利用MCU提高汽车设计性能
引言
在现在的汽车设计中，人们越来越注重智能和环保这两个方面。因为智能化的汽车可以为人们带来高度的安全性和舒适感，在环保方面，通过使用数字技术达到节能省碳的目的。因此，数字化程度在汽车领域也愈来愈深，大到动力传动系统，小到车载娱乐系统，无处不见电子组件的身影，它们被广泛应用在感测和操控上。
在汽车电子的各个系统当中，往往需要采用微控制器（MCU）做为运作控制的核心，而汽车对电子系统的倚重，也刺激车用微控制器市场的快速成长。车用微控器涵盖8位、16位、32位等低、中、高阶产品等级，各有其适合的应用系统，大致如下：
8位MCU：主要应用于车体的各个次系统，包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。
16位MCU：主要应用为动力传动系统，如引擎控制、齿轮与离合器控制，和电子式涡轮系统等；也适合用于底盘机构上，如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制，和电子帮浦、电子刹车等。
32位MCU：主要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统，如预碰撞（Pre- crash）、自适应巡航控制（ACC）、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能，以及复杂的X-by-wire等传动功能。
1 车用MCU常见接口
CAN和LIN是比较常见的接口。
随着今日汽车对应用功能的要求愈来愈高，需整合的系统也愈来愈复杂，使得汽车电子系统对于高阶32位 MCU的需求不断提升。这类车用MCU往往被置放在高热、多尘、剧震、电子干扰严重的运作环境，因此对耐受性的要求远高于一般用途的MCU。此外，在汽车的应用环境中，车用MCU必须与多个车用电子控制装置（ECU）相连结，其中最常见的传输接口为CAN和LIN。
CAN又分为高速CAN和低速CAN,高速CAN的传输率可以达到1 Mbps,适用于ABS、EMS等强调实时反应的应用；低速CAN则可达到125 Kbps,适合较低速的车体零件控制。此外，CAN控制器的型式可分为旧型的1.x、标准型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的规格效能自然愈好，其中 2.0B又可分为被动（passive）型式和主动（active）型式。
LIN则是较CAN更为低速且低成本的通讯方案，采用一个主节点、多个从节点的概念（最多支持16个节点），可达 20 kbps数据传输率，总线电缆的长度最多可以扩展到40公尺。它很适合做为空调控制（Climate Control）、后照镜（Mirrors）、车门模块（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交换器（Smart Switches）、低成本传感器（Low-cost Sensors）等较单纯系统的分布式通讯解决方案。
以下将介绍应用于仪表板控制及车身控制的新一代MCU技术，并以富士通新一代的MB91770系列和MB91725系列新型微控制器做为设计参考。请参考（图一）。
图1 仪表盘控制及车身控制MCU在汽车中的应用（以MB91770系列和MB91725系列为例）
2 汽车仪表板及车身控制设计要领
汽车的仪表板为驾驶提供各种实时的视觉信息，这些信息是辅助决策的重要参考，必须快速且准确无误的传递给驾驶员知道。此外，汽车中的空调及车身控制模块（BCM）系统，负责为驾驶及乘客提供舒适的乘车环境。其中空调系统过执行最佳控制将汽车内部的温度迅速降至较为舒适的水平，并根据来自于各个传感器的信息保持舒适的车内温度。BCM系统则可以集中控制多个ECU,如车门、座椅和组合开关等。
不论是仪表盘控制或车身控制的MCU,都必须提供更高的处理性能、处理大量网络节点的能力、支持多种外围连接的接口功能、可扩展电路板布局范围的功能、先进的内存架构，以及更便利的开发环境。
2.1 高处理性能
MCU要提升处理性能，必须从其核心及软、硬件系统架构下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心为例，它的工作性能达到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的处理效能；因具有内置式单精度浮点运算单元（FPU），能够满足图像处理系统和那些需要浮点操作功能的系统（如制动器控制）要求。此外，透过硬件式的FPU支持，能够简化软件程序并提升运算性能。
2.2 大量网络节点处理能力
今日汽车中的CAN网络内存在着大量的内置式ECU,它们的规模随着节点数量的增加而不断扩大，因此车用MCU必须支持更多的讯息缓冲器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供达32个内置式讯息缓冲器，但现在已显得不敷使用，以新一代富士通MCU来说，已能支持达64个内置式讯息缓冲器，而且支持CAN 2.0A/B规格及提供1Mbps的高传输率。
