔ)在 SPC56x 閃存中的可追溯性信息，將使汽車制造商能夠?yàn)槠?ECU 定義和實(shí)施正確的策略。由于 IP 保護(hù)和引擎調(diào)整很重要，因此需要識(shí)別不需要訪問 Flash 密碼的配置。

　　當(dāng)懷疑 ECU 行為不正確時(shí)，它需要運(yùn)行 ECU 級(jí)診斷。該領(lǐng)域的 ECU 級(jí)診斷有兩個(gè)主要目標(biāo)。一是收集ECU配置的溯源信息，二是運(yùn)行ECU級(jí)別的自檢。ECU 級(jí)診斷的另一個(gè)困難是接觸 PCB，因?yàn)樗ǔｋ[藏在 ECU 外殼內(nèi)。因此，有幾種方法可用于帶外殼的 ECU 級(jí)診斷和不帶外殼的 PCB 級(jí)診斷。

　　ECU 級(jí)別的可追溯性涉及硬件和軟件配置信息。在硬件方面，有ECU關(guān)鍵部件的版本號(hào)和可追溯信息。軟件信息包括每個(gè)頂級(jí)軟件組件的修訂號(hào)。除此之外，有時(shí)還會(huì)收集硬件或軟件組件的日期代碼。

　　圖 1：SPC563M64 的頂層框圖。

　　每個(gè) SPC56x 都將可追溯性信息存儲(chǔ)在閃存中的內(nèi)存位置，可供應(yīng)用程序訪問，以便用戶軟件可用于讀取它們并通過選定的診斷通信接口（無論是 UART、LIN、CAN 還是 FlexRay）發(fā)送它們。要發(fā)送追溯信息，用戶可以采用由應(yīng)用軟件進(jìn)入的用戶定義診斷模式或使用串行啟動(dòng)模式。這主要是由汽車制造商的密碼策略驅(qū)動(dòng)的。

　　當(dāng) Flash 受到保護(hù)時(shí)，應(yīng)用軟件可以隨時(shí)讀取溯源信息。然后，應(yīng)用軟件可能具有特定的診斷模式，允許它通過預(yù)定義的通信接口（例如 CAN、LIN、K-Line 和 FlexRay）發(fā)送此信息。此操作不需要工程師知道 Flash 密碼即可在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行這些操作。但是，使用串行啟動(dòng)模式，工程師需要密碼。使用密碼的外部工具可以讀取設(shè)備內(nèi)部的追溯信息。也就是說，可以僅使用串行鏈路使用串行引導(dǎo)模式，在這種情況下不需要密碼。

　　為此，工程師需要首先在 RAM 中保留位置，最好是具有最高地址的位置。然后，應(yīng)用軟件可用于在上電過程中系統(tǒng)地將 Flash 中的位置復(fù)制到 RAM 中的選定位置。ECU 應(yīng)首先在應(yīng)用模式下啟動(dòng)，然后在不關(guān)閉電源的情況下應(yīng)用復(fù)位，以確保 MCU 在串行啟動(dòng)模式下啟動(dòng)。然后，上傳到 RAM 中的軟件可用于使用選定的串行鏈接導(dǎo)出可追溯性信息。

　　ECU 級(jí)別的自檢可以從應(yīng)用軟件或微控制器 RAM 運(yùn)行。即使啟用高保護(hù)級(jí)別，SPC563Mx 和 SPC564Ax 也允許在 RAM 中上傳軟件，無需向用戶分發(fā)任何私人密碼即可運(yùn)行。這使他們能夠執(zhí)行 MCU 特定、ASSP 和功率級(jí)自測(cè)。

　　當(dāng) SPC563Mx 或 SPC564Ax 進(jìn)入串行引導(dǎo)模式且串行引導(dǎo)控制字不同于 0x55AA 時(shí)，器件的 Flash 被禁用，而 JTAG 端口被啟用。要讀取追溯信息，工程師必須首先在 RAM 中保留位置。如前所述，應(yīng)用軟件可用于在上電過程中系統(tǒng)地將 Flash 中的位置復(fù)制到 RAM 中的選定位置。ECU 應(yīng)首先在應(yīng)用模式下啟動(dòng)，然后在不關(guān)閉電源的情況下應(yīng)用復(fù)位。然后，該工具可以與 JTAG 一起使用，以連接到器件、從 RAM 加載和執(zhí)行軟件。

　　ECU 的 PCB 應(yīng)為 JTAG 連接做好準(zhǔn)備。在大多數(shù)情況下，JTAG 測(cè)試焊盤可以靠近 MCU 放置以進(jìn)行 PCB 測(cè)試。一個(gè)好的替代方案是提供 SMD JTAG 連接器，因?yàn)樗捎糜?ECU 測(cè)試和 PCB 級(jí)診斷。

