MCU在汽车中的应用.docx

飞思卡尔针对入门级汽车应用推出8位MCU 飞思卡尔(Freescale)半导体为嵌入式开发人员提供经济高效的8位微控制器（MCU），帮助他们提高汽车设计能力。随着汽车应用越来越小、越来越先进、对成本越来越敏感，设计人员需要更多经济的、功能丰富的MCU选件。为了满足这一需求，飞思卡尔已经推出了S08QD MCU系列。这是公司的首款8位小型集成电路（SOIC）器件，能够降低入门级汽车应用的板卡空间、系统成本和功耗。 S08QD系列的卓越灵活性和功能有助于开发人员设计出更为广泛的汽车应用。S08QD在紧凑的8针脚封装中实现了高度的集成和5V电压支持，使它非常适合那些需要更高电压的成本敏感型应用。车内应用包括HVAC减震器、后视镜防眩系统、制动器、传感器/仪表、看门狗、按钮控制和其他一些入门级、通用的汽车应用。 S08QD MCU系列集成了一个4信道、10位模数控制器（ADC），旨在实现更高的分辨率、更快的转换速度和自动比较功能。通过将模拟信号转换为数字值，ADC使MCU能够轻松地从器件（如传感器）中与模拟输入连接。自动比较功能允许MCU计算数值并执行与预先设定的阈值的比较。 此外，S08QD还包括内部时钟脉冲源（ICS）模块，该模块内置一个由内部和外部参考控制的锁频环（FLL）。内部参考时钟消除了所有外部时钟组件成本，这有助于减小板卡空间、提高系统可靠性。 飞思卡尔汽车微控制器运营总监Ray Cornyn表示：“通过提供一系列高性价比选件，我们希望继续扩大飞思卡尔的汽车MCU产品系列。在当今激烈竞争的市场中，S08QD系列在4 KB闪存水平上提供了更多功能，同时以更具吸引人的价格为入门级汽车应用的设计提供了更大的灵活性。” S08QD系列在飞思卡尔的8位MCU产品系列中提供了强大的支持环境和兼容针脚的移植路径。S08QD与SG和EL MCU系列是针脚兼容的。共用的外围设备和一套通用的开发工具使工程师能够轻松、快速地利用他们的设计投资。 S08QD系列的特性* 16 MHz HCS0中央处理器* 带有增加的后台（BGND）指令的HC08指令集* 高达4 KB的闪存* 高达256B的RAM* 闪存读取/编程/擦除功能，支持所有运行电压或温度* 4信道，10位ADC* 双16位片上计时器* 内部时钟振荡器* 单线后台调试接口* 8针脚窄体SOIC封装 加快系统开发 为了帮助客户加快和简化开发，飞思卡尔向客户免费赠送CodeWarrior Development Studio专用版，该专用版专门针对S08核心MCU（如S08QD系列）进行了优化。CodeWarrior Development Studio包含在DEMO9S08QD4演示板中，客户也可以在线免费下载。该软件的作用已远非基本代码生成和调试那么简单了，现在可以帮助设计人员从打开产品包装的那一刻起就简化应用设计。它具有直观、先进的项目管理器和构建系统、高度优化的编译器、图形式源码级调试器、集成的配置功能、全芯片模拟器以及更多其他组件。 定价和供货信息 S08QD系列器件现在已经投入批量生产，一万件批量的建议零售价为74美分。 S08QD系列的开发工具包包括DEMO9S08QD4演示板，建议零售价为59美元。该工具包还包括免费赠送的CodeWarrior Development Studio for Microcontrollers v6.0专用版，专用版能够支持具有全面开发功能的QD4与QD2系列。CodeWarrior v6.0标准版的零售价为2394美元，专业版的零售价为4794美元。 瑞萨MCU在汽车仪表及CAN/LIN应用中的解决方案汽车仪表解决方案仪表MCU的特点分以下几个方面：1. 内嵌步进电机PWM控制器：可直接控制和驱动4-6个步进电机，无需外驱动器IC，因此可以节省成本和布局空间，具有优良的EMI/EMC性能；2. 