资深工程师经验:选择汽车MCU的十大考虑因素

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demi 发布于:周四, 11/14/2019 - 09:43 ,关键词:

在汽车应用中,微控制器(MCU)提供着至关重要的性能。随着价格的降低及整固的增加等原因,MCU也逐渐走向商品化。但是对于不同的MCU来说,仍存在很大的差异,因此如何选择合适的汽车MCU以降低成本而不影响所需的性能也变得尤为重要。

微控制器(MCU)在从电机控制,到信息娱乐系统和车身控制等越来越宽泛的汽车应用中提供至关重要的性能。随着价格的下降和整固的增加,微控制器正变得越来越普及,这意味着MCU被越来越多地视为商品。尽管存在这种商品化趋势,汽车系统设计工程师仍然认为不同的控制器会有很大的差异,包括各种级别的集成度和功率要求。选择MCU通常可以缩减材料成本(BOM),从而有效地降低电子控制单元(ECU)本身的价格。

选择汽车MCU时,设计工程师可以考虑以下10个重要因素,实现成本压力与应用所需的特定性能特色之间的平衡。

1.低压检测

MCU工作时的故障风险之一是在临界点时电源电压或MCU内部电压可能降至所需电平以下。显然,如果工作电压无法保证,而超出了推荐电源电压之外的话,这就会引发故障。

传统系统采用外部电压监测IC来检查电压。不过,这个功能可以通过一个既监测MCU内部电压,又监测外部电源电压电平的内部区块整合到MCU中。如图1所示,当电压降至预设的阈值以下时,MCU会自动重置。阈值电平可以从一组预先设定值(7个)中进行选择,富士通的最新MCU产品就是这样。这种方法可以从BOM中去掉外部元器件,从而降低成本。


图1:低压检测和自动重置

2.看门狗计时器

要考虑的另一个重要功能是看门狗计时器(WDT),这种计时器有助于从“失控的微处理器”或“杂乱状况下的处理器”等故障情况中恢复。该模块一旦检测到MCU处于无响应状态就会重置MCU。过去,嵌入式系统采用外部IC来执行此功能,不过,可以在MCU中整合多个看门狗计时器。例如,一个计时器可以作为CPU操作系统时钟外部的独立时钟工作。此计时器将基于较慢的CR时钟,适合作为MCU的硬件看门狗使用,或者用于较长的软件循环从而防止出现失控状况。另一个计时器可以基于较快的外围时钟。理论上,当计时器可能由于某些错误状况而反馈过快时,看门狗计时器会支持窗口功能,此时也会重置MCU。


图2:内置看门狗计时器

3.专用NV存储器

与看门狗计时器一样,EEPROM历来都是MCU的外部器件。不过,也有可能通过采用专用ROM将这类存储装置变成内部器件。提高稳定性和采用纠错机制可以进一步增强内置EEPROM。

将EEPROM整合到内部的高级方法是采用具有双重操作功能的闪存。闪存存储库的一部分可以进行读取,而另一部分库则可以进行编程,通过单个闪存模块来实现EEPROM。另一种方法是实现两个闪存模块,不过这种方法的开销会比双重操作闪存的开销大。比如,富士通MCU具有高达100,000擦除/编程周期的高可靠性EEPROM方案。这些MCU还支持ECC,可将数据保留长达20年之久。现在,用来将闪存控制为EEPROM功能的商用级软件已经开始供货。

4.汽车接地

由于电子控制单元定位方式的原因,汽车环境中的电气连接确实非常长。汽车系统包含许多ECU和汲取相对较大电流的其他装置。因此,除了ECU本身产生的寄生噪声之外,电气接地电平往往不理想,可能会在一定范围内漂移。


图3:漂移的汽车接地

根据这样的接地情况进行MCU设计会提高鲁棒性和故障安全等级。高级MCU往往是根据汽车情况针对标准化VIL进行设计的。由于“浮地”有助于防止出错,从而提高了ECU品质。