　　協(xié)同工作

　　車輛中不同設(shè)備的一個(gè)重要方面是它們?nèi)绾螀f(xié)同工作以及與車輛網(wǎng)絡(luò)協(xié)同工作。飛思卡爾半導(dǎo)體在其 16 位和 32 位 MPC5xx 系列微控制器中擁有 MPC5566MVR132-ND 和其他產(chǎn)品，這些產(chǎn)品將與該公司的 MFR4310 FlexRay 控制器配合使用。兩者之間的硬件接口很簡單，但也需要軟件。通過應(yīng)用這些技術(shù)，用戶可以快速設(shè)計(jì)出全功能的 FlexRay 節(jié)點(diǎn)。

　　MPC5xx 通過外部總線接口 （EBI） 與 MFR4310 連接。在 MPC5xx 上，EBI 提供單獨(dú)的地址、數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。MFR4310 必須使用 MFR4310 MPC 模式連接到 MPC5xx。

　　圖 2：將 MFR4310 連接到 MPC5xx MCU。

　　操作控制器主機(jī)接口 （CHI） 所需的接口模式是 MPC 接口。MPC 模式有一個(gè) CHI 和主機(jī)接口時(shí)鐘 – CHICLK_CC。這是可選擇的外部 CHI 時(shí)鐘輸入。選擇時(shí)，CHICLK_CC 的最小外部時(shí)鐘頻率為 20 MHz，最大值為 76 MHz。

　　在 MFR4310 上，D0 是數(shù)據(jù)總線的最低有效位 （LSB），A1 是地址總線的 LSB，但在 MPC5xx 上，ADDR0 是地址的最高有效位。因此，數(shù)據(jù)和地址引腳必須以相反的順序連接到 MFR4310，即 MFR4310 上的 D0 連接到 MPC5xx 上的 DATA15，MFR4310 上的 A1 連接到 MPC5xx 上的 ADDR30。MFR4310 具有 16 位數(shù)據(jù)總線，但可通過 BSEL0# 和 BSEL1# 信號(hào)訪問 8 位數(shù)據(jù)。MFR4310 必須針對(duì) 3.3 VI/O 進(jìn)行配置（通過以 3.3 V 為 VDDR 供電）以允許正確連接到 MPC5xx，其 EBI 引腳也必須由 3.3 V 供電。

　　軟件設(shè)置主要涉及初始化 MPC5xx 以允許與 MFR4310 控制器主機(jī)接口成功通信。當(dāng)兩個(gè)器件都初始化后，MPC5xx 可以讀取和寫入 MFR4310 寄存器。

　　必須初始化 MPC5xx 存儲(chǔ)器控制器以使 EBI 使用正確的芯片選擇和正確的等待狀態(tài)數(shù)，這取決于內(nèi)部總線頻率。在此序列之后，F(xiàn)lexRay 塊被配置為 FlexRay 節(jié)點(diǎn)并準(zhǔn)備好集成到 FlexRay 集群中。初始化序列的第二步是配置 MPC5xx 上的片選。內(nèi)存控制器控制 MPC5xx 的片選生成。MPC5xx 上有四個(gè)片選，其中任何一個(gè)都可以作為 MFR4310 的片選。CS0# 是全局片選，主要用于從外部 Flash 存儲(chǔ)器啟動(dòng)。如果用于此主要目的，則不能用于 MFR4310 通信，必須使用不同的片選。選項(xiàng)寄存器 OR［0：

　　MPC5xx 和 MFR4310 之間的成功讀/寫訪問需要多個(gè)等待狀態(tài)。該數(shù)字應(yīng)在存儲(chǔ)器控制器選項(xiàng)寄存器的 SCY 位中設(shè)置。BSEL0# 和 BSEL1# 必須通過 MPC 接口分別連接到 WE/BE0# 和 WE/BE1#。這將允許 8 位和 16 位訪問。

　　這意味著 MFR4310 FlexRay 控制器可以成功連接到 MPC5xx 系列 MCU，并在 MPC5xx 選項(xiàng)寄存器中為適當(dāng)?shù)男酒x擇設(shè)置正確數(shù)量的等待狀態(tài)。MPC5xx 通過外部總線直接連接到 MFR4310 控制器，不需要粘合邏輯。軟件配置也很簡單，外設(shè)被簡單地映射到全局地址空間。觀察到的結(jié)果驗(yàn)證了主機(jī)微控制器和獨(dú)立 FlexRay 通信控制器之間成功通信所需的最佳時(shí)序參數(shù)。

