在汽車電子的各個系統(tǒng)當(dāng)中，往往需要采用車用MCU（車用微控制器）做為運作控制的核心，而汽車對電子系統(tǒng)的倚重，也刺激車用微控制器市場的快速成長。電子系統(tǒng)在汽車中的應(yīng)用越來越復(fù)雜，車用MCU也發(fā)揮越來越重要的作用。

　　汽車作為一部大型的機電一體化設(shè)備，汽車電子在汽車整體成本中的比例越來越大。目前歐美發(fā)達(dá)國家汽車電子的平均成本達(dá)350美元以上，其涵蓋了從車身控制、動力傳動、車身安全，到車內(nèi)娛樂的各個方面。

　　微控制器（MCU）作為汽車電子系統(tǒng)內(nèi)部運算和處理的核心，也遍布懸掛、氣囊、門控和音響等幾十種次系統(tǒng)（Sub-System）中。由于汽車作為高速交通工具承載了對用戶生命安全的保障，同時汽車經(jīng)常工作在十分惡劣的環(huán)境中，其對內(nèi)部電子設(shè)備的可靠性要求要遠(yuǎn)高于一般性電子產(chǎn)品。因此汽車電子所用的MCU與一般性產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)差異雖然并不很大，而一般的MCU產(chǎn)品由于可靠性不能符合廠商的要求而并不能被選用，這也是汽車電子產(chǎn)品同一般性電子產(chǎn)品市場的區(qū)別之一。

　　MCU在汽車電子中的原理

　　技術(shù)特性需求：

　　隨著今日汽車對應(yīng)用功能的要求愈來愈高，需整合的系統(tǒng)也愈來愈復(fù)雜，使得汽車電子系統(tǒng)對于高階32位 MCU的需求不斷提升。這類車用MCU往往被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴(yán)重的運作環(huán)境，因此對耐受性的要求遠(yuǎn)高于一般用途的MCU。此外，在汽車的應(yīng)用環(huán)境中，車用MCU必須與多個車用電子控制裝置（ECU）相連結(jié)，其中最常見的傳輸接口為CAN和LIN。

　　CAN和LIN是最常見的車身系統(tǒng)總線接口，因此汽車電子類MCU除了在可靠性和抵抗惡劣環(huán)境等方面有較高要求外，還要能實現(xiàn)對上述總線接口的支持。

　　CAN：CAN又分為高速CAN和低速CAN，高速CAN的傳輸率可以達(dá)到1 Mbps，適用于ABS、EMS等強調(diào)實時反應(yīng)的應(yīng)用；低速CAN則可達(dá)到125 Kbps，適合較低速的車體零件控制。此外，CAN控制器的型式可分為舊型的1.x、標(biāo)準(zhǔn)型的2.0A和延伸型的2.0B，愈新的規(guī)格效能自然愈好，其中 2.0B又可分為被動（passive）型式和主動（active）型式。

　　LIN：LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，采用一個主節(jié)點、多個從節(jié)點的概念（最多支持16個節(jié)點），可達(dá) 20 kbps數(shù)據(jù)傳輸率，總線電纜的長度最多可以擴展到40公尺。它很適合做為空調(diào)控制（Climate Control）、后照鏡（Mirrors）、車門模塊（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-cost Sensors）等較單純系統(tǒng)的分布式通訊解決方案。

　　CAN總線即控制器局域網(wǎng) （Controller Area Net），是一種現(xiàn)場總線，最初由德國BOSCH公司為汽車監(jiān)測和控制而設(shè)計，主要用于各種過程檢測及控制。CAN總線分為高速CAN和低速CAN，前者主要用于動力和安全等關(guān)鍵性的應(yīng)用，如發(fā)動機控制單元、自動變速器控制、ABS控制、安全氣囊控制等;后者則通常針對一般性車身應(yīng)用，如集控鎖、行李箱鎖、車窗，及車內(nèi)燈光等。CAN總線的協(xié)議也在不斷演進(jìn)發(fā)展，從最早期的1.x版本已發(fā)展到目前的CAN2.0A及其擴展版CAN2.0B，其中CAN2.0B又分為主動（Active）式和被動（Passive）式。

　　由于CAN總線協(xié)議的版本和分類不同，對車用MCU的要求也有差異。除了提到的協(xié)議版本，CAN總線控制器緩存和接收過濾器的數(shù)量也影響了MCU的選用。如圖所示，ST的CAN控制器針對不同的應(yīng)用場景，有pCAN、beCAN、bxCAN、FullCAN 和 cCAN五款不同類型。其中如beCAN、bxCAN兩款適合中高端車身功能控制及低端網(wǎng)關(guān);FullCAN適合引擎管理系統(tǒng);cCAN則適合高端的網(wǎng)關(guān)和動力傳動控制。

