為汽車設(shè)計(jì)選擇 MCU 時(shí)要注意的十件事

微控制器 (MCU) 在越來(lái)越廣泛的汽車應(yīng)用中提供至關(guān)重要的性能，從電機(jī)控制到信息娛樂系統(tǒng)和車身控制。它們?cè)絹?lái)越受歡迎，同時(shí)價(jià)格敏感性和整合也在增加，這意味著 MCU 越來(lái)越被視為商品。盡管存在這種商品化趨勢(shì)，但汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員明白控制器之間存在顯著差異，包括不同的集成度和功率要求。選擇 MCU 通?？梢越档臀锪锨鍐?(BOM) 成本，從而有效降低電子控制單元 (ECU) 本身的價(jià)格。

在選擇汽車 MCU 時(shí)，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)考慮 10 個(gè)主要因素來(lái)平衡成本壓力與應(yīng)用所需的特定性能特征。

1. 低電壓檢測(cè) 
MCU 運(yùn)行期間的故障風(fēng)險(xiǎn)之一是電源電壓或內(nèi)部 MCU 電壓可能會(huì)在臨界點(diǎn)下降到所需水平以下。顯然，這會(huì)導(dǎo)致故障，因?yàn)樵谕扑]的電壓供應(yīng)之外無(wú)法保證運(yùn)行。

傳統(tǒng)系統(tǒng)使用外部電壓監(jiān)控 IC 來(lái)檢查電壓。但是，可以將該功能集成到帶有內(nèi)部塊的 MCU 中，該內(nèi)部塊可監(jiān)控內(nèi)部 MCU 電壓和外部電源電壓電平。如果級(jí)別低于預(yù)設(shè)閾值，MCU 將自動(dòng)重置，如圖 1 所示。閾值級(jí)別可以從一組七個(gè)預(yù)分配值中選擇，就像的富士通 MCU 一樣。這種方法從 BOM 中消除了外部組件，從而降低了成本。

圖 1：低電壓檢測(cè)和自動(dòng)復(fù)位

2.看門狗定時(shí)器 
另一個(gè)需要尋找的關(guān)鍵特性是看門狗定時(shí)器，它有助于從“失控的微型”或“雜草中的處理器”等故障情況中恢復(fù)。模塊一檢測(cè)到MCU無(wú)響應(yīng)，就會(huì)立即復(fù)位MCU。過(guò)去，嵌入式系統(tǒng)使用外部 IC 來(lái)執(zhí)行此功能。但是，可以在 MCU 中內(nèi)置多個(gè)看門狗定時(shí)器。例如，一個(gè)定時(shí)器可以作為 CPU 操作系統(tǒng)時(shí)鐘之外的獨(dú)立時(shí)鐘運(yùn)行。該定時(shí)器基于較慢的 CR 時(shí)鐘，適合用作 MCU 的硬件看門狗，或供較長(zhǎng)的軟件循環(huán)使用以防止失控情況。另一個(gè)定時(shí)器可以基于更快的外設(shè)時(shí)鐘運(yùn)行。理想情況下，看門狗定時(shí)器模塊應(yīng)支持窗口功能，該功能在定時(shí)器輸入過(guò)快時(shí)也會(huì)重置 MCU，

圖 2 – 內(nèi)置看門狗定時(shí)器

3. 專用 NV 存儲(chǔ)器 
與看門狗定時(shí)器一樣，EEPROM 傳統(tǒng)上是 MCU 的外部組件。然而，可以通過(guò)使用專用 ROM 使這種存儲(chǔ)器存儲(chǔ)成為內(nèi)部組件。通過(guò)增加耐用性和使用糾錯(cuò)機(jī)制，可以進(jìn)一步增強(qiáng)內(nèi)置 EEPROM。

一種在內(nèi)部集成 EEPROM 的復(fù)雜方法是使用雙操作閃存?？梢宰x取閃存存儲(chǔ)體的一部分，同時(shí)對(duì)另一部分進(jìn)行編程，從而允許單個(gè)閃存模塊實(shí)現(xiàn) EEPROM 功能。另一種方式是實(shí)現(xiàn)兩個(gè) Flash 模塊，但這會(huì)導(dǎo)致比雙操作 Flash 更大的開銷。例如，富士通 MCU 具有高耐久性 EEPROM 實(shí)施，額定擦除/編程周期為 100,000 次。MCU 還支持 ECC，可以將數(shù)據(jù)保留 20 年。商業(yè)級(jí)軟件可用于控制閃存作為 EEPROM 功能。

4. 汽車接地 
由于電子控制單元的定位方式，汽車環(huán)境中的電氣連接在物理上可能會(huì)很長(zhǎng)。汽車系統(tǒng)包含許多 ECU 和其他消耗相對(duì)較大電流的設(shè)備。因此，除了 ECU 本身產(chǎn)生的寄生噪聲外，電氣接地電平并不完美，可以在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)。

