MCU在汽車中的應(yīng)用

1、飛思卡爾針對(duì)入門級(jí)汽車應(yīng)用推由8位MCU飛思卡爾（Freescale）半導(dǎo)體為嵌入式開發(fā)人員提供經(jīng)濟(jì)高效的 8位微控制 器（MCU ,幫助他們提高汽車設(shè)計(jì)能力。隨著汽車應(yīng)用越來越小、越來越先進(jìn)、 對(duì)成本越來越敏感，設(shè)計(jì)人員需要更多經(jīng)濟(jì)的、功能豐富的MCU4件。為了滿足 這一需求，飛思卡爾已經(jīng)推出了 S08QDMCUS列。這是公司的首款8位小型集成 電路（SOI。器件，能夠降低入門級(jí)汽車應(yīng)用的板卡空間、系統(tǒng)成本和功耗。 S08QDR列的卓越靈活性和功能有助于開發(fā)人員設(shè)計(jì)出更為廣泛的汽車應(yīng)用。S08QD4緊7#的8針腳封裝中實(shí)現(xiàn)了高度的集成和 5V電壓支持，使它非常適合那 些需要更高電壓的成本敏感

2、型應(yīng)用。車內(nèi)應(yīng)用包括HVACM震器、后視鏡防眩系統(tǒng)、制動(dòng)器、傳感器/儀表、看門狗、按鈕控制和其他一些入門級(jí)、通用的汽車 應(yīng)用。S08QD MCU系列集成了一個(gè)4信道、10位模數(shù)控制器（ADC ,旨在實(shí)現(xiàn)更 高的分辨率、更快的轉(zhuǎn)換速度和自動(dòng)比較功能。通過將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值， ADO MCUft夠輕松地從器件（如傳感器）中與模擬輸入連接。自動(dòng)比較功能允 許MCU+算數(shù)值并執(zhí)行與預(yù)先設(shè)定的閾值的比較。止匕外，S08QD3S包括內(nèi)部時(shí)鐘脈沖源（ICS）模塊，該模塊內(nèi)置一個(gè)由內(nèi)部 和外部參考控制的鎖頻環(huán)（FLL）。內(nèi)部參考時(shí)鐘消除了所有外部時(shí)鐘組件成本， 這有助于減小板卡空間、提高系統(tǒng)可靠性。飛思卡

3、爾汽車微控制器運(yùn)營(yíng)總監(jiān) Ray Cornyn表示：”通過提供一系列高性 價(jià)比選件，我們希望繼續(xù)擴(kuò)大飛思卡爾的汽車 MCU"品系列。在當(dāng)今激烈競(jìng)爭(zhēng)的 市場(chǎng)中，S08Q陳列在4 KB閃存水平上提供了更多功能，同時(shí)以更具吸引人的 價(jià)格為入門級(jí)汽車應(yīng)用的設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性?！盨08QD系列在飛思卡爾的8位MCU"品系列中提供了強(qiáng)大的支持環(huán)境和兼容 針腳的移植路徑。S08Q必SG和EL MCU8列是針腳兼容的。共用的外圍設(shè)備和 一套通用的開發(fā)工具使工程師能夠輕松、快速地利用他們的設(shè)計(jì)投資。S08Q晾列的特性* 16 MHz HCS0中央處理器* 帶有增加的后臺(tái)（BGND指令的HC

4、08t令集* 高達(dá)4 KB的閃存* 高達(dá)256B的RAM* 閃存讀取/編程/擦除功能，支持所有運(yùn)行電壓或溫度* 4信道，10位ADC* 雙16位片上計(jì)時(shí)器* 內(nèi)部時(shí)鐘振蕩器* 單線后臺(tái)調(diào)試接口* 8針腳窄體SOIC封裝加快系統(tǒng)開發(fā)為了幫助客戶加快和簡(jiǎn)化開發(fā)，飛思卡爾向客戶免費(fèi)贈(zèng)送 CodeWarrior Dev elopment Studio 專用版，該專用版專門針對(duì) S08核心MCU（如S08Q晾列）進(jìn) 行了優(yōu)化。CodeWarrior Development Studio 包含在 DEMO9s08QDS板中，客戶也可以在線免費(fèi)下載。該軟件的作用已遠(yuǎn)非基本代碼生成和調(diào)試那么簡(jiǎn)單了， 現(xiàn)在可以