内嵌LCD控制器：28/32段4公共引脚，可以直接控制LCD，同样无需外置驱动器IC，因此可以节省成本和布局空间，具有优良的EMI/EMC性能；3. 高速CPU：单指令周期，20 MHz的H8S最小指令执行时间为50ns，而40 MHz的H8SX最小指令执行时间是25ns；4. 强大的定时器：片上16位定时器脉冲单元有三个16位定时器通道，包括输入捕捉、输出比较、PWM和相位计算。 H8S/228X特殊模块的基本功能，包括三个部分：定时器脉冲单元（TPU）；步进电机PWM控制器和LCD控制器。 TPU是由3个16位定时器通道组成，包括最多8个脉冲输入/输出，可以为每个通道设置：比较匹配的波形输出；输入捕捉功能；计数器清零操作；同步运行；定时器计数器能够同时写入；可以比较匹配与输入捕捉同时清零；利用同步计数器操作实现寄存器同时输入/输出；与同步运行结合的最大7相位PWM输出。 步进电机PWM功能包括：最大16个脉冲输出，其中两个10位PWM通道，每个通道有8个输出，可以直接独立控制4个步进电机；0%至100%占空比；5个操作时钟；可以通过16位总线接口进行高速访问；两个中断源；可以设置模块停止模式。 对于LCD控制器/驱动器，其重要功能有：28/32段4公共引脚；段输出引脚可用作11个帧频的4组端口选择；A或B波形可以用软件进行选择；内置电源分离电阻；除了待机模式和模块停止模式外，还有操作模式显示。仪表盘应用解决方案1.微步进电机解决方案 微步进电机成本低，结构简单，但具有高可靠性，且无需维护、无需反馈元件。但是经常在低速率时出现共振效应，而且随着速度增加转矩会降低。图1显示了VID步进电机的内部结构，其中左边是转子，中间是齿轮，右边是电机输出。2. 电机驱动模式 电机驱动模式有分步驱动模式和微步驱动模式。图2所示的是分步驱动的时序图，可以看到一个周期由六步组成，脉冲序列从左向右时，指针顺时针方向转动；反之，如果脉冲序列从右向左时指针逆时针方向转动。图3所示的是微步驱动模式时序图，其中蓝色线代表左线圈的电流，红色线代表右线圈的电流。一个周期共有24个微步组成，线圈上的电流波形近似于正弦波型。瑞萨仪表盘解决方案 图4所示的是瑞萨H8S/228X仪表盘解决方案框图，其中左边的是电压输入，包括燃料、温度等等；还有脉冲输入，包括转速表和速度，框图中给出了各个功能模块。图的右边是4步进电机、PWM调光器、CAN和LCD。图5所示为H8SX/1544仪表盘解决方案的框图。框图的左边是电压输入，包括燃料、温度等；还有脉冲输入，包括转速表和速度、E2PROM和PC。框图给出了各个功能模块；图的右边是4步进电机、扬声器、2步进电机、PWM调光器、CAN1、CAN2和LCD。H8S/228X的开发工具软件包括编译器、汇编程序和连接程序，还有调试器和模拟器；硬件包括仿真器、JTAG仿真器、评估板和CPU板。 HEW是瑞萨自主开发、支持自己MCU的开发环境，功能包括：代码和调试支持，全面的仿真能力，自动产生启动代码，带有彩色键盘功能的集成编辑器，根据功能可以利用图形显示执行周期数，全面的断点功能，可视调试功能，包括图形和波形显示，并且可集成的第三方工具。 E6000仿真器具有零等待状态实时仿真功能，它具有256个PC断点，总时间或相关执行时间的分辨率可以达到20ns至16us；此外还有多种目标时钟可以选择。瑞萨CAN/LIN车身解决方案 车身模块共包括八个部分：中央车身控制器/网关（BCM；CEM）、包括车门模块、柱式集成模块（CIM；MRSM）、加热、通风和空调（HVAC）、座椅模块（SCS）、前灯、雨刷以及无钥门禁。M16C系列车身平台有三个系列：32位的M32C架构模块、16位的M16C架构模块，还有8位的R8C架构模块。这些系列引脚兼容，软硬件兼容，外设兼容。瑞萨的车身低端MCU产品包括16位MCU，20至32MHz，20引脚 到100引脚。针对中国市场推广R8C/20/21/22/23; R8C/28/29;M16C/28/29。