圖 3：浮動(dòng)汽車接地

根據(jù)此類地面條件設(shè)計(jì) MCU 可以提高針對(duì)故障的魯棒性和安全級(jí)別。復(fù)雜的 MCU 專為根據(jù)汽車條件的標(biāo)準(zhǔn)化 VIL 而設(shè)計(jì)。這有助于防止因“浮動(dòng)接地”而可能發(fā)生的錯(cuò)誤，從而提高 ECU 的質(zhì)量。

5. Vbat電平直接輸入 
一些汽車系統(tǒng)中的ECU在電池電平電壓附近操作IO信號(hào)?；贑MOS技術(shù)設(shè)計(jì)的半導(dǎo)體，IO信號(hào)為VCC電平，通常在3V到5V范圍內(nèi)。因此，電壓電平轉(zhuǎn)換需要收發(fā)器。在某些情況下，可能會(huì)內(nèi)置電壓保護(hù)，這將允許高壓信號(hào)直接通過(guò)限流電阻連接。富士通 MCU 旨在通過(guò)帶有外部限流器的內(nèi)部保護(hù)二極管來(lái)支持此類使用。這種方法減少了 PCB 上所需的組件數(shù)量，從而再次降低了成本。

圖 4：直接輸入 Vbat 電平信號(hào)

6. 終端功能重定位 
在為具有大量引腳數(shù)的 IC 進(jìn)行 PCB 布局時(shí)，保持盡可能少的層數(shù)通常具有挑戰(zhàn)性。PCB 上的外圍元件并不總能根據(jù) MCU 的引腳分配進(jìn)行理想定位。有時(shí)，如果 MCU 具有內(nèi)置的靈活性，可以將其內(nèi)部模塊重新定位到一組不同的引腳，這會(huì)有所幫助。這可以通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)完成。此功能可以提高 PCB 布局過(guò)程中的靈活性。

圖 5：IO 端子重新定位

7. ADC 輔助功能 
模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 長(zhǎng)期以來(lái)一直是嵌入式系統(tǒng)的基本模塊。ADC 將信號(hào)從模擬域轉(zhuǎn)換為數(shù)字域，從而能夠訪問來(lái)自模擬世界的信息。

通過(guò)使模塊適應(yīng)特定應(yīng)用，可以根據(jù) ADC 模塊區(qū)分 MCU。增強(qiáng)功能可以區(qū)分整個(gè) MCU 封裝。例如，ADC 模塊可以在硬件中支持范圍比較器和脈沖檢測(cè)功能。這些對(duì)于儀表盤中的步進(jìn)電機(jī)控制、電源監(jiān)控和傳感器應(yīng)用等應(yīng)用非常有用。ADC 可以處理來(lái)自步進(jìn)電機(jī)線圈的輸入信號(hào)以執(zhí)行零點(diǎn)檢測(cè) (ZPD)。通過(guò)在硬件中完成處理，CPU 可以在其他地方使用其 MIPS。

8. LIN 硬件輔助功能 
本地互連網(wǎng)絡(luò) (LIN) 是一種廉價(jià)、低速的通信技術(shù)，廣泛用于車身應(yīng)用。通過(guò)在硬件中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)頭傳輸和檢測(cè)、通信測(cè)試功能、可變中斷長(zhǎng)度生成以及校驗(yàn)和生成和驗(yàn)證等功能，可以提高 MCU 的 LIN 性能。這種方法有助于節(jié)省 CPU 的 MIPS 以用于其他地方。

9. ZPD 增強(qiáng)功能 
對(duì)于組合儀表應(yīng)用，ECU 使用零點(diǎn)檢測(cè)來(lái)確定指針何時(shí)到達(dá)終點(diǎn)，以便停止步進(jìn)電機(jī)。此功能需要步進(jìn)電機(jī)控制器（SMC）讀取并評(píng)估電機(jī)線圈中的電壓信號(hào)（也稱為“反電動(dòng)勢(shì)”）以進(jìn)行檢測(cè)?？梢酝ㄟ^(guò)添加對(duì)電壓評(píng)估的硬件支持來(lái)增強(qiáng) SMC，因此無(wú)需外部組件即可實(shí)現(xiàn) ZPD。此外，大多數(shù)反電動(dòng)勢(shì)評(píng)估都可以使用硬件機(jī)制完成。（在這方面，前面提到的 ADC 范圍比較器和脈沖檢測(cè)功能很有幫助。）同樣，這種方法需要少的 CPU 使用。

10. 位置和轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器 
以硬件塊的形式提供四方位置和轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器 (QPRC) 功能是有利的。這允許用戶為音頻和導(dǎo)航應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)滾輪功能。該模塊可以控制旋轉(zhuǎn)幅度和方向，并確定旋轉(zhuǎn)速度。理論上，這可以使用 MCU 中的標(biāo)準(zhǔn)輸入捕獲單元來(lái)完成。但是，為這些任務(wù)配備專門的硬件模塊可以讓 CPU 節(jié)省資源。結(jié)果是系統(tǒng)內(nèi)更好的任務(wù)分配和簡(jiǎn)化的軟件包。