2.3 广泛接口支持能力
车用MCU连接的外围相当多样，而连接的接口可能是UART、频率同步串行、LIN-UART 和 I2C,因此必须具备弹性的接口连接能力。为了满足此需求，富士通将内置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透过软件方式来切换上述各种接口，以灵活支持外部组件的通信规范，并提高系统设计的自由度。新系列MCU还提供LIN-UART 的6条通道，从而能够与更多控制单元进行通信；其中MB91725系列因具有定时器功能的多条信道和 A/D 转换器，更容易达成各种功能的整合。请参考（图2）。
图2 使用序列接口达成弹性的通信接口功能整合
2.4 可扩展电路板布局范围的功能
由于车用电路板系统的布局设计方式相当多样，车用MCU必须能满足这些设计的需求。一些可行的作法包括为外部总线接口终端配置独立电源，使得ECU板上无需再安装电平转换器。此一外部总线接口终端的电源范围要广（如涵盖3.0V至5.5V），进而能弹性地和单元内存或图像用ASIC相连。
另一个作法是让MCU具备内置式I/O再分配的功能，透过软件设置即可改变I/O连接埠的分配。如此一来，设计者可以更弹性地与特定外围相连结，进而大幅提升电路板布局的自由度。
2.5 先进的内存架构
为了提升工作处理弹性，今日车用微控制器的系统中往往会内置嵌入式内存（Flash）。过去只将Flash用于程序储存，新一代MCU的架构中也加入数据用的Flash。此架构不仅能提高数据写入速度，因不再需要E2PROM,也能缩小电路板的面积。此外，将数据与程序同时储存于微控制器的Flash内存中，也有助于防止信息的泄露。
2.6 更便利的开发环境
一般产品必须利用ICE主单元和验证用评估芯片来进行系统检验，为了降低验证的复杂度，我们为新一代MCU产品提供芯片上（on-chip）的侦错方式。它采用单线调试接口，可以实现汽车评估或一致性测试，并且能够利用通用同轴电缆、在高达10米的范围内实现小型 ICE 主单元和目标电路板之间的通信。这可以简化按照常规难以实现的汽车评估。
图3 运用芯片上侦错实现汽车评估
3 结论
电子系统在汽车中的应用越来越复杂，车用MCU也发挥越来越重要的作用。由于汽车仪表板和车身控制设计，必须以为驾驶者提供精准的信息和提供舒适的乘车体验为前提，因此，MCU必须满足更高的性能和设计的要求，为开发应用带来帮助。
在现在的汽车设计中，人们越来越注重智能和环保这两个方面。因为智能化的汽车可以为人们带来高度的安全性和舒适感，在环保方面，通过使用数字技术达到节能省碳的目的。因此，数字化程度在汽车领域也愈来愈深，大到动力传动系统，小到车载娱乐系统，无处不见电子组件的身影，它们被广泛应用在感测和操控上。
在汽车电子的各个系统当中，往往需要采用微控制器（MCU）做为运作控制的核心，而汽车对电子系统的倚重，也刺激车用微控制器市场的快速成长。车用微控器涵盖8位、16位、32位等低、中、高阶产品等级，各有其适合的应用系统，大致如下：
8位MCU：主要应用于车体的各个次系统，包括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。
16位MCU：主要应用为动力传动系统，如引擎控制、齿轮与离合器控制，和电子式涡轮系统等；也适合用于底盘机构上，如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制，和电子帮浦、电子刹车等。
32位MCU：主要应用包括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统，如预碰撞（Pre- crash）、自适应巡航控制（ACC）、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能，以及复杂的X-by-wire等传动功能。
1 车用MCU常见接口
CAN和LIN是比较常见的接口。
随着今日汽车对应用功能的要求愈来愈高，需整合的系统也愈来愈复杂，使得汽车电子系统对于高阶32位 MCU的需求不断提升。这类车用MCU往往被置放在高热、多尘、剧震、电子干扰严重的运作环境，因此对耐受性的要求远高于一般用途的MCU。此外，在汽车的应用环境中，车用MCU必须与多个车用电子控制装置（ECU）相连结，其中最常见的传输接口为CAN和LIN。
CAN又分为高速CAN和低速CAN,高速CAN的传输率可以达到1 Mbps,适用于ABS、EMS等强调实时反应的应用；低速CAN则可达到125 Kbps,适合较低速的车体零件控制。此外，CAN控制器的型式可分为旧型的1.x、标准型的2.0A和延伸型的2.0B,愈新的规格效能自然愈好，其中 2.0B又可分为被动（passive）型式和主动（active）型式。