5、幫助設(shè)計(jì)人員從打開產(chǎn)品包裝的那一刻起就簡(jiǎn)化應(yīng)用設(shè)計(jì)。它具有直觀、先進(jìn)的項(xiàng)目管理器和構(gòu)建系統(tǒng)、高度優(yōu)化的編譯器、圖形式源碼級(jí)調(diào)試器、集成 的配置功能、全芯片模擬器以及更多其他組件。定價(jià)和供貨信息S08QD（列器件現(xiàn)在已經(jīng)投入批量生產(chǎn)，一萬件批量的建議零售價(jià)為74美分。S08QD（列的開發(fā)工具包包括 DEMO9s08Q麗板，建議零售價(jià)為59美元。 該工具包還包括免費(fèi)贈(zèng)送的 CodeWarrior Development Studio for Microcont rollers v6.0專用版，專用版能夠支持具有全面開發(fā)功能的QD4 QD臻歹1J。CodeWarrior v6.0 標(biāo)準(zhǔn)版的零售價(jià)為2

6、394美元，專業(yè)版的零售價(jià)為 4794美元。瑞薩MCUfc汽車儀表及CAN/LIN應(yīng)用中的解決方案汽車儀表解決方案儀表MCU勺特點(diǎn)分以下幾個(gè)方面：1 .內(nèi)嵌步進(jìn)電機(jī)PWM6制器:可直接控制和驅(qū)動(dòng)4-6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，無需外驅(qū)動(dòng) 器IC,因此可以節(jié)省成本和布局空間，具有優(yōu)良的EMI/EMC生能；2 .內(nèi)嵌LCD控制器:28/32段X 4公共引腳，可以直接控制LCD同樣無需外置 驅(qū)動(dòng)器IC,因此可以節(jié)省成本和布局空間，具有優(yōu)良的 EMI/EMC生能；3 .高速CPU單指令周期，20 MHZ勺H8s最小指令執(zhí)行時(shí)間為50ns,而40 MHz 的H8SXR小指令執(zhí)行時(shí)間是25ns；4 .強(qiáng)大的定時(shí)器：片上

7、16位定時(shí)器脈沖單元有三個(gè)16位定時(shí)器通道，包括輸 入捕捉、輸出比較、PWM口相位計(jì)算。H8S/228X 特殊模塊的基本功能，包括三個(gè)部分：定時(shí)器脈沖單元（ TPU;步進(jìn)電機(jī)PWMI制器和LCD空制器。TPU是由3個(gè)16位定時(shí)器通道組成，包括最多8個(gè)脈沖輸入/輸出，可以為 每個(gè)通道設(shè)置：比較匹配的波形輸出；輸入捕捉功能；計(jì)數(shù)器清零操作；同步運(yùn) 行；定時(shí)器計(jì)數(shù)器能夠同時(shí)寫入；可以比較匹配與輸入捕捉同時(shí)清零；利用同步 計(jì)數(shù)器操作實(shí)現(xiàn)寄存器同時(shí)輸入/輸出；與同步運(yùn)行結(jié)合的最大7相位PW輸出。步進(jìn)電機(jī)PWMJ能包括：最大16個(gè)脈沖輸出，其中兩個(gè)10位PWMB道，每 個(gè)通道有8個(gè)輸出，可以直接獨(dú)立控制4