　　ST不同的CAN控制器的緩存及接收過濾器數(shù)量

　　LIN（Local Interconnect Network）總線是一種結(jié)構(gòu)簡單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，主要用作CAN等高速總線的輔助網(wǎng)絡(luò)或子網(wǎng)絡(luò)。在帶寬要求不高、功能簡單、實時性要求低的場合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡化網(wǎng)絡(luò)線束、降低成本、提高網(wǎng)絡(luò)通訊效率和可靠性。如圖所示，LIN主要適合于車內(nèi)空調(diào)控制（Air-Conditioning Control）、車門控制模塊（Door Modules）、座椅控制、智能性交換器（Smart Switches）、低成本傳感器（Low-Cost Sensors）等分布式通訊應(yīng)用。

　　LIN的應(yīng)用領(lǐng)域

　　網(wǎng)關(guān)控制器

　　車內(nèi)網(wǎng)關(guān)控制器（Gateway）的作用是車內(nèi)電子系統(tǒng)中不同網(wǎng)絡(luò)的通訊樞紐，使分布在車身內(nèi)的各個單元可實現(xiàn)溝通。網(wǎng)關(guān)一般包括總線收發(fā)器、穩(wěn)壓器（Regulator），以及支持多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的低成本、高效能微控制器;并廣泛支持低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等車用電子通訊接口。網(wǎng)關(guān)控制器設(shè)計上比較靈活，一般廠家會依據(jù)自己的需求而定制。針對不同的應(yīng)用，其可以集成在車身控制單元或儀表組件等設(shè)備當(dāng)中，也可以作為一個獨立的模塊出現(xiàn)。

　　嵌入式閃存的作用

　　MCU嵌入式內(nèi)存可為滿足工控機系統(tǒng)的需求提供保障，穩(wěn)定性可得到提升，也有助于實現(xiàn)更低的成本和增大工作處理的彈性。因此在MCU上提供嵌入式內(nèi)存，甚至整合DSP的單元，已成為目前的設(shè)計趨勢。

　　車用MCU嵌入式內(nèi)存包含ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中NOR Flash作為微控制器程序及數(shù)據(jù)儲存的內(nèi)存可使MCU具有更高的彈性，已逐漸成為目前設(shè)計的主流。由于嵌入內(nèi)存而使MCU無需與外部組件進(jìn)行高速串連，因此不易產(chǎn)生信號干擾的問題，降低了接線的復(fù)雜度，提高了穩(wěn)定性。此外，嵌入式內(nèi)存省去了外接元件，也可有效減少PCB尺寸，給產(chǎn)品設(shè)計更大的靈活性。在數(shù)據(jù)安全性方面，MCU嵌入式內(nèi)存的數(shù)據(jù)保護(hù)機制可實現(xiàn)較高的可靠性，保證其中的數(shù)據(jù)免遭盜取。

　　DSP提升設(shè)計彈性

　　數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)是當(dāng)今高科技數(shù)碼產(chǎn)業(yè)的技術(shù)基礎(chǔ)。從MP3隨身聽到航空航天等的高技術(shù)應(yīng)用，DSP技術(shù)無所處不在并增長迅速。在汽車電子系統(tǒng)設(shè)計中，除在上文提到的在MCU嵌入內(nèi)存外，為MCU加入DSP的MAC功能也可有效提升數(shù)據(jù)處理的彈性。DSP屬于系統(tǒng)的軟件功能范疇，因此可靈活地根據(jù)廠商或客戶的需求進(jìn)行功能改進(jìn)和升級。此外，DSP與處理器（ARM、PowerPC等）相結(jié)合可實現(xiàn)多任務(wù)分工處理，例如可把關(guān)鍵的控制功能交由處理器完成，而讓DSP專職進(jìn)行運算方面的工作，這樣可降低系統(tǒng)功耗并提高處理效率。

　　DSP一般用于處理大量的數(shù)字信號、編解碼，及通信數(shù)據(jù)分析。在汽車電子系統(tǒng)中，例如車載輔助路況警示安全系統(tǒng)，DSP可用于處理和識別復(fù)雜的路況信息并及時為司機提供實時建議和警告。