LIN则是较CAN更为低速且低成本的通讯方案，采用一个主节点、多个从节点的概念（最多支持16个节点），可达 20 kbps数据传输率，总线电缆的长度最多可以扩展到40公尺。它很适合做为空调控制（Climate Control）、后照镜（Mirrors）、车门模块（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交换器（Smart Switches）、低成本传感器（Low-cost Sensors）等较单纯系统的分布式通讯解决方案。
以下将介绍应用于仪表板控制及车身控制的新一代MCU技术，并以富士通新一代的MB91770系列和MB91725系列新型微控制器做为设计参考。请参考（图一）。
图1 仪表盘控制及车身控制MCU在汽车中的应用（以MB91770系列和MB91725系列为例）
2 汽车仪表板及车身控制设计要领
汽车的仪表板为驾驶提供各种实时的视觉信息，这些信息是辅助决策的重要参考，必须快速且准确无误的传递给驾驶员知道。此外，汽车中的空调及车身控制模块（BCM）系统，负责为驾驶及乘客提供舒适的乘车环境。其中空调系统过执行最佳控制将汽车内部的温度迅速降至较为舒适的水平，并根据来自于各个传感器的信息保持舒适的车内温度。BCM系统则可以集中控制多个ECU,如车门、座椅和组合开关等。
不论是仪表盘控制或车身控制的MCU,都必须提供更高的处理性能、处理大量网络节点的能力、支持多种外围连接的接口功能、可扩展电路板布局范围的功能、先进的内存架构，以及更便利的开发环境。
2.1 高处理性能
MCU要提升处理性能，必须从其核心及软、硬件系统架构下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心为例，它的工作性能达到1.3MIPS/MHz,比上一代FR60核心高出30%的处理效能；因具有内置式单精度浮点运算单元（FPU），能够满足图像处理系统和那些需要浮点操作功能的系统（如制动器控制）要求。此外，透过硬件式的FPU支持，能够简化软件程序并提升运算性能。
2.2 大量网络节点处理能力
今日汽车中的CAN网络内存在着大量的内置式ECU,它们的规模随着节点数量的增加而不断扩大，因此车用MCU必须支持更多的讯息缓冲器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供达32个内置式讯息缓冲器，但现在已显得不敷使用，以新一代富士通MCU来说，已能支持达64个内置式讯息缓冲器，而且支持CAN 2.0A/B规格及提供1Mbps的高传输率。
2.3 广泛接口支持能力
车用MCU连接的外围相当多样，而连接的接口可能是UART、频率同步串行、LIN-UART 和 I2C,因此必须具备弹性的接口连接能力。为了满足此需求，富士通将内置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透过软件方式来切换上述各种接口，以灵活支持外部组件的通信规范，并提高系统设计的自由度。新系列MCU还提供LIN-UART 的6条通道，从而能够与更多控制单元进行通信；其中MB91725系列因具有定时器功能的多条信道和 A/D 转换器，更容易达成各种功能的整合。请参考（图2）。
图2 使用序列接口达成弹性的通信接口功能整合
2.4 可扩展电路板布局范围的功能
由于车用电路板系统的布局设计方式相当多样，车用MCU必须能满足这些设计的需求。一些可行的作法包括为外部总线接口终端配置独立电源，使得ECU板上无需再安装电平转换器。此一外部总线接口终端的电源范围要广（如涵盖3.0V至5.5V），进而能弹性地和单元内存或图像用ASIC相连。
另一个作法是让MCU具备内置式I/O再分配的功能，透过软件设置即可改变I/O连接埠的分配。如此一来，设计者可以更弹性地与特定外围相连结，进而大幅提升电路板布局的自由度。
2.5 先进的内存架构
为了提升工作处理弹性，今日车用微控制器的系统中往往会内置嵌入式内存（Flash）。过去只将Flash用于程序储存，新一代MCU的架构中也加入数据用的Flash。此架构不仅能提高数据写入速度，因不再需要E2PROM,也能缩小电路板的面积。此外，将数据与程序同时储存于微控制器的Flash内存中，也有助于防止信息的泄露。
2.6 更便利的开发环境
一般产品必须利用ICE主单元和验证用评估芯片来进行系统检验，为了降低验证的复杂度，我们为新一代MCU产品提供芯片上（on-chip）的侦错方式。它采用单线调试接口，可以实现汽车评估或一致性测试，并且能够利用通用同轴电缆、在高达10米的范围内实现小型 ICE 主单元和目标电路板之间的通信。这可以简化按照常规难以实现的汽车评估。
图3 运用芯片上侦错实现汽车评估
3 结论
电子系统在汽车中的应用越来越复杂，车用MCU也发挥越来越重要的作用。由于汽车仪表板和车身控制设计，必须以为驾驶者提供精准的信息和提供舒适的乘车体验为前提，因此，MCU必须满足更高的性能和设计的要求，为开发应用带来帮助。
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