8、個(gè)步進(jìn)電機(jī)；0晚100%空比；5個(gè)操 作時(shí)鐘；可以通過16位總線接口進(jìn)行高速訪問；兩個(gè)中斷源；可以設(shè)置模塊停 止模式。對(duì)于LCD空制器/驅(qū)動(dòng)器，具重要功能有：28/32段X4公共引腳；段輸出引 腳可用作11個(gè)幀頻的4組端口選擇；A或B波形可以用軟件進(jìn)行選擇；內(nèi)置 里 遮分離電阻；除了待機(jī)模式和模塊停止模式外，還有操作模式顯示。儀表盤應(yīng)用解決方案1.微步進(jìn)電機(jī)解決方案微步進(jìn)電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但具有高可靠性，且無需維護(hù)、無需反饋元 件。但是經(jīng)常在低速率時(shí)出現(xiàn)共振效應(yīng)，而且隨著速度增加轉(zhuǎn)矩會(huì)降低。圖 1 顯示了 VID步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中左邊是轉(zhuǎn)子，中間是齒輪，右邊是電機(jī)輸 出。5* I喃*

9、 J l和Gm >Moioi Output9ARo I ui2.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式有分步驅(qū)動(dòng)模式和微步驅(qū)動(dòng)模式。圖2所示的是分步驅(qū)動(dòng)的時(shí)序圖，可以看到一個(gè)周期由六步組成，脈沖序列從左向右時(shí)，指針順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，如果脈沖序列從右向左時(shí)指針逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 3所示的是微步驅(qū)動(dòng)模式時(shí)序圖，其中藍(lán)色線代表左線圈的電流，紅色線代表右線圈的電流。一個(gè)周期共有24個(gè)微步組成，線圈上的電流波形近似于正弦波型C rW liMr hfl mlCvfiWBt B * Ml 0比，nF瑞薩儀表盤解決方案圖4所示的是瑞薩H8S/228X儀表盤解決方案框圖，其中左邊的是電壓輸入, 包括燃料、溫度等等；

10、還有脈沖輸入，包括轉(zhuǎn)速表和速度，框圖中給出了各個(gè)功 能模塊。圖的右邊是4步進(jìn)電機(jī)、PWMS光器、CAN?口 LCD| f健鐘圖5所示為H8SX/1544儀表盤解決方案的框圖?？驁D的左邊是電壓輸入，包 括燃料、溫度等；還有脈沖輸入，包括轉(zhuǎn)速表和速度、E2PROMP PG框圖給出了各個(gè)功能模塊；圖的右邊是 4步進(jìn)電機(jī)、揚(yáng)聲器、2步進(jìn)電機(jī)、PWMB光器、 CAN1 CAN2B LCDH8S/228X的開發(fā)工具軟件包括編譯器、匯編程序和連接程序，還有調(diào)試器 和模擬器；硬件包括仿真器、JTAG©真器、評(píng)估板和CPU8。HEW是瑞薩自主開發(fā)、支持自己 MCU勺開發(fā)環(huán)境，功能包括：代碼和調(diào)試支 持

11、，全面的仿真能力，自動(dòng)產(chǎn)生啟動(dòng)代碼，帶有彩色鍵盤功能的集成編輯器，根 據(jù)功能可以利用圖形顯示執(zhí)行周期數(shù)，全面的斷點(diǎn)功能，可視調(diào)試功能，包括圖形和波形顯示，并且可集成的第三方工具E6000仿真器具有零等待狀態(tài)實(shí)時(shí)仿真功能，它具有 256個(gè)PC斷點(diǎn)，總時(shí) 間或相關(guān)執(zhí)行時(shí)間的分辨率可以達(dá)到 20ns至16us；此外還有多種目標(biāo)時(shí)鐘可以 選擇。瑞薩CAN/LIN車身解決方案車身模塊共包括八個(gè)部分：中央車身控制器/網(wǎng)關(guān)（BCM CEM、包括車門模 塊、柱式集成模塊（CIM; MRSM加熱、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC、座椅模塊（SCS、 前燈、雨刷以及無鑰門禁。M16C8列車身平臺(tái)有三個(gè)系列：32位的M32以構(gòu)