高/中端车身高MCU产品包括16/32位MCU， 1到4 个CAN。R8C/Tiny系列的产品命名为M16C系列代表（M16C平台）；CPU是R8C；产品命名：R8C/Tiny，其中R代表瑞萨，8代表内部外设总线宽度（CPU：16位），C代表小型（沿用M16C系列命名），/代表沿用M16C系列命名，Tiny代表最少引脚的单片机和片上小型闪存。 用于R&C/22组、R&C/23组MCU的CAN（控制局域网络）模块是一个执行CAN 2.0B协议的通信控制器。R&C/22组、R&C/23组包含一个完整CAN模块，可以发送和接收标准（11位）ID和扩展（29位）ID格式的信息。 硬件LIN的主节点模式具有：产生同步中断、检测总线冲突的功能；从节点模式具有检测同步中断、测量同步场、控制输入到UART0的同步中断和同步场信号、检测总线冲突的功能。 图7所示的是CAN/LIN解决方案，共有3个CAN节点。瑞萨为中国汽车电子应用市场提供最佳MCU和解决方案瑞萨的汽车用MCU 瑞萨的汽车用MCU已有25年以上的历史，在世界汽车用MCU中占有20%以上的市场份额。瑞萨的汽车用MCU被Bosch、Continental、Delphi、TRW、Aisin和Denso等世界主要的汽车电子制造商所采用。这些汽车电子制造商的产品又被世界上的众多汽车制造商所采用。对汽车来说，质量和性能最为重要，汽车制造商、汽车电子制造商对瑞萨的汽车用MCU所具备的高质量、高性能给予了很高的评价。由于取得了这些实际成绩，瑞萨又从当时尚未使用瑞萨产品的汽车电子制造商那里获得了许多贸易合同，这些汽车电子制造商正在使用瑞萨的汽车用MCU进行汽车电子产品的开发。下面将介绍应用于32位MCU的新产品的解决方案。 多核技术 最终决定汽车“智能”的是MCU和MPU的基本性能。PC和服务器的MPU的消耗功率随着CPU的高速化而增加并达到极限，虽然向多核化发展的向量变了，但这对于汽车用的高端MCU和MPU还是一样的。汽车用MCU的使用环境很严苛，需要在高温下工作。例如，发动机ECU当初置于车厢内，而现在被安装到发动机舱中，要在温度为125 的环境下工作。所以，必须把它的发热量控制到比PC等小得多。频率自然是有上限的，在压低频率的同时又使性能提高的方法就是多核技术。瑞萨对控制器和处理器分别采用SH-2A和SH-4A两个多核化方法来开发新产品。 图1 Multi-Core在汽车电子中的应用形式 另一个与PC的不同之处是在汽车用MCU和MPU中，PC那样的对称多处理SMP（Symmetric Multi-Processing)还不能满足全部的必要条件。图1是多核技术在汽车电子中的一般应用形式。发动机和变速箱控制、刹车和转向控制、车辆协调、多媒体等各自所需的多核形式和处理方式与图1所示的有所不同。例如，发动机和变速箱控制采取双核方式时，要作为两个互不干预的实时控制系统进行工作，就应当采用不对称多处理AMP(Asymmetric Multi-Processing)。任务的分配采取程序指定方式。另外，趋向于by-wire方式的刹车和转向控制要使二个内核完全相同地工作，以保证系统的冗余性。这就必需采取能够对二个内核的工作状况进行比较监视的结构形式。为此，瑞萨在刹车和转向控制用MCU的SH-2A内增添了Lock-Step Dual功能。这种功能如图2所示，它在经常对2个CPU的工作状况进行比较的同时，还双工地对DMA控制器和外围用总线桥的工作状况进行比较监视。 图2 SH-2A Lock-Step Dual功能发动机和变速箱控制 汽车的尾气排放是造成空气污染和地球变暖等的原因之一。因此，汽车产业一直在为尽量减少并净化所排放的尾气而努力。减少尾气排放的最主要方法是使燃料高效地转化为旋转动力，传送给车轮。用更少的燃料得到更大的旋转动力，就可以节省燃料费用。为了实现这一目标，必须要有精度高的动力系。