今天競爭激烈的汽車市場要求車輛能夠提供卓越的駕駛特性，吝嗇的油耗以及最新的舒適功能和便利性，例如帶記憶功能的座椅系統(tǒng)，無鑰匙進入，集成導航以及駕駛員輔助。幸運的是，制造商可以滿足那些由嵌入式微控制器(MCU)提供的智能提供的需求，這使他們能夠在中檔甚至經(jīng)濟模型中提供先進的功能。

汽車環(huán)境帶來了許多挑戰(zhàn)。設備必須滿足嚴格的安全性和可靠性標準。它們必須在很寬的溫度范圍內(nèi)(通常為-40°C至125°C)保持穩(wěn)定，提供靜電放電(ESD)保護和低電磁干擾(EMI)?，F(xiàn)代的線控駕駛車輛要求設備與各種協(xié)議兼容，包括控制器局域網(wǎng)(CAN)總線和本地互連網(wǎng)絡(LIN)標準。

汽車領域MCU的兩個關鍵活動領域包括車身電子和網(wǎng)關模塊。車身電子設備包括HVAC，照明(內(nèi)部和外部)，座椅定位，鏡子調(diào)節(jié)以及安全/安全功能，如無鑰匙進入，防盜裝置和胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。這些任務中的許多任務，例如在客艙中保持設定溫度，在幾分鐘而不是幾微秒的時間尺度上運行。因此，像Silicon Labs Inc.的C8051F52xA和C8051F53xA這樣的8位MCU可以提供有效而經(jīng)濟的解決方案，尤其適用于廉價車輛。

符合汽車電子協(xié)會標準AEC-Q100的汽車應用要求，C8051F5xxA系列采用25 MIPS 8051 CPU，以及可編程24.5 MHz內(nèi)部振蕩器，在以下工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定在±0.5%以內(nèi) - 在40°C至+ 125°C。 (圖1)。這些器件包括8 kB的片上閃存和256字節(jié)的片上RAM。一系列集成功能，包括可編程比較器，電壓調(diào)節(jié)器和片上溫度傳感器，可降低成本和設計復雜性，同時加快產(chǎn)品上市時間。兩個芯片的I/O端口數(shù)量不同，C8051F52xA提供多達16個I/O端口，C8051F53xA提供26個。

圖1： 8位C8051F5xxA系列微控制器具有集成的可編程比較器，穩(wěn)壓器和片內(nèi)溫度傳感器，可簡化設計。 (由Silicon Labs Inc.提供)

在當今高度網(wǎng)絡化的車輛中，系統(tǒng)級通信至關重要。 C8051F5xxA系列擁有專用的LIN 2.0控制器，可處理電源窗等功能的低優(yōu)先級單向數(shù)據(jù)傳輸。同時，控制器可以通過車輛的CAN網(wǎng)絡與其他子系統(tǒng)連接。

32位解決方案

傳動控制等動力總成應用需要更高的處理速度和更強大的功能。在這里，像Atmel公司的AT32UC3C系列這樣的32位MCU可以提供有效的解決方案。 AT32UC3C基于AVR32UC RISC處理器，由一個完整的片上系統(tǒng)微控制器組成，提供1.49 DMIPS/MHz，速度高達66 MHz。它具有高達512 kB的片上閃存和高達64 kB的片上SRAM。數(shù)據(jù)接口旨在最大限度地提高速度并最大限度地減少延遲(圖2)。

圖2：AVR32UC CPU包括三個高速存儲器接口：一個高速總線主控器，每個用于取指令和數(shù)據(jù)訪問，另外還有一個高速總線從器件，允許總線主控器訪問CPU內(nèi)部的RAM。片上RAM可最大限度地減少延遲。 (由Atmel公司提供)

該器件具有多種外設，包括16通道，12位模數(shù)轉換器和4通道12位數(shù)模轉換器。雖然外圍設備構成了MCU的關鍵優(yōu)勢，但管理它們可占據(jù)相當大比例的CPU，更不用說引入抖動和延遲。為了解決這些問題，AT32UC3C將外圍設備與內(nèi)部通信結構連接起來。該方法允許芯片將事件從一個外設重定向到另一個外設或從輸入引腳重定向到外設。因此，它可以觸發(fā)基于脈沖寬度調(diào)制(PWM)波形的ADC捕獲等操作，無需CPU干預，從而降低了計算開銷并最大限度地減少了延遲。類似地，存儲器直接存儲器存取控制器(MDMA)和外圍直接存儲器存取控制器(PDCA)控制器可以分別在存儲器位置之間或存儲器位置和外圍設備之間傳遞數(shù)據(jù)，而無需處理器的幫助。該方法釋放CPU以運行應用程序或切換到空閑模式，從而節(jié)省電力。