12、模 塊、16位的M16O構(gòu)模塊，還有8位的R8c架構(gòu)模塊。這些系列引腳兼容，軟 硬件兼容，外設(shè)兼容。瑞薩的車身低端 MCUF品包括16位MCU 20至32MHz 20引腳 至IJ 100引腳。針對(duì) 中國(guó)市場(chǎng) 推廣R8C/20/21/22/23;R8C/28/29;M16C/28/29。高/中端車身高 MCU品包括16/32位MCU 1到4個(gè) CAN修圖£ 車身塢貳R8C/Tiny系列的產(chǎn)品命名為 M16cg列代表（M16CCF臺(tái)）；CPI® R8c產(chǎn)品 命名：R8C/Tiny ,其中R代表瑞薩，8代表內(nèi)部外設(shè)總線寬度（CPU 16位），C 代表小型（沿用M16CC列命名），

13、/代表沿用M16CC列命名，Tiny代表最少引 腳的單片機(jī)和片卜小型閃存。用于R&C/22組、R&C/23組MCU勺CAN控制局域網(wǎng)絡(luò)）模塊是一個(gè)執(zhí)行CAN 2.0B協(xié)議的通信控制器。R&C/22組、R&C/23組包含一個(gè)完整CAN奠塊，可以發(fā) 送和接收 地隹（11位）ID和擴(kuò)展（29位）ID格式的信息。硬彳LIN的主節(jié)點(diǎn)模式具有：產(chǎn)生同步中斷、檢測(cè)總線沖突的功能；從節(jié)點(diǎn) 模式具有檢測(cè)同步中斷、測(cè)量同步場(chǎng)、控制輸入到 UART0勺同步中斷和同步場(chǎng)信號(hào)、檢測(cè)總線沖突的功能。圖7所示白是CAN/LIN解決方案，共有3個(gè)CANfff點(diǎn)。CAN FUdelGA'

14、NCAH Ni>d<3CANLCANM瑞薩為中國(guó)汽車電子應(yīng)用市場(chǎng)提供最佳MC野口解決方案瑞薩的汽車用MCU瑞薩的汽車用MCUE有25年以上的歷史，在世界汽車用 MCUfr占有20%認(rèn) 上的市場(chǎng)份額。瑞薩的汽車用 MClM Bosch、Continental、Delphi、TRW Aisi n和Denso等世界主要的汽車電子制造商所采用。這些汽車電子制造商的產(chǎn)品又 被世界上的眾多汽車制造商所采用。 對(duì)汽車來說，質(zhì)量和性能最為重要，汽車制 造商、汽車電子制造商對(duì)瑞薩的汽車用 MCUT具備的高質(zhì)量、高性能給予了很高 的評(píng)價(jià)。由于取得了這些實(shí)際成績(jī)，瑞薩又從當(dāng)時(shí)尚未使用瑞薩產(chǎn)品的汽車電子

15、制造商那里獲得了許多貿(mào)易合同，這些汽車電子制造商正在使用瑞薩的汽車用MCU!行汽車電子產(chǎn)品的開發(fā)。下面將介紹應(yīng)用于32位MCU勺新產(chǎn)品的解決方案。多核技術(shù)最終決定汽車“智能”的是MClf口 MPU勺基本Tt能。PC和服務(wù)器的MPU勺 消耗功率隨著CPU的高速化而增加并達(dá)到極限，雖然向多核化發(fā)展的向量變了， 但這對(duì)于汽車用的高端 MClf口 MPUS是一樣的。汽車用MCU勺使用環(huán)境很嚴(yán)苛， 需要在高溫下工作。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU1初置于車廂內(nèi)，而現(xiàn)在被安裝到發(fā)動(dòng)機(jī) 艙中，要在溫度為125 C的環(huán)境下工作。所以，必須把它的發(fā)熱量控制到比PC等小得多。頻率自然是有上限的，在壓低頻率的同時(shí)又使性能提高的

