汽車領域嵌入式微控制器 (MCU) 的解決方案

　　當今競爭激烈的汽車市場要求車輛能夠提供卓越的駕駛特性、低油耗以及最新的舒適功能和便利性，例如帶記憶功能的座椅系統、無鑰匙進入、集成導航以及駕駛員輔助。幸運的是，制造商可以通過嵌入式微控制器（MCU）提供的智能來滿足這些需求，這使他們能夠在中端甚至經濟模型中提供高級功能。

　　汽車環境帶來了許多挑戰。設備必須滿足嚴格的安全性和可靠性標準。它們必須在很寬的溫度范圍內（通常為 –40°C 至 125°C）保持穩健，提供靜電放電（ESD）保護和低電磁干擾（EMI）。現代線控車輛要求設備與各種協議兼容，包括控制器局域網（CAN）總線和本地互連網絡（LIN）標準。

　　汽車領域 MCU 的兩個關鍵活動領域包括車身電子和網關模塊。車身電子設備包括 HVAC、照明（內部和外部）、座椅定位、后視鏡調節和安全/安全功能，例如無鑰匙進入、防盜鎖和輪胎壓力監測系統。其中許多任務，例如保持客艙內的設定溫度，都在幾分鐘而不是微秒的時間尺度上運行。因此，Silicon Labs Inc. 的 C8051F52xA 和 C8051F53xA 等 8 位 MCU可以提供有效且經濟的解決方案，尤其是對于廉價汽車而言。

　　C8051F5xxA 系列符合汽車電子委員會標準 AEC-Q100 的汽車應用要求，配備 25 MIPS 8051 CPU，以及可編程 24.5 MHz 內部振蕩器，在 -40°C 的工作溫度范圍內穩定在 ±0.5% 以內至+ 125°C。（圖1）。這些器件包括 8 kB 片上閃存和 256 字節片上 RAM。一系列集成功能，包括可編程比較器、穩壓器和片上溫度傳感器，可降低成本和設計復雜性，同時加快產品上市時間。這兩款芯片的 I/O 端口數量不同，C8051F52xA 提供多達 16 個 I/O 端口，而 C8051F53xA 提供 26 個。

　　圖 1：8 位 C8051F5xxA 系列微控制器具有集成的可編程比較器、穩壓器和片上溫度傳感器，可簡化設計。（由 Silicon Labs Inc. 提供）

　　在當今高度網絡化的車輛中，系統級通信至關重要。C8051F5xxA 系列擁有專用的 LIN 2.0 控制器，可處理電動車窗等功能的低優先級單向數據傳輸。同時，控制器可以通過車輛的 CAN 網絡與其他子系統連接。

　　32 位解決方案

　　傳動控制等動力總成應用需要更高的處理速度和更強大的功能。在這里，像AT32UC3C這樣的 32 位 MCUAtmel Corp. 的家族可以提供有效的解決方案。AT32UC3C 基于 AVR32UC RISC 處理器，由一個完整的片上系統微控制器組成，在高達 66 MHz 的速度下提供 1.49 DMIPS/MHz。它具有高達 512 kB 的片上閃存和高達 64 kB 的片上 SRAM。數據接口旨在最大限度地提高速度并最大限度地減少延遲（圖 2）。

　　圖 2：AVR32UC CPU 包括三個高速存儲器接口：一個高速總線主控器，每個用于指令獲取和數據訪問，加上一個高速總線從屬器，允許總線主控器訪問 CPU 內部的 RAM。片上 RAM 可以最大限度地減少延遲。（由愛特梅爾公司提供）

　　該器件具有多種外設，包括一個 16 通道、12 位模數轉換器和一個四通道、12 位數模轉換器。盡管外設構成了 MCU 的主要優勢，但管理它們會占用很大比例的 CPU，更不用說引入抖動和延遲。為了解決這些問題，AT32UC3C 將外圍設備與內部通信結構連接起來。該方法允許芯片將事件從一個外設重定向到另一個外設或從輸入引腳重定向到外設。因此，它可以觸發諸如基于脈寬調制（PWM）波形的 ADC 捕獲等動作，而無需 CPU 干預，從而減少計算開銷并最大限度地減少延遲。

　　類似地，存儲器直接存儲器訪問控制器（MDMA）和外圍直接存儲器訪問控制器（PDCA）控制器可以分別在存儲器位置之間或存儲器位置與外圍設備之間傳遞數據，而無需處理器的幫助。該方法釋放 CPU 以運行應用程序或切換到空閑模式，從而節省電力。

　　高性能汽車安全

　　汽車應用必須達到最高的可靠性標準。為了保護車輛和操作員，AT32UC3C 監控其主時鐘。如果檢測到故障，它會切換到本地 115 kHz RC 振蕩器，該振蕩器既可以作為常規操作的備份，也可以支持關閉過程。看門狗定時器提供了額外的安全級別，允許系統在啟動期間監控性能以確保正常運行。此類計時器通常通過軟件運行，這帶來了在應用程序代碼損壞的情況下它們可能無法提供故障安全中斷的威脅。為了防止這種類型的故障，例如檢測系統是否陷入循環，AT32UC3C 集成了一個窗口看門狗定時器——如果操作不在用戶定義的窗口內發生，

　　駕駛員輔助功能需要多核 MCU 可能最好支持的高速操作（請參閱之前的 TechZone SM文章“多核 MCU 提供新的嵌入式選項。”）。多核 MCU 可用于同構（多個相同的內核）或異構（多個不同的內核）架構，允許用戶分而治之的處理任務。這些設備提供更高的計算密度和靈活性。每個內核可以執行不同的操作，同時共享內存并與其他內核交換數據。內核甚至可以在不同的操作系統上運行。也許最重要的是，多核 MCU 支持多線程進行并行處理；讓設計師可以自由地管理他們認為合適的任務。

　　與多核計算平臺一樣，多核 MCU 可以使用管理程序進行虛擬化，以允許動態分配內存和處理能力。與使用管理程序在給定內核上提供多個服務器的計算環境不同，嵌入式系統可能會虛擬化單個硬件，例如，允許多個系統組件通過它進行通信。如果使用得當，多核 MCU 可以整合多個單控制器的操作，降低成本和尺寸，同時最大限度地提高功率和效率。德州儀器

　　的TMS570 _為用戶提供了具有同步運行的雙 ARM Cortex R4 內核的同質平臺或集成 Cortex R4 和 Cortex ARM M3 內核的異構平臺的選擇（圖 3a）。該異步設備符合 IEC 61508 安全完整性等級 3 （SIL3）（危險故障概率低于每小時10 -3 ），專為安全關鍵型汽車應用而設計，例如駕駛員輔助。內核以 160 MHz 的最高速度運行，提供優于 250 DMIPS 的性能。高可靠性功能包括 CPU 邏輯和內存的內置自檢（BIST）、循環冗余檢查器模塊和錯誤信號模塊（圖 3b）。