汽车电子嵌入式系统设计(6)车用81632位元MCU技术需求.pdf

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1、今日汽的電子化程已愈愈深，從資訊娛、身、安全到動傳動系統，用電子元件進感測和操控的情況已深入汽的各個角，汽是一部大型而複雜的電子化設備，一點也為過。在汽中十種的次系統中（如門控、氣囊、懸吊、CD 播放等），且其輸出輸入的功能為何，它們都需要有一個運算和控制的處核心，也就是本文所要談的微控制器（MCU）。就架構面看，用微控制器與一般泛用性微控制器的架構差並大，然而，一般的微控制器往往會被廠所接受，他們要的是符合用規格要求的高可靠微控制器。個別看，汽中各個次系統對微控制器的操控需求或許並無太特殊之處，但當這些微控制器是被用在汽引擎、剎、氣囊等用途上，而且需被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴重的運

2、作環境時，廠對於電子元件的品質就得從嚴把關。技術特性需求 除對溫範圍、抗震、抗干擾等特性的加強外，用微控制器也必須滿足一些專屬的需求，其中最明顯的是對用環境匯排介面的支援。最常的介面規格是 CAN 和 LIN，這大規格在本系前文中已詳細介紹過，其中 CAN 又分為高速 CAN 和低速 CAN，高速 CAN 通常用於汽發動機控制單元、自動變速器控制單元、ABS 控制單元、安全氣囊控制單元等關鍵性的應用；低速 CAN 則用於集控鎖、窗、箱鎖、後視鏡及內頂燈等一般性的身應用。雖然同樣是有 CAN 的支援功能，但同的微控制器可執的能仍可能有差別，這主要和 CAN 控制器的型式有關。CAN 的型式可分為

3、舊型的 1.x、標準型的 2.0A 和延伸型的 2.0B，愈新的規格效能自然愈好，其中 2.0B 又可分為被動（passive）型式和主動（active）型式。除支援型式的差外，CAN 控制器依訊號緩衝的目和接收過器的目同，支援能也會有差，以 ST 的 CAN 控制器為，就提供 pCAN、beCAN、bxCAN、FullCan 和 cCAN 等五款同型的控制器，各有其適合的應用型，如beCAN、bxCAN 適合中高階體功能及低階閘道器；FullCAN 適合引擎管系統；cCAN 則適合高階的閘道器和動傳動等應用。圖一 依訊號緩衝及接收過器目而區分的 CAN 控制器型式（資源：ST）LIN 則是較

4、 CAN 為低速且低成本的通訊方案，很適合做為空調控制（Climate Control）、後照鏡（Mirrors）、門模組（Door Modules）、座椅（Seats）、智慧性交換器（Smart Switches）、低成本感測器（Low-cost Sensors）等較單純系統的分散式通訊解決方案。圖二 LIN 的應用域（資源：ST）當汽內部分散多處的單元需要進溝通時，這時就會需要將資訊匯到一個閘道器（Gateway）控制器，這個汽中多種同網的通訊橋接中心，必須廣泛支援低速及高速 CAN、LIN、ISO-9141 和 J1850 等用電子通訊介面。在一個完整的閘道器解決方案架構中，必須包括匯排

5、收發器、穩壓器（regulator），以及支援多種網協定的低成本、高效能微控制器。過，閘道器的設計目前並沒有一個通則的作法，它可以是一個獨的模組，也可以被嵌入在其他的設備當中，如智慧型集線盒、體控制器或儀表組件（instrument cluster），而且同的廠往往會有自己的協定規格，必須身定製才。嵌入式快閃記憶體成主 為提升工作處彈性，今日用微控制器的系統中往往會內置嵌入式記憶體（Flash），甚至整合 DSP 的單元。用嵌入式記憶體又可分為 ROM、EEPROM、RAM 和 Flash，其中嵌入 NOR Flash 做為微控制器程式及據儲存的記憶體已是主的趨勢，它讓微控制器具有高的設計彈性