16、方法就是多 核技術(shù)。瑞薩對(duì)控制器和處理器分別采用 SH-2A和SH-4A兩個(gè)多核化方法來開發(fā) 新產(chǎn)品。圖1 Multi-Core 在汽車電子中的應(yīng)用形式另一個(gè)與PC的不同之處是在汽車用MClf口 MPU, PC那樣的對(duì)稱多處理S MP (Symmetric Multi-Processing)還不能滿足全部的必要條件。圖 1是多核技術(shù)在汽車電子中的一般應(yīng)用形式。發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱控制、剎車和轉(zhuǎn)向控制、車輛協(xié)調(diào)、多媒體等各自所需的多核形式和處理方式與圖1所示的有所不同。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱控制采取雙核方式時(shí)，要作為兩個(gè)互不干預(yù)的實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)行 工作，就應(yīng)當(dāng)采用不對(duì)稱多處理 AMP(Asymmetri

17、c Multi-Processing)。任務(wù)的 分配采取程序指定方式。另外，趨向于by-wire方式的剎車和轉(zhuǎn)向控制要使二個(gè) 內(nèi)核完全相同地工作，以保證系統(tǒng)的冗余性。這就必需采取能夠?qū)Χ€(gè)內(nèi)核的工 作狀況進(jìn)行比較監(jiān)視的結(jié)構(gòu)形式。為此，瑞薩在剎車和轉(zhuǎn)向控制用MCU勺SH-2A 內(nèi)增添了 Lock-Step Dual功能。這種功能如圖2所示，它在經(jīng)常對(duì)2個(gè)CPU勺 工作狀況進(jìn)行比較的同時(shí)，還雙工地對(duì)DMA空制器和外圍用總線橋的工作狀況進(jìn) 行比較監(jiān)視。圖 2 SH-2A Lock-Step Dual 功能發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱控制汽車的尾氣排放是造成空氣污染和地球變暖等的原因之一。因此，汽車產(chǎn)業(yè)一直在為盡量

18、減少并凈化所排放的尾氣而努力。減少尾氣排放的最主要方法是使 燃料高效地轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動(dòng)力，傳送給車輪。用更少的燃料得到更大的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力， 就可以節(jié)省燃料費(fèi)用。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，必須要有精度高的動(dòng)力系。動(dòng)力系由 發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、變速箱、差動(dòng)齒輪和驅(qū)動(dòng)軸等構(gòu)成，發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱用ECU進(jìn)行電子式的控制。為了進(jìn)行復(fù)雜的控制需要高速執(zhí)行大規(guī)模的控制算法，ECU必需能夠高速工作，并且內(nèi)置大容量快速擦寫存儲(chǔ)器的微型計(jì)算機(jī)。而且，近來要求ECUft用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制時(shí)，要安裝到高溫的發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)；而在用于變速箱控 制時(shí)，要安裝到高溫的潤(rùn)滑油中。都必須能夠在125c條件下穩(wěn)定工作。瑞薩以前供應(yīng)的內(nèi)置有SH-2E的SH705

19、x系列已被許多汽車制造商使用。 現(xiàn)在則供應(yīng)內(nèi)置有SH-2A（是比SH-2E更高檔次的內(nèi)核）的SH725xx系列，正被許 多汽車電子制造商用于新產(chǎn)品開發(fā)，預(yù)計(jì)今年到明年就會(huì)開始應(yīng)用于實(shí)際運(yùn)行的 汽車上?，F(xiàn)在檔次最高的是 SH72544R©產(chǎn)品，它的工作頻率為200 MHz,內(nèi)置 有2.5 MB的Flash存儲(chǔ)器、具備128 KB數(shù)據(jù)保存用EEPROM能的Flash存儲(chǔ) 器、128 KB SRAM用于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)控制的高性能定時(shí)器ATU-III、3通道CAN可應(yīng)用于未來的發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的電子控制。Flash MCU首次采用90 nm工藝，提高了工作頻率，并且擴(kuò)大了內(nèi)置 Flash存儲(chǔ)器的容

