为汽车设计选择 MCU 时要注意的十件事

出处:网络整理 发布于:2023-03-17 15:45:17

微控制器 (MCU) 在越来越广泛的汽车应用中提供至关重要的性能,从电机控制到信息娱乐系统和车身控制。它们越来越受欢迎,同时价格敏感性和整合也在增加,这意味着 MCU 越来越被视为商品。尽管存在这种商品化趋势,但汽车系统设计人员明白控制器之间存在显着差异,包括不同的集成度和功率要求。选择 MCU 通常可以降低物料清单 (BOM) 成本,从而有效降低电子控制单元 (ECU) 本身的价格。

在选择汽车 MCU 时,设计人员可以通过考虑 10 个主要因素来平衡成本压力与应用所需的特定性能特征。

1. 低电压检测 
MCU 运行期间的故障风险之一是电源电压或内部 MCU 电压可能会在临界点下降到所需水平以下。显然,这会导致故障,因为在推荐的电压供应之外无法保证运行。

传统系统使用外部电压监控 IC 来检查电压。但是,可以将该功能集成到带有内部块的 MCU 中,该内部块可监控内部 MCU 电压和外部电源电压电平。如果级别低于预设阈值,MCU 将自动重置,如图 1 所示。阈值级别可以从一组七个预分配值中选择,就像的富士通 MCU 一样。这种方法从 BOM 中消除了外部组件,从而降低了成本。


图 1:低电压检测和自动复位

2.看门狗定时器 
另一个需要寻找的关键特性是看门狗定时器,它有助于从“失控的微型”或“杂草中的处理器”等故障情况中恢复。模块一检测到MCU无响应,就会立即复位MCU。过去,嵌入式系统使用外部 IC 来执行此功能。但是,可以在 MCU 中内置多个看门狗定时器。例如,一个定时器可以作为 CPU 操作系统时钟之外的独立时钟运行。该定时器基于较慢的 CR 时钟,适合用作 MCU 的硬件看门狗,或供较长的软件循环使用以防止失控情况。另一个定时器可以基于更快的外设时钟运行。理想情况下,看门狗定时器模块应支持窗口功能,该功能在定时器输入过快时也会重置 MCU,


图 2 – 内置看门狗定时器

3. 专用 NV 存储器 
与看门狗定时器一样,EEPROM 传统上是 MCU 的外部组件。然而,可以通过使用专用 ROM 使这种存储器存储成为内部组件。通过增加耐用性和使用纠错机制,可以进一步增强内置 EEPROM。

一种在内部集成 EEPROM 的复杂方法是使用双操作闪存。可以读取闪存存储体的一部分,同时对另一部分进行编程,从而允许单个闪存模块实现 EEPROM 功能。另一种方式是实现两个 Flash 模块,但这会导致比双操作 Flash 更大的开销。例如,富士通 MCU 具有高耐久性 EEPROM 实施,额定擦除/编程周期为 100,000 次。MCU 还支持 ECC,可以将数据保留 20 年。商业级软件可用于控制闪存作为 EEPROM 功能。

4. 汽车接地 
由于电子控制单元的定位方式,汽车环境中的电气连接在物理上可能会很长。汽车系统包含许多 ECU 和其他消耗相对较大电流的设备。因此,除了 ECU 本身产生的寄生噪声外,电气接地电平并不完美,可以在一定范围内浮动。


图 3:浮动汽车接地

根据此类地面条件设计 MCU 可以提高针对故障的鲁棒性和安全级别。复杂的 MCU 专为根据汽车条件的标准化 VIL 而设计。这有助于防止因“浮动接地”而可能发生的错误,从而提高 ECU 的质量。

5. Vbat电平直接输入 
一些汽车系统中的ECU在电池电平电压附近操作IO信号。基于CMOS技术设计的半导体,IO信号为VCC电平,通常在3V到5V范围内。因此,电压电平转换需要收发器。在某些情况下,可能会内置电压保护,这将允许高压信号直接通过限流电阻连接。富士通 MCU 旨在通过带有外部限流器的内部保护二极管来支持此类使用。这种方法减少了 PCB 上所需的组件数量,从而再次降低了成本。


图 4:直接输入 Vbat 电平信号

6. 终端功能重定位 
在为具有大量引脚数的 IC 进行 PCB 布局时,保持尽可能少的层数通常具有挑战性。PCB 上的外围元件并不总能根据 MCU 的引脚分配进行理想定位。有时,如果 MCU 具有内置的灵活性,可以将其内部模块重新定位到一组不同的引脚,这会有所帮助。这可以通过软件设置来完成。此功能可以提高 PCB 布局过程中的灵活性。


图 5:IO 端子重新定位

7. ADC 辅助功能 
模数转换器 (ADC) 长期以来一直是嵌入式系统的基本模块。ADC 将信号从模拟域转换为数字域,从而能够访问来自模拟世界的信息。

通过使模块适应特定应用,可以根据 ADC 模块区分 MCU。增强功能可以区分整个 MCU 封装。例如,ADC 模块可以在硬件中支持范围比较器和脉冲检测功能。这些对于仪表盘中的步进电机控制、电源监控和传感器应用等应用非常有用。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)。通过在硬件中完成处理,CPU 可以在其他地方使用其 MIPS。

8. LIN 硬件辅助功能 
本地互连网络 (LIN) 是一种廉价、低速的通信技术,广泛用于车身应用。通过在硬件中实现自动报头传输和检测、通信测试功能、可变中断长度生成以及校验和生成和验证等功能,可以提高 MCU 的 LIN 性能。这种方法有助于节省 CPU 的 MIPS 以用于其他地方。

9. ZPD 增强功能 
对于组合仪表应用,ECU 使用零点检测来确定指针何时到达终点,以便停止步进电机。此功能需要步进电机控制器(SMC)读取并评估电机线圈中的电压信号(也称为“反电动势”)以进行检测。可以通过添加对电压评估的硬件支持来增强 SMC,因此无需外部组件即可实现 ZPD。此外,大多数反电动势评估都可以使用硬件机制完成。(在这方面,前面提到的 ADC 范围比较器和脉冲检测功能很有帮助。)同样,这种方法需要少的 CPU 使用。

10. 位置和转数计数器 
以硬件块的形式提供四方位置和转数计数器 (QPRC) 功能是有利的。这允许用户为音频和导航应用程序实现滚轮功能。该模块可以控制旋转幅度和方向,并确定旋转速度。理论上,这可以使用 MCU 中的标准输入捕获单元来完成。但是,为这些任务配备专门的硬件模块可以让 CPU 节省资源。结果是系统内更好的任务分配和简化的软件包。

关键词:MCU,汽车设计

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