6、。在微控制器中嵌入記憶體有許多好處：此舉能夠外接的元件，進而有效縮減印刷電板（PCB）所需的空間；還能低接線的複雜，由於需要以匯排與外部元件進高速，因此產生訊號幹擾的問題，穩定也就能夠提升。嵌入式記憶體運用高可靠性的方式儲存組態，並搭配防保護機制，用以確保可程式記憶體中的內容致遭受非法複製。DSP 單元提升設計彈性 另一個提升彈性的作法，則是為微控制器加入位訊號處（DSP）的 MAC 功能。DSP 特別適合用處大的學算式運算，能夠加速各種編解碼及通訊據的分析，舉，在安全系統的駕駛輔助警示應用上，DSP 可以用計算複雜的前方況辨，為駕駛提出最恰當且即時的警告。由於 DSP 是屬於軟體功能，因此能

7、夠依設計需要而彈性進修改或功能升級；此外，DSP 可以和微控制器中的處器核心（如 ARM 或 PowerPC）分工合作，將大的運算交給 DSP 處，讓處器核心能專注於關鍵性的控制功能，這種分散運算的方式也有助於低系統的功耗。圖三 具備 MAC 單元的 16 位元 MCU：以 ST10 為（資源：ST）元件型與特性剖析 和一般性微控制器市場似，用微控制器依功能性也可分為 4 位元、8 位元、16 位元、32 位元及 64 位元等五個等級，過，今日看，4 位元微控制器已過於陽春，而 64 位元產品則仍太過高階，所以主的市場集中在 8、16 和 32 位元的微控制器，這三種等級正好適用低、中、高階三

8、種用電子應用。適合 8 位元微控制器的低階應用，主要是體的各個次系統，包括風扇控制、空調控制、雨刷、天窗、窗升、低階儀表板、集線盒、座椅控制、門控模組等；適合 16 位元微控制器的中階應用主要是動傳動系統，如引擎控制、齒與合器控制，和電子式渦系統等，這控制器也適合用於底盤機構上，如懸吊系統、電子式動方向盤、扭分散控制，和電子幫浦、電子剎等。圖四 16 位元 MCU 的汽應用（資源：ST）對於用電子，32 位元微控制器仍屬於高性能產品，目前最常用於汽多媒體資訊系統（Telematics）及引擎控制方面，但隨著汽電子系統的日趨複雜化，尤其是愈愈強調智慧性和即時性的安全系統及動系統中，都勢必得採用3

9、2 位元的微控制器，才能順執。這些前瞻性的功能包括上文提到的預碰撞（Pre-crash）、自適應巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統、電子穩定程式等安全功能，以及複雜的 X-by-wire 等傳動功能。值得關注的是用微控制器市場的發展趨勢。今日 8 位元微控制器的功能斷在提升，如處器核心功提升、嵌入式記憶體容增加，以及接腳具彈性等等，再加上成熟的技術促使成本進一步低，讓 8 位元微控制器的適用市場空間變得大，能向上涵蓋一些 16 位元的應用，也能向下取代多 4 位元的應用。32 位元微控制器則是最具成長潛的產品型。今日的汽電子系統強調高的智慧性、即時的反應，和多樣化的功能，這些需求都漸漸是 16

10、位元產品所能滿足的，因而必然得選用高效能的 32 位元微控制器。除處複雜的運算及控制功能，32 位元產品也將扮演用電子系統中的主控處中心角色，也就是將分散各處的中低階電子控制單元（ECU）集中管。雖然 32 位元的產品在一般市場上早已廣泛被應用，但在今日汽的關鍵性應用上（如傳動及安全系統）用到的還多，仍以 16 位元微控制器為主。主要的原因是 32 位元 MCU 大多仍處於用電子件規格的驗證階段，即使是合格的產品，還得通過廠本身的各種環境測試，所以成為市場主還需要等待一段時間，目前大多要在高階的款中才看得到其應用。這樣看起，16 位元微控制器正好遭到自 8 位元及 32 位元市場的夾，地位顯得

11、有些尷尬。事實上也正是如此，過，在加入高容記憶體及具備DSP-MAC 的條件下，16 位元產品仍然能滿足特殊應用功能的需求。至少在元件的品質上，它已獲得市場上的認可，只要成本及功能性還能保有優勢，16 位元仍然有其存在的市場空間。8 位元 MCU 8 位元用微控制器適合廣泛的中低階應用，這些元件通常都支援 CAN 及 LIN介面，而且會嵌入 Flash 或 ROM 程式記憶體。它們必須能提供快速的程式執、有效的記憶體使用、快速的資處和環境換（context switching）、彈性的輸入/輸出介面，以及延伸性的系統功能。以 ST 專為用環境設計的 8 位元 ST72561 微控制器為，該元件

