基于混合信號技術(shù)的汽車電子單芯片方案

隨著汽車部件電子化程度的不斷提高,汽車工程師們正積極地尋求車輛系統(tǒng)中的先進(jìn)控制和接口技術(shù)解決方案。目前,汽車系統(tǒng)中用來嵌入這些功能單元的空間和能源十分有限,汽車工程師們正借助于新穎的高壓混合信號技術(shù)將復(fù)雜的——截至目前還不兼容的元件功能集成到一塊芯片上。現(xiàn)在,應(yīng)用與42V車載電壓兼容的I3T高電壓技術(shù)已經(jīng)可以將復(fù)雜的數(shù)字電路(如傳感器)、嵌入式微處理器以及功率電路(如激勵源或開關(guān)驅(qū)動器)集成到一起。

LIN總線系統(tǒng)
??? 由于其相對較低的造價(jià),LIN總線正被廣泛應(yīng)用于汽車的分布式電氣控制系統(tǒng)中,如控制電動車窗、調(diào)節(jié)后視鏡和車前燈等部位的步進(jìn)馬達(dá)和直流電源,或管理傳感器采集到的關(guān)于氣溫或座位位置的信息等。LIN總線的傳輸字節(jié)高達(dá)20kbps?；趩沃鞴?jié)點(diǎn)、多個從節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu),通常,從節(jié)點(diǎn)安裝在收發(fā)器、微控制器、傳感器的接口或由分立元件組成的激勵驅(qū)動器的周圍。最近研制出了一種帶有LIN總線異步收發(fā)裝置(UART)的微控制器,這種微控制器可同集成有其它從節(jié)點(diǎn)模塊(如LIN總線收發(fā)器、電壓調(diào)節(jié)器、看門狗定時器、激勵驅(qū)動器和傳感器接口)的附件一起配套使用。目前,AMI半導(dǎo)體(AMIS)公司利用混合信號技術(shù)將關(guān)鍵的從節(jié)點(diǎn)模塊全部集成在了一個功能專一、功耗低、符合標(biāo)準(zhǔn)IP模塊的芯片上,將LIN總線的發(fā)展又推進(jìn)了一步。該方案的特點(diǎn)有：
集成RC振蕩器,誤差≤15%;
專用IP模塊(如DC或微型步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動器);
遵守LIN總線V1.3協(xié)議;
傳輸速率高達(dá)20kbps(特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì));
低頻收發(fā);
睡眠/旁路模式中的低電流損耗;

滿足潛在的市場需求。

圖1為一個集成有LIN總線的從節(jié)點(diǎn)中主要元件的結(jié)構(gòu)框圖。AMIS的方案提供了應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層需要的所有主要功能模塊。這些功能模塊可以用VHDL代碼編程、用AMIS開發(fā)板評估,下文將對它們作簡要的介紹。

帶有數(shù)字濾波器的采樣模塊
?? 該模塊從接收器中采集信號,并將結(jié)果數(shù)據(jù)流通過數(shù)字濾波器,以除掉由于LIN總線信號的衰減可能造成的偽傳輸。因此,該模塊提高了LIN協(xié)議在惡劣環(huán)境中應(yīng)用的性能,并最大程度上減少了同步和數(shù)據(jù)采樣中的問題。
同步機(jī)
?? 同步機(jī)模塊從同步域中提取所需的信息,以決定編碼器和解碼器的準(zhǔn)確采樣速率。該模塊具有內(nèi)部晶振,并采用了一種可將傳統(tǒng)的UART技術(shù)中偶爾發(fā)生的舍/入誤差減到最小的技術(shù)。同步機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)在于能用較低的時鐘頻率來執(zhí)行LIN協(xié)議。例如,可以使用一個250KHz的主時鐘及15%的容差來獲得精確無誤的通訊。另外,AMIS的方案實(shí)現(xiàn)了占空比較大的變化范圍。典型的UART在晶振零誤差的情況下能實(shí)現(xiàn)占空比在33~66%間的變化。然而,運(yùn)用AMIS解決方案可實(shí)現(xiàn)占空比在12~88%間的變化,并能完全適應(yīng)晶振的誤差。在對物理層參數(shù)提供了較大容差的同時,也提高了對占空比影響較大的電磁兼容性。
標(biāo)識符濾波器及其動態(tài)管理
?? 主節(jié)點(diǎn)在系統(tǒng)運(yùn)行的初始及運(yùn)行過程中依據(jù)需要發(fā)布不同的從指令標(biāo)識符。為此,從節(jié)點(diǎn)要包含一定數(shù)目的寄存器。ROM指令數(shù)陣列指的是從節(jié)點(diǎn)中執(zhí)行的不同指令,在RAM或EEPROM中含有相應(yīng)的標(biāo)識符。地址寄存器模塊識別同一LIN總線上的不同從節(jié)點(diǎn),而第二ROM陣列是為不同的應(yīng)用和執(zhí)行過程識別不同的從節(jié)點(diǎn)。標(biāo)識符濾波器依據(jù)分配的標(biāo)識符以決定指令的執(zhí)行與否,若標(biāo)識符存在于隊(duì)列中,則執(zhí)行該指令,否則不執(zhí)行。
糾錯
??? 錯誤識別模塊處于數(shù)據(jù)鏈路層,而糾錯卻是在應(yīng)用層執(zhí)行。因此,由嵌入式微控制器在軟件中定義誤差量。應(yīng)用層中的糾錯模塊包含一個狀態(tài)寄存器,每一種錯誤都有一個對應(yīng)的錯誤標(biāo)志位,并由該標(biāo)志位向微處理器的內(nèi)核產(chǎn)生一個中斷請求。錯誤標(biāo)志可通過對狀態(tài)寄存器執(zhí)行讀操作來清除。每次錯誤直接中斷通訊,從而導(dǎo)致一個位錯誤以停止發(fā)送字節(jié)。進(jìn)而這一幀信息被忽略,從節(jié)點(diǎn)等待下一個中斷域。
幀緩沖器
??? 幀緩沖器是將送給微處理器內(nèi)核的中斷減到最小的另一個途徑。它與標(biāo)識符濾波器配合使用,可將中斷的數(shù)量減到每幀一次。該緩沖器中含17個字節(jié)(一個標(biāo)識符、八個發(fā)送字節(jié)、八個接收字節(jié))。

