在汽車電子的各個系統(tǒng)當中，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)在汽車中的應用越來越復雜，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)達國家汽車電子的平均成本達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)部電子設備的可靠性要求要遠高于一般性電子產(chǎn)品。因此汽車電子所用的MCU與一般性產(chǎn)品的結構差異雖然并不很大，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

　　技術特性需求：

　　隨著今日汽車對應用功能的要求愈來愈高，需整合的系統(tǒng)也愈來愈復雜，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、電子干擾嚴重的運作環(huán)境，因此對耐受性的要求遠高于一般用途的MCU。此外，在汽車的應用環(huán)境中，車用MCU必須與多個車用電子控制裝置（ECU）相連結，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的傳輸率可以達到1 Mbps，適用于ABS、EMS等強調(diào)實時反應的應用；低速CAN則可達到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、標準型的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 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鍵性的應用，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;FullCAN適合引擎管理系統(tǒng);cCAN則適合高端的網(wǎng)關和動力傳動控制。

　　ST不同的CAN控制器的緩存及接收過濾器數(shù)量

　　LIN（Local Interconnect Network）總線是一種結構簡單、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)絡或子網(wǎng)絡。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)絡線束、降低成本、提高網(wǎng)絡通訊效率和可靠性。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）等分布式通訊應用。

　　LIN的應用領域

　　網(wǎng)關控制器

　　車內(nèi)網(wǎng)關控制器（Gateway）的作用是車內(nèi)電子系統(tǒng)中不同網(wǎng)絡的通訊樞紐，使分布在車身內(nèi)的各個單元可實現(xiàn)溝通。網(wǎng)關一般包括總線收發(fā)器、穩(wěn)壓器（Regulator），以及支持多種網(wǎng)絡協(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)關控制器設計上比較靈活，一般廠家會依據(jù)自己的需求而定制。針對不同的應用，其可以集成在車身控制單元或儀表組件等設備當中，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，已逐漸成為目前設計的主流。由于嵌入內(nèi)存而使MCU無需與外部組件進行高速串連，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提升設計彈性

　　數(shù)字信號處理（DSP）技術是當今高科技數(shù)碼產(chǎn)業(yè)的技術基礎。從MP3隨身聽到航空航天等的高技術應用，DSP技術無所處不在并增長迅速。在汽車電子系統(tǒng)設計中，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行功能改進和升級。此外，DSP與處理器（ARM、PowerPC等）相結合可實現(xiàn)多任務分工處理，例如可把關鍵的控制功能交由處理器完成，而讓DSP專職進行運算方面的工作，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)架構下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例，它的工作性能達到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)絡節(jié)點處理能力

　　今日汽車中的CAN網(wǎng)絡內(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？

　　在汽車應用中，微控制器（MCU）提供著至關重要的性能。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用中提供至關重要的性能。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)設計工程師仍然認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通常可以縮減材料成本（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，設計工程師可以考慮以下重要因素，實現(xiàn)成本壓力與應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，當電壓降至預設的閾值以下時，MCU會自動重置。閾值電平可以從一組預先設定值（7個）中進行選擇。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。該模塊一旦檢測到MCU處于無響應狀態(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行讀取，而另一部分庫則可以進行編程，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)這樣的接地情況進行MCU設計會提高魯棒性和故障安全等級。高級MCU往往是根據(jù)汽車情況針對標準化VIL進行設計的。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設計的半導體，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)換器器進行電壓電平轉(zhuǎn)換。某些情況下，可以實現(xiàn)電壓保護，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)相當大的IC進行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)具體的應用修改ADC功能塊基于ADC功能塊對MCU進行區(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電機控制等應用、電源監(jiān)測和傳感器應用非常有用。ADC可以處理來自步進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（LIN）是一種成本低廉的低速通信技術，該技術在車身應用中得到了廣泛的應用。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

　　對于儀表板應用而言，ECU采用零點檢測（ZPD）來確定指針何時到達終點以便停止步進電機。此功能要求步進電機控制器（SMC）讀取和評估電機線圈中的電壓信號（也稱為“反電動勢”），從而進行檢測。增加硬件支持可以增強SMC，從而進行電壓評估，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航應用中實現(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中采用標準輸入捕獲單元來實現(xiàn)。不過，實現(xiàn)專門用于這些任務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)更好的任務分配和簡化的軟件包。

　　車用MCU的應用：

　　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用于風扇、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備，主要應用場合為引擎控制動、離合器控制、底盤機構和懸掛、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在汽車電子領域主要用于預碰撞（Pre-crash）模塊、自適應巡航控制（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，再加上成熟的技術促使成本進一步降低，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可，仍然存在其適當?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)等關鍵性應用上仍以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：主要應用于車體的各個次系統(tǒng)，包括風扇控制、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)，如預碰撞（Pre- crash）、自適應巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統(tǒng)、電子穩(wěn)定程序等安全功能，以及復雜的X-by-wire等傳動功能。