　　具備MAC單元的16位MCU（以ST10為例）

　　16位車用MCU的應(yīng)用場景

　　車用MCU的特點：

　　1、高處理性能

　　MCU要提升處理性能，必須從其核心及軟、硬件系統(tǒng)架構(gòu)下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例，它的工作性能達(dá)到1.3MIPS/MHz，比上一代FR60核心高出30%的處理效能；因具有內(nèi)置式單精度浮點運算單元（FPU），能夠滿足圖像處理系統(tǒng)和那些需要浮點操作功能的系統(tǒng)（如制動器控制）要求。此外，透過硬件式的FPU支持，能夠簡化軟件程序并提升運算性能。

　　2、大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處理能力

　　今日汽車中的CAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存在著大量的內(nèi)置式ECU，它們的規(guī)模隨著節(jié)點數(shù)量的增加而不斷擴大，因此車用MCU必須支持更多的訊息緩沖器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供達(dá)32個內(nèi)置式訊息緩沖器，但現(xiàn)在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來說，已能支持達(dá)64個內(nèi)置式訊息緩沖器，而且支持CAN 2.0A/B規(guī)格及提供1Mbps的高傳輸率。

　　3、廣泛接口支持能力

　　車用MCU連接的外圍相當(dāng)多樣，而連接的接口可能是UART、頻率同步串行、LIN-UART 和 I2C，因此必須具備彈性的接口連接能力。為了滿足此需求，富士通將內(nèi)置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透過軟件方式來切換上述各種接口，以靈活支持外部組件的通信規(guī)范，并提高系統(tǒng)設(shè)計的自由度。新系列MCU還提供LIN-UART 的6條通道，從而能夠與更多控制單元進(jìn)行通信；其中MB91725系列因具有定時器功能的多條信道和 A/D 轉(zhuǎn)換器，更容易達(dá)成各種功能的整合。

　　選擇汽車MCU需要考慮哪些因素？

　　在汽車應(yīng)用中，微控制器（MCU）提供著至關(guān)重要的性能。隨著價格的降低及整固的增加等原因，MCU也逐漸走向商品化。但是對于不同的MCU來說，仍存在很大的差異，因此如何選擇合適的汽車MCU以降低成本而不影響所需的性能也變得尤為重要。

　　微控制器（MCU）在從電機控制，到信息娛樂系統(tǒng)和車身控制等越來越寬泛的汽車應(yīng)用中提供至關(guān)重要的性能。隨著價格的下降和整固的增加，微控制器正變得越來越普及，這意味著MCU被越來越多地視為商品。盡管存在這種商品化趨勢，汽車系統(tǒng)設(shè)計工程師仍然認(rèn)為不同的控制器會有很大的差異，包括各種級別的集成度和功率要求。選擇MCU通?？梢钥s減材料成本（BOM），從而有效地降低電子控制單元（ECU）本身的價格。

　　選擇汽車MCU時，設(shè)計工程師可以考慮以下重要因素，實現(xiàn)成本壓力與應(yīng)用所需的特定性能特色之間的平衡。

　　1. 低壓檢測

　　MCU工作時的故障風(fēng)險之一是在臨界點時電源電壓或MCU內(nèi)部電壓可能降至所需電平以下。顯然，如果工作電壓無法保證，而超出了推薦電源電壓之外的話，這就會引發(fā)故障。

　　傳統(tǒng)系統(tǒng)采用外部電壓監(jiān)測IC來檢查電壓。不過，這個功能可以通過一個既監(jiān)測MCU內(nèi)部電壓，又監(jiān)測外部電源電壓電平的內(nèi)部區(qū)塊整合到MCU中。如圖1所示，當(dāng)電壓降至預(yù)設(shè)的閾值以下時，MCU會自動重置。閾值電平可以從一組預(yù)先設(shè)定值（7個）中進(jìn)行選擇。這種方法可以從BOM中去掉外部元器件，從而降低成本。

　　2. 看門狗計時器

　　要考慮的另一個重要功能是看門狗計時器（WDT），這種計時器有助于從“失控的微處理器”或“雜亂狀況下的處理器”等故障情況中恢復(fù)。該模塊一旦檢測到MCU處于無響應(yīng)狀態(tài)就會重置MCU。過去，嵌入式系統(tǒng)采用外部IC來執(zhí)行此功能，不過，可以在MCU中整合多個看門狗計時器。例如，一個計時器可以作為CPU操作系統(tǒng)時鐘外部的獨立時鐘工作。此計時器將基于較慢的CR時鐘，適合作為MCU的硬件看門狗使用，或者用于較長的軟件循環(huán)從而防止出現(xiàn)失控狀況。另一個計時器可以基于較快的外圍時鐘。理論上，當(dāng)計時器可能由于某些錯誤狀況而反饋過快時，看門狗計時器會支持窗口功能，此時也會重置MCU。