　　其他微控制器

　　許多其他微控制器可用于此類汽車應(yīng)用。例如，Atmel 的 AVR 低功耗 32 位微控制器（例如 AT32UC3C0512C-ALUR）由于具有更高的處理能力和精度，可以為汽車應(yīng)用提供更高的電源效率。這些允許實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制算法、語音控制和電容式觸摸感應(yīng)等功能。UC3C 32 位微控制器還包括外設(shè)事件系統(tǒng)、精密時(shí)鐘和高性能外設(shè)。集成功能包括安全閃存、基于硬件的安全機(jī)制、直接與模擬傳感器接口的能力以及可配置的軟件框架。

　　圖 3：汽車音響應(yīng)用中的 UC3C 32 位微控制器（頂部）和車門控制模塊（底部）。

　　許多汽車設(shè)計(jì)具有分散的功能架構(gòu)；有一個(gè)單獨(dú)的 USB 芯片，一個(gè)用于 CAN，另一個(gè)用于圖形，每個(gè)支持的音頻解碼器一個(gè)，等等。具有外圍集成和擴(kuò)展處理能力的微控制器（例如 UC3C）允許將整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)整合到用于汽車音頻應(yīng)用的單個(gè)芯片上。用于車門控制模塊時(shí)，可包含后視鏡定位功能、車窗升降器操作、帶調(diào)光功能的LED背光燈，以及用于控制車窗升降器和后視鏡定位的不同類型傳感器和開關(guān)的接口。 可以通過 LIN 或 CAN 接口實(shí)現(xiàn)與車輛網(wǎng)絡(luò)的互連。

　　集成浮點(diǎn)單元 （FPU） 簡化了應(yīng)用程序開發(fā)。特別是復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)需要更少的努力，更寬的動(dòng)態(tài)范圍可以保持高精度。使用 32 位浮點(diǎn)指令實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法不僅可以提高系統(tǒng)精度和效率，還可以加快開發(fā)速度。許多應(yīng)用程序都可以從使用 FPU 中受益，包括這些門控制和音頻應(yīng)用程序。

　　燃油泵

　　英飛凌擁有一系列 8 位、16 位和 32 位汽車認(rèn)證微控制器，其中包括 8 位 SAA-XC866-4FRA 5V BE。它使用 XC800 內(nèi)核并與標(biāo)準(zhǔn) 8051 處理器兼容。它使用每機(jī)器周期兩個(gè)時(shí)鐘的架構(gòu)進(jìn)行具有等待狀態(tài)的內(nèi)存訪問。片上存儲(chǔ)器包括 8 KB 引導(dǎo) ROM、256 字節(jié) RAM、512 字節(jié) XRAM、4、8 或 16 KB 閃存或 8 或 16 KB ROM 以及額外的 4 KB 閃存。

　　這些器件的高溫（高達(dá) +140?C）運(yùn)行使其非常適合汽車應(yīng)用，例如發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)閉冷卻風(fēng)扇、節(jié)氣門控制、渦輪增壓器、水泵、油泵和照明。

　　圖 4：燃油泵應(yīng)用中的英飛凌 XC8xx 8 位微控制器。

　　圖 4 顯示了燃油泵應(yīng)用中的這種微控制器。該電路還使用了Novalithic 大電流 PN 半橋系列的 BTN89xx 和 TLEA46xx 低壓差固定電壓穩(wěn)壓器。該電路可以通過使用 XC8xx 系列中的不同產(chǎn)品來滿足性能和預(yù)算需求。該電路的好處包括燃料節(jié)省超過 1%，例如，從 160 g 到 158.4 g CO 2 /km。碳?xì)浠衔锏呐欧乓矞p少了，使用壽命也增加了。該公司還報(bào)告燃油效率提高了約 0.34 mpg。

　　結(jié)論

　　汽車應(yīng)用中的微控制器市場(chǎng)正在迅速增長。每一代車輛都更多地依賴電子設(shè)備和隨附的軟件。例如，最初的 Apollo 制導(dǎo)計(jì)算機(jī)只有 2000 行代碼，而普通汽車的代碼行數(shù)為 1000 萬行，預(yù)計(jì)未來十年這一數(shù)字還會(huì)再增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。除了降低油耗外，這些微控制器還使汽車更加舒適，提高了安全性，并有助于娛樂和通知駕駛員和乘客。上述應(yīng)用只是微控制器在現(xiàn)代車輛中提供本地智能和控制方式的一小部分示例。