汽車安全的高性能

汽車應用必須達到最高的可靠性標準。為了保護車輛和操作員，AT32UC3C監(jiān)控其主時鐘。如果它檢測到故障，它會切換到本地115 kHz RC振蕩器，該振蕩器既可以作為常規(guī)操作的備份，也可以支持關機過程?？撮T狗定時器提供額外的安全級別，允許系統(tǒng)在啟動期間監(jiān)控性能以確保正常運行。這些定時器通常通過軟件運行，這會增加在應用程序代碼損壞的情況下它們可能無法提供故障安全中斷的威脅。為了防止這種類型的故障，例如檢測系統(tǒng)是否陷入循環(huán)，AT32UC3C包含一個窗口看門狗定時器 - 如果在用戶定義的窗口內(nèi)沒有發(fā)生操作，它會觸發(fā)中斷。

驅動程序輔助功能需要多核MCU最佳支持的高速運行(參見之前的TechZone SM 文章“多核MCU提供新功能嵌入式選項。“)。多核MCU可用于同構(多個相同內(nèi)核)或異構(多個不同內(nèi)核)架構，允許用戶劃分和征服處理任務。這些器件具有更高的計算密度和靈活性。每個核心可以執(zhí)行不同的操作，同時共享內(nèi)存并與其他核心交換數(shù)據(jù)。核心甚至可以在不同的操作系統(tǒng)上運行。也許最重要的是，多核MCU支持多線程進行并行處理;讓設計師自由地管理他們認為合適的任務。

與多核計算平臺一樣，多核MCU可以通過虛擬機管理程序進行虛擬化，以實現(xiàn)內(nèi)存和處理能力的動態(tài)分配。與使用管理程序在給定核心上提供多個服務器的計算環(huán)境不同，嵌入式系統(tǒng)可以虛擬化單個硬件，例如，允許多個系統(tǒng)組件通過它進行通信。如果使用得當，多核MCU可以整合多個單一控制器的操作，從而降低成本和尺寸，同時最大限度地提高功率和效率。

德州儀器(TI)的TMS570為用戶提供了一個均勻平臺選擇，其中雙ARM Cortex R4內(nèi)核以鎖步方式運行，或者是集成了Cortex R4和Cortex ARM M3內(nèi)核的異構平臺(圖3a)。符合IEC 61508安全完整性等級3(SIL3) - 危險失效概率小于10 - 3 每小時 - 異步設備的設計是為了安全 - 關鍵的汽車應用，如駕駛輔助。內(nèi)核以160 MHz的最高速度運行，提供超過250 DMIPS的性能。高可靠性功能包括CPU邏輯和存儲器的內(nèi)置自檢(BIST)，循環(huán)冗余校驗模塊和錯誤信號模塊(圖3b)。

圖3a：采用鎖步內(nèi)核，內(nèi)置自檢和循環(huán)冗余校驗模塊，TMS570符合IEC 61508至安全完整性等級3.(由德州儀器公司提供)

圖3b：為了消除潛在的常見故障模式，該設計在其中一個處理器中引入了延遲，然后比較輸出信號。 (由Texas Instruments提供)

這些單元提供高達2 MB的片上閃存和高達160 KB的RAM。外設包括32個nHET定時器通道和一對12位A/D轉換器，最多支持24個輸入。 MCU還包括雙通道FlexRay接口和最多三個CAN接口。

雖然我們還沒有意識到專家們在20世紀90年代中期預測到的完全自動化的駕駛體驗，但即使是低成本的車輛也具有令人印象深刻的智能和功能。明天的車輛肯定會更先進，汽車工程師不會很快擺脫相互沖突的設計需求。然而，憑借單核和多核MCU提供的功能，它們可以很好地應對挑戰(zhàn)。