微控制器在汽车驱动中的分析

今天竞争激烈的汽车市场要求车辆能够提供卓越的驾驶特性，吝啬的油耗以及最新的舒适功能和便利性，例如带记忆功能的座椅系统，无钥匙进入，集成导航以及驾驶员辅助。幸运的是，制造商可以满足那些由嵌入式微控制器（MCU）提供的智能提供的需求，这使他们能够在中档甚至经济模型中提供先进的功能。

汽车环境带来了许多挑战。设备必须满足严格的安全性和可靠性标准。它们必须在很宽的温度范围内（通常为-40°C至125°C）保持稳定，提供静电放电（ESD）保护和低电磁干扰（EMI）。现代的线控驾驶车辆要求设备与各种协议兼容，包括控制器局域网（CAN）总线和本地互连网络（LIN）标准。

汽车领域MCU的两个关键活动领域包括车身电子和网关模块。车身电子设备包括HVAC，照明（内部和外部），座椅定位，镜子调节以及安全/安全功能，如无钥匙进入，防盗装置和胎压监测系统。这些任务中的许多任务，例如在客舱中保持设定温度，在几分钟而不是几微秒的时间尺度上运行。因此，像Silicon Labs Inc.的C8051F52xA和C8051F53xA这样的8位MCU可以提供有效而经济的解决方案，尤其适用于廉价车辆。

符合汽车电子协会标准AEC-Q100的汽车应用要求，C8051F5xxA系列采用25 MIPS 8051 CPU，以及可编程24.5 MHz内部振荡器，在以下工作温度范围内稳定在±0.5％以内 - 在40°C至+ 125°C。 （图1）。这些器件包括8 kB的片上闪存和256字节的片上RAM。一系列集成功能，包括可编程比较器，电压调节器和片上温度传感器，可降低成本和设计复杂性，同时加快产品上市时间。两个芯片的I/O端口数量不同，C8051F52xA提供多达16个I/O端口，C8051F53xA提供26个。

图1： 8位C8051F5xxA系列微控制器具有集成的可编程比较器，稳压器和片内温度传感器，可简化设计。 （由Silicon Labs Inc.提供）

在当今高度网络化的车辆中，系统级通信至关重要。 C8051F5xxA系列拥有专用的LIN 2.0控制器，可处理电源窗等功能的低优先级单向数据传输。同时，控制器可以通过车辆的CAN网络与其他子系统连接。

32位解决方案

传动控制等动力总成应用需要更高的处理速度和更强大的功能。在这里，像Atmel公司的AT32UC3C系列这样的32位MCU可以提供有效的解决方案。 AT32UC3C基于AVR32UC RISC处理器，由一个完整的片上系统微控制器组成，提供1.49 DMIPS/MHz，速度高达66 MHz。它具有高达512 kB的片上闪存和高达64 kB的片上SRAM。数据接口旨在最大限度地提高速度并最大限度地减少延迟（图2）。

图2：AVR32UC CPU包括三个高速存储器接口：一个高速总线主控器，每个用于取指令和数据访问，另外还有一个高速总线从器件，允许总线主控器访问CPU内部的RAM。片上RAM可最大限度地减少延迟。 （由Atmel公司提供）

该器件具有多种外设，包括16通道，12位模数转换器和4通道12位数模转换器。虽然外围设备构成了MCU的关键优势，但管理它们可占据相当大比例的CPU，更不用说引入抖动和延迟。为了解决这些问题，AT32UC3C将外围设备与内部通信结构连接起来。该方法允许芯片将事件从一个外设重定向到另一个外设或从输入引脚重定向到外设。因此，它可以触发基于脉冲宽度调制（PWM）波形的ADC捕获等操作，无需CPU干预，从而降低了计算开销并最大限度地减少了延迟。类似地，存储器直接存储器存取控制器（MDMA）和外围直接存储器存取控制器（PDCA）控制器可以分别在存储器位置之间或存储器位置和外围设备之间传递数据，而无需处理器的帮助。该方法释放CPU以运行应用程序或切换到空闲模式，从而节省电力。

汽车安全的高性能

汽车应用必须达到最高的可靠性标准。为了保护车辆和操作员，AT32UC3C监控其主时钟。如果它检测到故障，它会切换到本地115 kHz RC振荡器，该振荡器既可以作为常规操作的备份，也可以支持关机过程。看门狗定时器提供额外的安全级别，允许系统在启动期间监控性能以确保正常运行。这些定时器通常通过软件运行，这会增加在应用程序代码损坏的情况下它们可能无法提供故障安全中断的威胁。为了防止这种类型的故障，例如检测系统是否陷入循环，AT32UC3C包含一个窗口看门狗定时器 - 如果在用户定义的窗口内没有发生操作，它会触发中断。

驱动程序辅助功能需要多核MCU最佳支持的高速运行（参见之前的TechZone SM 文章“多核MCU提供新功能嵌入式选项。“）。多核MCU可用于同构（多个相同内核）或异构（多个不同内核）架构，允许用户划分和征服处理任务。这些器件具有更高的计算密度和灵活性。每个核心可以执行不同的操作，同时共享内存并与其他核心交换数据。核心甚至可以在不同的操作系统上运行。也许最重要的是，多核MCU支持多线程进行并行处理;让设计师自由地管理他们认为合适的任务。

与多核计算平台一样，多核MCU可以通过虚拟机管理程序进行虚拟化，以实现内存和处理能力的动态分配。与使用管理程序在给定核心上提供多个服务器的计算环境不同，嵌入式系统可以虚拟化单个硬件，例如，允许多个系统组件通过它进行通信。如果使用得当，多核MCU可以整合多个单一控制器的操作，从而降低成本和尺寸，同时最大限度地提高功率和效率。

德州仪器（TI）的TMS570为用户提供了一个均匀平台选择，其中双ARM Cortex R4内核以锁步方式运行，或者是集成了Cortex R4和Cortex ARM M3内核的异构平台（图3a）。符合IEC 61508安全完整性等级3（SIL3） - 危险失效概率小于10 - 3 每小时 - 异步设备的设计是为了安全 - 关键的汽车应用，如驾驶辅助。内核以160 MHz的最高速度运行，提供超过250 DMIPS的性能。高可靠性功能包括CPU逻辑和存储器的内置自检（BIST），循环冗余校验模块和错误信号模块（图3b）。

图3a：采用锁步内核，内置自检和循环冗余校验模块，TMS570符合IEC 61508至安全完整性等级3.（由德州仪器公司提供）

图3b：为了消除潜在的常见故障模式，该设计在其中一个处理器中引入了延迟，然后比较输出信号。 （由Texas Instruments提供）

这些单元提供高达2 MB的片上闪存和高达160 KB的RAM。外设包括32个nHET定时器通道和一对12位A/D转换器，最多支持24个输入。 MCU还包括双通道FlexRay接口和最多三个CAN接口。

虽然我们还没有意识到专家们在20世纪90年代中期预测到的完全自动化的驾驶体验，但即使是低成本的车辆也具有令人印象深刻的智能和功能。明天的车辆肯定会更先进，汽车工程师不会很快摆脱相互冲突的设计需求。然而，凭借单核和多核MCU提供的功能，它们可以很好地应对挑战。