使用微控制器降低动力总成应用中的油耗与提高安全性

车辆中微控制器的数量正在稳步增加，其中一个关键领域是降低油耗。因此，一些制造商正在设计和制造针对动力总成应用的微控制器。这个市场的趋势是在车辆周围分配情报。这些微控制器能够解决动力传动系统的不同方面以及分布式架构的网络挑战。用作发动机控制单元（ECU）的微控制器正变得越来越普遍。确认这些将完成所需的工作并具有最高质量，这对于促进进一步实施至关重要。需要使用诊断工具来分析可追溯性信息，因此这种类型的第一级诊断应该在设计周期中尽早进行。

动力总成市场正在寻找创新以减少车辆的碳足迹，受欢迎方法包括减小发动机的尺寸，减少喷射损失和提高效率。汽车制造商希望优化齿轮比和换档，减少摩擦和液压损失，并继续推动混合动力和全电动汽车。在所有这些领域中，汽车中的电子设备发挥着越来越重要的作用。

实例和应用

将这些想法付诸实践的是许多设备，从STMicroelectronics SPC563M64L5COAR开始，它是SPC56x系列微控制器的一部分适用于ECU诊断应用。英飞凌SAA-XC866-4FRA 5V BE还可用于各种动力总成应用（当用作控制燃油泵的电路的一部分时，其能够降低燃料消耗的一个例子将在后面讨论）。 Atmel的AVR低功耗32位微控制器，如AT32UC3C0512C-ALUR，可为汽车应用提供更高的功效。这些不仅限于在动力总成中使用，因为它们还可以用于诸如汽车音响和门控制模块的应用。然而，随着汽车变得越来越多地连接，车辆中的所有装置必须一起工作。因此，重要的是它们可以与车辆网络连接。飞思卡尔半导体在其MPC5xx系列微控制器中提供MPC5566MVR132，可与该公司的MFR4310 FlexRay控制器配合使用。

ECU诊断

有许多不同的工具可用于STMicroelectronics SPC56x系列微控制器，用于ECU诊断，特别是SPC563Mx和SPC564Ax动力总成设备。了解Flash何时受到保护以及如何读取存储在SPC56x Flash中的可追溯性信息将允许汽车制造商为其ECU定义和实施正确的策略。由于IP保护和引擎调整很重要，因此需要识别不需要访问Flash密码的配置。

当怀疑ECU行为不正确时，需要运行ECU级诊断。现场的ECU级诊断有两个主要目标。第一种是收集ECU配置的可追溯性信息，第二种是运行ECU级别的自检。 ECU级诊断的另一个难点是访问PCB，因为它通常隐藏在ECU外壳内。因此，有多种方法可用于ECU级诊断，无需外壳即可进行外壳和PCB级诊断。

ECU级可追溯性涉及硬件和软件配置信息。在硬件方面，存在ECU的关键部件的修订号和可追溯性信息。软件信息包括每个顶级软件组件的修订号。除此之外，有时也会收集硬件或软件组件的日期代码。

图1：SPC563M64的顶级框图。

每个SPC56x都存储了可跟踪性信息内存位置的Flash内部，可由应用程序访问，以便用户软件可以读取它们并通过选定的诊断通信接口发送它们，无论是UART，LIN，CAN还是FlexRay。要发送可追溯性信息，用户可以使用由应用程序软件输入的用户定义的诊断模式或使用串行引导模式。这主要是由汽车制造商的密码策略驱动的。