內(nèi)核/狀態(tài)機(jī)及應(yīng)用接口
??? 根據(jù)需要,AMIS可提供不同的內(nèi)核。內(nèi)核與LIN控制器間通過中斷信號和特殊功能寄存器(SFR)實(shí)現(xiàn)連接,LIN控制器可看作是SFR總線上的一個外圍器件。除了這些LIN總線特點(diǎn)外,與同類半導(dǎo)體處理技術(shù)平臺一樣,AMIS開發(fā)了一個廣泛的IP模塊庫,包括貳⑵和SAR ADC模塊、輸出電流可達(dá)0.3A的延時觸發(fā)器及輸出電流達(dá)3A的H橋。當(dāng)然,運(yùn)用從節(jié)點(diǎn)只是整個功能中的一部分,通過給它們提供足夠功率以將它們集成在當(dāng)今汽車中是汽車電氣工程師的下一個重要挑戰(zhàn)。

42V電源技術(shù)方案
一個理想的汽車電源方案中,電源等級將會從傳統(tǒng)的12V電池電壓轉(zhuǎn)換成42V電源系統(tǒng)。而在42V系統(tǒng)中,電源等級還將會不斷地升高。例如,系統(tǒng)整個壽命周期中的最大工作電壓設(shè)定在50V,如果存在著8V最大動態(tài)過電壓,電源電壓就會達(dá)到58V。增加一個12V的外部驅(qū)動負(fù)荷泵,將會使系統(tǒng)的電壓需求達(dá)到70V,再增加一個ESD保護(hù)窗,系統(tǒng)電壓將達(dá)到80V。而且汽車的半導(dǎo)體器件不僅要承受較高的電壓,同時還必須具備足夠的魯棒性以滿足其苛刻的運(yùn)行環(huán)境,比如,應(yīng)滿足運(yùn)行溫度在-40℃~+200℃范圍的需求。到目前為止,承受較高電壓和滿足苛刻運(yùn)行條件的需求是42V汽車電子系統(tǒng)應(yīng)用智能SoC技術(shù)的重大障礙。
?AMI半導(dǎo)體的I3T80是一種基于 0.35mm CMOS工藝的80V電源智能模塊集成技術(shù)。滿足42V汽車系統(tǒng)惡劣的運(yùn)行條件。由此技術(shù)開發(fā)出的設(shè)備包括電機(jī)控制驅(qū)動器、DC-DC變換器、具有帶寬濾波器的高精度模擬電路以及ADC和DAC等。而且I3T80能夠嵌入集成總計(jì)超過150000個門電路,其通信協(xié)議模塊包括PLL、USB、總線協(xié)議控制器、CAN和LIN通信控制器。除此之外,它還提供了ROM和RAM存儲器。

結(jié)語
?? 在新型汽車電子應(yīng)用中,隨著電子部件不斷地增加, 汽車設(shè)計(jì)者們正在尋求一種合理的解決方案。這樣,高集成度、高可靠性SoC解決方案應(yīng)運(yùn)而生。這種解決方案技術(shù)要求能夠簡化執(zhí)行步驟,減少與不同電子系統(tǒng)之間的控制和接口成本。AMIS的高電壓、混合信號技術(shù)滿足了這種需要。它把半導(dǎo)體解決方案與專用IP模塊結(jié)合在一起,能夠滿足任何標(biāo)準(zhǔn)接口通信總線 (LIN、CAN)節(jié)點(diǎn)應(yīng)用,同時與42V電壓等級方案兼容。