　　3. 專用NV存儲器

　　與看門狗計時器一樣，EEPROM歷來都是MCU的外部器件。不過，也有可能通過采用專用ROM將這類存儲裝置變成內(nèi)部器件。提高穩(wěn)定性和采用糾錯機制可以進(jìn)一步增強內(nèi)置EEPROM。

　　將EEPROM整合到內(nèi)部的高級方法是采用具有雙重操作功能的閃存。閃存存儲庫的一部分可以進(jìn)行讀取，而另一部分庫則可以進(jìn)行編程，通過單個閃存模塊來實現(xiàn)EEPROM。另一種方法是實現(xiàn)兩個閃存模塊，不過這種方法的開銷會比雙重操作閃存的開銷大。

　　4. 汽車接地

　　由于電子控制單元定位方式的原因，汽車環(huán)境中的電氣連接確實很長。汽車系統(tǒng)包含許多ECU和汲取相對較大電流的其他裝置。因此，除ECU本身產(chǎn)生的寄生噪聲之外，電氣接地電平往往不理想，可能會在一定范圍內(nèi)漂移。

　　根據(jù)這樣的接地情況進(jìn)行MCU設(shè)計會提高魯棒性和故障安全等級。高級MCU往往是根據(jù)汽車情況針對標(biāo)準(zhǔn)化VIL進(jìn)行設(shè)計的。由于“浮地”有助于防止出錯，從而提高了ECU品質(zhì)。

　　5. Vbat電平直接輸入

　　汽車系統(tǒng)中的某些ECU可以處理電池電平電壓周圍的I/O信號。對于基于CMOS設(shè)計的半導(dǎo)體，I/O信號是VCC電平的最大值，一般在3V至5V范圍內(nèi)。因此，需要轉(zhuǎn)換器器進(jìn)行電壓電平轉(zhuǎn)換。某些情況下，可以實現(xiàn)電壓保護(hù)，從而允許高壓信號通過限流電阻直接相連。

　　6. 終端功能重定位

　　在對引腳數(shù)相當(dāng)大的IC進(jìn)行PCB布局時盡可能保持最小的層數(shù)往往很有挑戰(zhàn)。PCB上的外圍元器件無法總是根據(jù)MCU的引腳分布進(jìn)行理想的定位。有時，如果MCU具有將其內(nèi)部模塊重定位至另外一組引腳的內(nèi)置靈活性的話就會很有用。這可以通過軟件設(shè)置來實現(xiàn)。這種能力可以提高PCB布局過程中的靈活性。

　　7. ADC輔助功能

　　模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）一直以來都是嵌入式系統(tǒng)的一個基本功能塊。ADC可將信號從模擬域轉(zhuǎn)換至數(shù)字域，從而使得能夠訪問來自模擬域的信息。

　　可以根據(jù)具體的應(yīng)用修改ADC功能塊基于ADC功能塊對MCU進(jìn)行區(qū)分。這種增強可以區(qū)分整個MCU封裝。比如，ADC模塊可以在硬件中支持范圍比較器和脈沖檢測功能。這些功能對于儀表板中的步進(jìn)電機控制等應(yīng)用、電源監(jiān)測和傳感器應(yīng)用非常有用。ADC可以處理來自步進(jìn)電機線圈的輸入信號，以執(zhí)行零點檢測（ZPD）。在硬件中完成處理任務(wù)時，CPU可以在其它地方使用其MIPS。

　　8. LIN硬件輔助功能

　　本地互連網(wǎng)絡(luò)（LIN）是一種成本低廉的低速通信技術(shù)，該技術(shù)在車身應(yīng)用中得到了廣泛的應(yīng)用。通過LIN總線可實現(xiàn)自動幀頭的傳輸和檢測、通信測試功能、變量中斷長度生成、以及硬件中的校驗和生成和驗證等功能。因此，使用LIN總線有助于增強MCU性能。此方法用于其他地方時有助于節(jié)省CPU的MIPS。

　　9. ZPD增強

　　對于儀表板應(yīng)用而言，ECU采用零點檢測（ZPD）來確定指針何時到達(dá)終點以便停止步進(jìn)電機。此功能要求步進(jìn)電機控制器（SMC）讀取和評估電機線圈中的電壓信號（也稱為“反電動勢”），從而進(jìn)行檢測。增加硬件支持可以增強SMC，從而進(jìn)行電壓評估，這樣，實現(xiàn)ZPD就無需任何外部元器件。此外，大多數(shù)反電動勢評估也可以采用硬件機制來進(jìn)行。（在這方面，上文中提到的ADC范圍比較器和脈沖檢測功能比較有用。）此外，此方法只需要最小的CPU使用率