当Flash受到保护时，应用软件总能读取可追溯性信息。然后，应用软件可以具有特定的诊断模式，使其能够通过预定义的通信接口（例如CAN，LIN，K-Line和FlexRay）发送该信息。此操作不需要工程师知道Flash密码即可在现场执行这些操作。但是，使用串行引导模式，工程师需要密码。使用密码的外部工具可以读取设备内的可跟踪性信息。也就是说，可以仅使用串行链接使用串行引导模式，在这种情况下不需要密码。为此，工程师需要首先在RAM中保留位置，最好使用最高地址。然后，应用软件可用于在上电过程中系统地将Flash中的位置副本复制到RAM中的选定位置。 ECU应首先在应用模式下启动，然后在没有电源关闭的情况下应用复位，以确保MCU处于串行启动模式。然后，可以使用上载到RAM中的软件使用所选的串行链接导出可跟踪性信息ECU级自检可以从应用软件或微控制器RAM运行。即使启用了高保护级别，SPC563Mx和SPC564Ax也允许在RAM中上载软件，无需向用户分发任何私人密码即可运行。这允许它们执行特定于MCU的，ASSP和功率级自检。当SPC563Mx或SPC564Ax进入串行自举模式且串行引导控制字与0x55AA不同时，器件的Flash被禁用， JTAG端口已启用。要读取可追溯性信息，工程师必须首先在RAM中保留位置。和以前一样，应用软件可用于在上电过程中系统地将Flash中的位置副本复制到RAM中的选定位置。首先应在应用模式下启动ECU，然后在没有电源关闭的情况下应用复位。然后，该工具可与JTAG一起使用，以连接到设备，从RAM中加载和执行软件。

ECU的PCB应准备好进行JTAG连接。在大多数情况下，JTAG测试焊盘可以靠近MCU放置以进行PCB测试。一个很好的选择是提供SMD JTAG连接器，因为它可以用于ECU测试和PCB级诊断。

一起工作

车辆中不同设备的一个重要方面是这些可以和车辆网络一起工作。飞思卡尔半导体在其16位和32位MPC5xx系列微控制器中采用了MPC5566MVR132-ND和其他产品，这些产品将与该公司的MFR4310 FlexRay控制器配合使用。两者之间的硬件接口很简单，但也需要软件。通过应用这些技术，用户可以快速设计全功能FlexRay节点。

MPC5xx通过外部总线接口（EBI）与MFR4310连接。在MPC5xx上，EBI提供单独的地址，数据和控制信号。必须使用MFR4310 MPC模式将MFR4310连接到MPC5xx。

图2：将MFR4310连接到MPC5xx MCU。

操作控制器主机接口（CHI）所需的接口模式是MPC接口。 MPC模式有一个CHI和主机接口时钟 - CHICLK_CC。这是可选的外部CHI时钟输入。选择时CHICLK_CC的最小外部时钟频率为20 MHz，最大值为76 MHz。

在MFR4310上，D0是数据总线的最低有效位（LSB），A1是地址总线的LSB，但在MPC5xx上，ADDR0是地址的最高位。因此，数据和地址引脚必须以与MFR4310相反的顺序连接，即MFR4310上的D0连接到MPC5xx上的DATA15，MFR4310上的A1连接到MPC5xx上的ADDR30。 MFR4310具有16位数据总线，但可通过BSEL0＃和BSEL1＃信号进行8位数据访问。 MFR4310必须配置为3.3 VI/O（通过3.3 V为VDDR供电）以允许与MPC5xx正确连接，其EBI引脚也必须由3.3 V供电。

软件设置主要涉及初始化MPC5xx允许与MFR4310控制器主机接口成功通信。当两个器件都已初始化时，MPC5xx可以读取和写入MFR4310寄存器。

必须初始化MPC5xx存储器控制器，EBI才能使用正确的片选和正确的等待状态数，这取决于内部总线频率。在此序列之后，FlexRay块被配置为FlexRay节点，并准备好集成到FlexRay集群中。初始化序列的第二步是在MPC5xx上配置芯片选择。存储器控制器控制MPC5xx的芯片选择生成。 MPC5xx上有四个芯片选择，其中任何一个都可以选择作为MFR4310的芯片选择。 CS0＃是全局芯片选择，主要用于从外部闪存引导。如果它用于此主要目的，则不能用于MFR4310通信，并且必须使用不同的芯片选择。选项寄存器OR ［0：3］和基址寄存器BR ［0：3］用于配置芯片选择。

