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內部電壓，又監(jiān)測外部電源電壓電平的內部區(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，富士通的最新MCU產品就是這樣。這種方法可以從BOM中去掉外部元器件，從而降低成本。
 

 

圖1：低壓檢測和自動重置

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。
 

圖2：內置看門狗計時器

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部器件。提高穩(wěn)定性和采用糾錯機制可以進一步增強內置EEPROM。

將EEPROM整合到內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。比如，富士通MCU具有高達100,000擦除/編程周期的高可靠性EEPROM方案。這些MCU還支持ECC，可將數(shù)據(jù)保留長達20年之久。現(xiàn)在，用來將閃存控制為EEPROM功能的商用級軟件已經開始供貨。

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漂移。

圖3：漂移的汽車接地

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。
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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。因此，需要轉換器器進行電壓電平轉換。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。富士通MCU的設計通過一個內部保護二極管和一個外部限流器來支持此功能。此方法可以減少PCB上所需的元器件數(shù)，從而進一步降低成本。

圖4：直接輸入Vbat電平信號

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具有將其內部模塊重定位至另外一組引腳的內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。

圖5：IO終端重定位

7. ADC輔助功能

模數(shù)轉換器(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. 位置和轉數(shù)計

以硬件區(qū)塊的形式提供四位置和轉數(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程度和方向，確定旋轉速度。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)內更好的任務分配和簡化的軟件包。

選擇最佳供應商

選擇汽車MCU時還要考慮一個關鍵因素：找一家歷史悠久、市場份額較大的公司。還需要考慮供應商能否提供針對五花八門的汽車應用的各種MCU，包括車身、電源軌和車載信息系統(tǒng)。找一條包含基于經過業(yè)界驗證、專有CPU和標準ARM架構的16位和32位MCU的汽車產品線。

因此，盡管汽車MCU存在商品化的趨勢，但并不表示一定會增加成本才能實現(xiàn)各種不同的特殊功能。只要選擇合適的MCU，就可以大幅提高成本效益，最終實現(xiàn)產品差異化。而選擇一家信譽可靠、產品多樣、具有強大支持的MCU供應商可以讓MCU設計過程變得更簡單、高效。

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