动力系由发动机、离合器、变速箱、差动齿轮和驱动轴等构成，发动机和变速箱用ECU进行电子式的控制。为了进行复杂的控制需要高速执行大规模的控制算法，ECU必需能够高速工作，并且内置大容量快速擦写存储器的微型计算机。而且，近来要求ECU在用于发动机控制时，要安装到高温的发动机舱内；而在用于变速箱控制时，要安装到高温的润滑油中。都必须能够在125条件下稳定工作。 瑞萨以前供应的内置有SH-2E的SH705x系列已被许多汽车制造商使用。 现在则供应内置有SH-2A(是比SH-2E更高档次的内核)的SH725xx系列，正被许多汽车电子制造商用于新产品开发，预计今年到明年就会开始应用于实际运行的汽车上。现在档次最高的是SH72544R型产品，它的工作频率为200 MH，内置有2.5 MB的Flash存储器、具备128 KB数据保存用EEPROM功能的Flash存储器、128 KB SRAM、用于实现发动机控制的高性能定时器ATU-III、3通道CAN，可应用于未来的发动机和变速箱的电子控制。Flash MCU首次采用90 nm工艺，提高了工作频率，并且扩大了内置Flash存储器的容量。 今后，动力系电子控制的复杂性将提高得越来越快。为了适应这一趋势，可以采用安装有2个SH-2A的多核SH-2A-Dual 来实现高性能化。 图形仪表板 汽车的仪表板上安装有各种仪表和显示器，还有对驾驶员起警示作用的警示灯和报警蜂鸣器。以前是使用机械式的速度计、燃料存量表和里程表，而现在的仪表板大都是用步进马达和LCD构成。最近，更有中、高档车装上了在大型LCD上显示汽车诊断信息、安全信息等内容的仪表板。 现在人们关注的是能够显示更多信息的图形仪表板。图形仪表板可以分为两类，一类是在原有采用步进马达驱动的仪表上增加TFT-LCD图形显示的仪表板，另一类是不使用仪表那样的可动零部件，而所有内容都用大型TFT-LCD图形仪表板显示。 同时使用仪表和TFT-LCD的图形仪表板应选择价格不太高的中型QVGA或WQVGA尺寸的TFT-LCD。TFT-LCD上显示驾驶员容易看清的汽车诊断信息、安全信息的同时，又可以利用软件切换显示汽车倒退时拍摄到的后方图像，还可以用箭头表示目的地的方向，提供简易型导航功能，所以它可以提高驾驶员的辨别能力，明显改善安全性。在欧洲，各汽车制造商已经做了计划，不仅仅限于高档车，中档车也要使用这种仪表板。制造这种仪表板必需采用高速处理技术，要使用速度为100 MHz以上的32位微型机。瑞萨为该应用提供了32位微型机SH7262和SH7264，现在正在供应样品，并且将于今年5月开始生产。由于内置有144 MH 32位SH-2A CPU、图形与视频显示用的视频显示控制器和视频输入端口、能够双面保持WVGA（480240像素）TFT-LCD用帧缓冲器的1 MB SRAM等，因此可以大大减少外接元器件。SH7262虽然没有内置控制步进电机的PWM定时器，但与驱动步进电机的廉价仪表板用MCU组合，就可以构成多种功能各异的仪表板。SH7264内置有4个控制步进电机的PWM定时器，所以用一个就能构成完整的仪表板。 使用SH7264的图形仪表板的一个构想如图3所示，可以看到它的外接元器件很少。还有使用SH7264的仪表板演示系统，为了便于用户进行开发，提供仪表板演示软件、图像资料库，将位映像数据变换为RGB输出的转换器等的软件。 图3 使用SH7264的图形仪表板的一个构想完整的图形仪表板的TFT-LCD和控制电路价格高昂，估计还要过一些时候才会有更多的汽车安装使用它。网间连接器 现在的汽车有车身控制、安全（气囊）、动力系、多媒体子系统及多个用于故障诊断的网络在工作，目前这些子系统主要使用CAN连接。而且，今后随着通信量的不断增加，要采取既能提高CAN的波特率又可以增加通道数的办法。 因此，向更高速的10 Mb/s FlexRay演进是汽车网络未来的主要发展方向。但是，汽车