MPC5xx和MFR4310之间的成功读/写访问需要许多等待状态。该数字应在存储器控制器选项寄存器中设置SCY位。 BSEL0＃和BSEL1＃必须分别通过MPC接口连接到WE/BE0＃和WE/BE1＃。这将允许8位和16位访问。

这意味着MFR4310 FlexRay控制器可以成功连接到MPC5xx系列MCU，并在MPC5xx选项寄存器中设置正确的等待状态数，以进行相应的芯片选择。 MPC5xx通过外部总线直接连接到MFR4310控制器，无需胶水逻辑。软件配置也很简单，外设只是内存映射到全局地址空间。观察到的结果验证了主机微控制器与独立FlexRay通信控制器之间成功通信所需的最佳时序参数。

其他微控制器

许多其他微控制器可用于此类汽车应用。例如，Atmel的AVR低功耗32位微控制器，如AT32UC3C0512C-ALUR，由于其更高的处理能力和精度，可以为汽车应用提供更高的功效。这些允许实现诸如高级控制算法，语音控制和电容式触摸感测之类的功能。 UC3C 32位微控制器还包括外设事件系统，精密时钟和高性能外设。集成功能包括安全闪存，基于硬件的安全机制，直接与模拟传感器连接的能力以及可配置的软件框架。

图3：汽车音响应用中的UC3C 32位微控制器（顶部）和门控模块（底部）。许多汽车设计都具有零散的功能架构;有一个单独的USB芯片，一个用于CAN，另一个用于图形，一个用于支持的每个音频解码器，等等。诸如UC3C之类的微控制器具有外设集成和扩展处理能力，允许将整个系统架构整合到单个芯片上，用于汽车音频应用。当用于门控模块时，它可以包括镜子定位，车窗升降器操作，具有指示器调光功能的LED背光，以及用于控制车窗升降器和镜子定位的不同类型的传感器和开关的接口。 。可以通过LIN或CAN接口实现与车辆网络的互连。

集成浮点单元（FPU）简化了应用程序开发。特别是复杂算法的实现需要更少的努力，并且更宽的动态范围保持高精度。使用32位浮点指令实现复杂算法不仅可以提高系统精度和效率，还可以加速开发。许多应用都可以从FPU的使用中受益，包括这些门控和音频应用。

燃油泵

英飞凌拥有一系列8位，16位和32位汽车认证微控制器，其中包括8位SAA-XC866-4FRA 5V BE。它使用XC800内核，与标准8051处理器兼容。它使用每机器两个时钟周期的架构来进行具有等待状态的存储器访问。片上存储器包括8 KB的引导ROM，256字节的RAM，512字节的XRAM，4，8或16 kbyte的闪存或8或16 kbyte的ROM以及额外的4 kbyte闪存。温度（高达+140˚C）这些设备的运行使它们非常适用于汽车应用，如发动机关闭冷却风扇，油门控制，涡轮增压器，水泵，油泵和照明。

图4：燃油泵应用中的英飞凌XC8xx 8位微控制器图4显示了燃油泵应用中的这种微控制器。该电路还使用BTN89xx，Novalithic高电流PN半桥系列的一部分，以及TLEA46xx低压差固定电压稳压器。通过使用XC8xx系列中的不同产品，可以根据性能和预算需求定制该电路。该回路的益处包括燃料节省超过1％，例如，从160g到158.4g CO 2 /km。碳氢化合物排放也减少，寿命增加。该公司还报告燃油效率提高了约0.34英里/加仑。

结论

汽车应用中的微控制器市场正在快速增长。每一代车辆更多地依赖于电子设备和随附的软件。例如，最初的阿波罗制导计算机只有2000行代码，相比之下普通汽车的代码为1000万行，预计在未来十年内将增加另一个数量级。除了降低油耗外，这些微控制器还使汽车更加舒适，提高了安全性，并为驾驶员和乘客提供娱乐和信息。上述应用只是微控制器在现代车辆中提供本地智能和控制的一小部分。