12、即整合 CAN及 LIN 匯排介面。其 CAN 控制器全面支援具備增強型消息過功能的 29 位元別碼，ST 透過新增的處器介面支援基於 Bosch CAN 核心的 beCAN 單元，它有二個傳送 mailbox、三個訊息深 RX-FIFO，和個過器群組，能夠有效地依 ID 進訊息過。LIN 介面則支援 ST 針對硬體強化所提出的主/從 LINSCI 接埠，此一最佳化技術能針對無關係的 LIN 訊框進自動化 LIN 標頭的處與過，能夠為 LIN 通訊下約九成的 CPU 負載。低 CPU 的負荷有助於提升系統效能，也能簡化系統的電設計，以低製造成本。此外，它的延伸性錯誤偵測和訊號處功能，讓應用上的

13、錯誤處為容。ST72561 待機時的功耗非常低，一般小於 50A，而且有週期性喚醒功能。圖五 ST7261 在體應用上的系統架構圖（資源：ST）16 位元 MCU 16 位元用微控制器適合高要求的應用型，如傳動或安全與底盤系統。以ST10 為，它具有 DSP-MAC 功能，並內建高容的 Flash 記憶體，適合強調高效能、即時性及低功耗的應用。它的 DSP-MAC(乘法/加)加速器提供功能強大的 DSP 函，使自定義的演算法能夠快速、簡的實現，它還配有一整套學軟體庫。該系產品的 CPU 時脈速最高可達 64MHz，它提供 16 個優先順序的中斷控制器和緊密整合的 DMA，因此特別適合要求極高的

14、即時應用。它的程式記憶體為Flash 或 ROM，其 Flash 的容最大可達 832KB，擦寫迴圈保證 100,000 次，資保存期限 20，因採用意法半導體最新的 0.18m 製造工藝，有助於延長產品使用壽命和優化成本，工作溫-40到+125。圖 可依記憶體及封裝接腳選擇需要的 16 位元 MCU（資源：ST）ST10 支援廣泛的系統週邊和介面，包括 ASC/LIN、CAN、I2C 和 SSC。它除支援 ST 的開發工具，也支援英飛淩的 C16x 和 XC16x，為現有用戶升級到密高的快閃記憶體提供一條捷徑，同時還能保護用戶的前期投資。32 位元 MCU 目前 32 位元微控制器大都用在高

15、檔的汽影音多媒體上，以滿足多媒體播放所需的較高處速。以ST的STA2058為，它整合32位元微處器ARM7TDMI和一個嵌入式快閃記憶體（embedded flash），並廣泛支援 CAN、SPI、UART、I2C、USB 等介面，以及 RTCA-SC159、WAAS、EGNOS 等 GPS 系統。此外，STA2058EX擁有外接記憶體介面，可以用作遠端資訊處服務平臺，允許免黏接輯（glueless）而與外部裝置（如：GSM/GPRS 模組、晶片卡、音頻功能 DSP）相，非常適用於汽在 Telematics 上的應用。為讓 32 位元微控制器普及，它必須採用較宜的生產製程及新的技術低成本，尤其

16、是進高的單晶片整合。透過將關係密的系統週邊電（如匯排關關、中斷控制器和除錯電等）整合入微控制器當中，可以有效縮減系統電的尺寸，也能低必要的高頻電干擾。採用 32 位元微控制器，除為用電子應用提供高的處效能外，搭配高速的匯排介面（如FlexRay），能讓整個系統得到即時的通訊表現。此外，32 位元產品也具有比8 位元及 16 位元佳的除錯能。結 微控制器在汽電子當中的重要性斷提升，扮演著提高操控性、智慧性、即時性及娛性的核心角色。汽對電子系統的倚重，也為微控制器市場的成長帶明顯的助益，這的產品除得滿足功能性的要求外，重要的是要能符合高標準且長時間的可靠性，這是廠非常重視的一道防線，以保障上的安全；而這也是元件製造商想入這個市場的門檻所在。在下一篇文章中，我們將探討汽元件的規格要求及相關技術，敬請期待。（本文作者為意法半導體 STMicroelectronics 大中華區汽電子部總監）