5.Vbat电平直接输入

汽车系统中的某些ECU可以处理电池电平电压周围的I/O信号。对于基于CMOS设计的半导体,I/O信号是VCC电平的最大值,一般在3V至5V范围内。因此,需要转换器器进行电压电平转换。某些情况下,可以实现电压保护,从而允许高压信号通过限流电阻直接相连。富士通MCU的设计通过一个内部保护二极管和一个外部限流器来支持此功能。此方法可以减少PCB上所需的元器件数,从而进一步降低成本。


图4:直接输入Vbat电平信号

6.终端功能重定位

在对引脚数相当大的IC进行PCB布局时尽可能保持最小的层数往往很有挑战。PCB上的外围元器件无法总是根据MCU的引脚分布进行理想的定位。有时,如果MCU具有将其内部模块重定位至另外一组引脚的内置灵活性的话就会很有用。这可以通过软件设置来实现。这种能力可以提高PCB布局过程中的灵活性。


图5:IO终端重定位

7.ADC辅助功能

模数转换器(ADC)一直以来都是嵌入式系统的一个基本功能块。ADC可将信号从模拟域转换至数字域,从而使得能够访问来自模拟域的信息。

可以根据具体的应用修改ADC功能块基于ADC功能块对MCU进行区分。这种增强可以区分整个MCU封装。比如,ADC模块可以在硬件中支持范围比较器和脉冲检测功能。这些功能对于仪表板中的步进电机控制等应用、电源监测和传感器应用非常有用。ADC可以处理来自步进电机线圈的输入信号,以执行零点检测(ZPD)。在硬件中完成处理任务时,CPU可以在其它地方使用其MIPS。

8.LIN硬件辅助功能

本地互连网络(LIN)是一种成本低廉的低速通信技术,该技术在车身应用中得到了广泛的应用。通过LIN总线可实现自动帧头的传输和检测、通信测试功能、变量中断长度生成、以及硬件中的校验和生成和验证等功能。因此,使用LIN总线有助于增强MCU性能。此方法用于其他地方时有助于节省CPU的MIPS。

9.ZPD增强

对于仪表板应用而言,ECU采用零点检测(ZPD)来确定指针何时到达终点以便停止步进电机。此功能要求步进电机控制器(SMC)读取和评估电机线圈中的电压信号(也称为“反电动势”),从而进行检测。增加硬件支持可以增强SMC,从而进行电压评估,这样,实现ZPD就无需任何外部元器件。此外,大多数反电动势评估也可以采用硬件机制来进行。(在这方面,上文中提到的ADC范围比较器和脉冲检测功能比较有用。)此外,此方法只需要最小的CPU使用率

10.位置和转数计

以硬件区块的形式提供四位置和转数计(QPRC)功能十分有利。这样,用户就可以在音频和导航应用中实现飞梭(jog-dial)功能。此模块可以控制旋转程度和方向,确定旋转速度。从理论上讲,这可以通过在MCU中采用标准输入捕获单元来实现。不过,实现专门用于这些任务的专用硬件模块可使CPU节约资源,从而实现系统内更好的任务分配和简化的软件包。

选择最佳供应商

选择汽车MCU时还要考虑一个关键因素:找一家历史悠久、市场份额较大的公司。还需要考虑供应商能否提供针对五花八门的汽车应用的各种MCU,包括车身、电源轨和车载信息系统。找一条包含基于经过业界验证、专有CPU和标准ARM架构的16位和32位MCU的汽车产品线。

总之,尽管汽车微控制器出现商品化发展趋势,MCU仍能提供能够提高系统性能,但不一定会增加成本的各种不同的特殊功能。细心选择汽车MCU可以大幅提高以高成本效益,实现最终产品差异化的潜力。选择一家信誉可靠、产品多样、具有强大支持的MCU供应商会让MCU设计过程变得更简单、更高效。

来源:21ic电子网

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