20、量。今后，動(dòng)力系電子控制的復(fù)雜性將提高得越來越快。為了適應(yīng)這一趨勢(shì)，可以采用安裝有2個(gè)SH-2A的多核SH-2A-Dual來實(shí)現(xiàn)高性能化。圖形儀表板汽車的儀表板上安裝有各種儀表和顯示器， 還有對(duì)駕駛員起警示作用的警示 燈和報(bào)警蜂鳴器。以前是使用機(jī)械式的速度計(jì)、燃料存量表和里程表，而現(xiàn)在的 儀表板大都是用步進(jìn)馬達(dá)和LCD構(gòu)成。最近，更有中、高檔車裝上了在大型 LCD 上顯示汽車診斷信息、安全信息等內(nèi)容的儀表板?，F(xiàn)在人們關(guān)注的是能夠顯示更多信息的圖形儀表板。圖形儀表板可以分為兩 類，一類是在原有采用步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的儀表上增加TFT-LCD圖形顯示的儀表板，另一類是不使用儀表那樣的可動(dòng)零部件，而所有內(nèi)

21、容都用大型TFT-LCD圖形儀表 板顯示。同時(shí)使用儀表和TFT-LCD勺圖形儀表板應(yīng)選擇彳/T格不太高的中型 QVGA? WQ VGAt寸的TFT-LCD TFT-LCD上顯示駕駛員容易看清的汽車診斷信息、安全信 息的同時(shí)，又可以利用軟件切換顯示汽車倒退時(shí)拍攝到的后方圖像，還可以用箭頭表示目的地的方向，提供簡(jiǎn)易型導(dǎo)航功能，所以它可以提高駕駛員的辨別能力， 明顯改善安全性。在歐洲，各汽車制造商已經(jīng)做了計(jì)劃，不僅僅限于高檔車，中 檔車也要使用這種儀表板。制造這種儀表板必需采用高速處理技術(shù)， 要使用速度 為100 MHz以上的32位微型機(jī)。瑞薩為該應(yīng)用提供了 32位微型機(jī)SH726牙口 SH 726

22、4,現(xiàn)在正在供應(yīng)樣品，并且將于今年 5月開始生產(chǎn)。由于內(nèi)置有144 MHz 32位SH-2A CPU圖形與視頻顯示用的視頻顯示控制器和視頻輸入端口、能夠雙面保持 WVGA480X240像素）TFT-LCD用幀緩沖器的1 MB SRAM?,因此可以 大大減少外接元器件。SH7262a然沒有內(nèi)置控制步進(jìn)電機(jī)的 PW延時(shí)器，但與 驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的廉價(jià)儀表板用 MCUfi合，就可以構(gòu)成多種功能各異的儀表板。S H7264內(nèi)置有4個(gè)控制步進(jìn)電機(jī)的PWMt時(shí)器，所以用一個(gè)就能構(gòu)成完整的儀表 板。使用SH7264的圖形儀表板的一個(gè)構(gòu)想如圖3所示，可以看到它的外接元器 件很少。還有使用SH7264的儀表板演示系

23、統(tǒng)，為了便于用戶進(jìn)行開發(fā)，提供儀 表板演示軟件、圖像資料庫，將位映像數(shù)據(jù)變換為RGB俞出的轉(zhuǎn)換器等的軟件。圖3使用SH7264的圖形儀表板的一個(gè)構(gòu)想完整的圖形儀表板的TFT-LCD和控制電路價(jià)格高昂，估計(jì)還要過一些時(shí)候才會(huì)有 更多的汽車安裝使用它。網(wǎng)間連接器現(xiàn)在的汽車有車身控制、安全（氣囊）、動(dòng)力系、多媒體子系統(tǒng)及多個(gè)用于故障 診斷的網(wǎng)絡(luò)在工作，目前這些子系統(tǒng)主要使用 CAN!接。而且，今后隨著通信量 的不斷增加，要采取既能提高 CAN勺波特率又可以增加通道數(shù)的辦法。因此，向更高速的10 Mb/s FlexRay演進(jìn)是汽車網(wǎng)絡(luò)未來的主要發(fā)展方向。 但是，汽車網(wǎng)絡(luò)要有極高的可靠性，必需進(jìn)行各種各樣的技術(shù)評(píng)價(jià)。就目前來說，