　　10. 位置和轉(zhuǎn)數(shù)計

　　以硬件區(qū)塊的形式提供四位置和轉(zhuǎn)數(shù)計（QPRC）功能十分有利。這樣，用戶就可以在音頻和導(dǎo)航應(yīng)用中實現(xiàn)飛梭（jog-dial）功能。此模塊可以控制旋轉(zhuǎn)程度和方向，確定旋轉(zhuǎn)速度。從理論上講，這可以通過在MCU中采用標(biāo)準(zhǔn)輸入捕獲單元來實現(xiàn)。不過，實現(xiàn)專門用于這些任務(wù)的專用硬件模塊可使CPU節(jié)約資源，從而實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)更好的任務(wù)分配和簡化的軟件包。

　　車用MCU的應(yīng)用：

　　車載MCU的市場主要集中在8、16和32位的微控器，可按汽車電子產(chǎn)品的不同需求用于不同性能的場景。

　　8位MCU由于處理能力的限制主要應(yīng)用于風(fēng)扇、空調(diào)、雨刷、車窗、集線盒、座椅控制、門控等比較簡單的系統(tǒng)。16位MCU則屬一般用于中端設(shè)備，主要應(yīng)用場合為引擎控制動、離合器控制、底盤機構(gòu)和懸掛、電子剎車、電子式動力方向盤，和電子式渦輪系統(tǒng)等動力和傳動系統(tǒng)。32位MCU在汽車電子領(lǐng)域主要用于預(yù)碰撞（Pre-crash）模塊、自適應(yīng)巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能、復(fù)雜的X-by-wire等傳動功能，以及多媒體信息系統(tǒng)（Telematics）、安全系統(tǒng)和引擎控制方面等需要較高智能性、運算性能、實時性能的模塊。

　　目前，16位MCU的生存空間似乎受到8位和32位MCU的不斷擠壓。8位微控制器的處理器核心功率不斷提升，隨著嵌入式內(nèi)存容量的增加，以及接腳數(shù)更具彈性，再加上成熟的技術(shù)促使成本進(jìn)一步降低，讓8位微控制器的適用市場空間變得更大，能向上涵蓋一些16位MCU的應(yīng)用，也能向下取代多數(shù)4位MCU。32位MCU在越來越強調(diào)智能性、實時性和多樣化的今天十分具有市場潛力，除了處理復(fù)雜的運算及控制功能，32位MCU產(chǎn)品也將扮演車用電子系統(tǒng)中的主控處理中心角色，也就是將分散各處的中低階電子控制單元（ECU）集中管理。而這些能力都不是16位MCU所具備的。

　　16位MCU似乎處境十分尷尬，但在加入更高容量內(nèi)存及上文提到的具備DSP-MAC的條件下，16位產(chǎn)品仍然能滿足特殊應(yīng)用功能的需求。而且在組件的質(zhì)量、性能，和成本上其已獲得市場認(rèn)可，仍然存在其適當(dāng)?shù)氖袌隹臻g。另一方面，雖然32位MCU產(chǎn)品在一般市場上已被廣泛應(yīng)用，但目前一般出現(xiàn)在高端汽車產(chǎn)品中。而在大多數(shù)的傳動及安全系統(tǒng)等關(guān)鍵性應(yīng)用上仍以16位MCU為主。主要的原因是32位MCU大多仍處于汽車電子零件規(guī)格的驗證階段，之后還需要通過車廠本身的各種環(huán)境測試，所以成為市場主流還需要等待一段時間。

　　8位MCU：主要應(yīng)用于車體的各個次系統(tǒng)，包括風(fēng)扇控制、空調(diào)控制、雨刷、天窗、車窗升降、低階儀表板、集線盒、座椅控制、門控模塊等較低階的控制功能。

　　16位MCU：主要應(yīng)用為動力傳動系統(tǒng)，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統(tǒng)等；也適合用于底盤機構(gòu)上，如懸吊系統(tǒng)、電子式動力方向盤、扭力分散控制，和電子幫浦、電子剎車等。

　　32位MCU：主要應(yīng)用包括儀表板控制、車身控制、多媒體信息系統(tǒng)（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新興的智能性和實時性的安全系統(tǒng)及動力系統(tǒng)，如預(yù)碰撞（Pre- crash）、自適應(yīng)巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能，以及復(fù)雜的X-by-wire等傳動功能。