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汽车仪表板及车身控制设计

今日的汽車已邁向智能化與環保化的設計時代，在智能方面透過數字電子技術來提升汽車的安全性與舒適性，並環保方面透過油電混合及電動車等設計來達到節能省碳的目標 。因此，今日汽車的電子化程度已愈來愈深，從信息娛樂、車身、安全到動力傳動系統，利用電子組件來進行感測和操控的情況已深入汽車的各個角落 。

在汽車電子的各個系統當中，往往需要采用微控制器(MCU)做為運作控制的核心，而汽車對電子系統的倚重，也刺激車用微控制器市場的快速成長 。車用微控器涵蓋8位、16位、32位等低、中、高階產品等級，各有其適合的應用系統，大致如下：
8位MCU：主要應用於車體的各個次系統，包括風扇控制、空調控制、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，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統等;也適合用於底盤機構上，如懸吊系統、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(TelemaTIcs)、引擎控制，以及新興的智能性和實時性的安全系統及動力系統，如預碰撞(Pre- crash)、自適應巡航控制(ACC)、駕駛輔助系統、電子穩定程序等安全功能，以及複雜的X-by-wire等傳動功能 。
車用MCU常見接口：CAN & LIN
隨著今日汽車對應用功能的要求愈來愈高，需整合的系統也愈來愈複雜，使得汽車電子系統對於高階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、電子幹擾嚴重的運作環境，因此對耐受性的要求遠高於一般用途的MCU 。此外，在汽車的應用環境中，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，適用於ABS、EMS等強調實時反應的應用;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、標准型的2.0A和延伸型的2.0B，愈新的規格效能自然愈好，其中 2.0B又可分為被動(passive)型式和主動(acTIve)型式 。
LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，采用一個主節點、多個從節點的概念(最多支持16個節點)，可達 20 kbps數據傳輸率，總線電纜的長度最多可以擴展到40公尺 。它很適合做為空調控制(Climate Control)、後照鏡(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)等較單純系統的分布式通訊解決方案 。
以下將介紹應用於儀表板控制及車身控制的新一代MCU技術，並以富士通新一代的MB91770 系列和 MB91725 系列新型微控制器做為設計參考 。請參考(圖一) 。
圖一　儀表盤控制及車身控制MCU在汽車中的應用(以MB91770 系列和 MB91725 系列為例)
汽車儀表板及車身控制設計要領
汽車的儀表板為駕駛提供各種實時的視覺信息，這些信息是輔助決策的重要參考，必須快速且准確無誤的傳遞給駕駛員知道 。此外，汽車中的空調及車身控制模塊(BCM)系統，負責為駕駛及乘客提供舒適的乘車環境 。其中空調系統過執行最佳控制將汽車內部的溫度迅速降至較為舒適的水平，並根據來自於各個傳感器的信息保持舒適的車內溫度 。BCM系統則可以集中控制多個ECU，如車門、座椅和組合開關等 。
不論是儀表盤控制或車身控制的MCU，都必須提供更高的處理性能、處理大量網絡節點的能力、支持多種外圍連接的接口功能、可擴展電路板布局范圍的功能、先進的內存架構，以及更便利的開發環境 。這些設計需求分析如下：
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;因具有內置式單精度浮點運算單元(FPU)，能夠滿足圖像處理系統和那些需要浮點操作功能的系統(如制動器控制)要求 。此外，透過硬件式的FPU支持，能夠簡化軟件程序並提升運算性能 。
2. 大量網絡節點處理能力：
今日汽車中的CAN網絡內存在著大量的內置式ECU，它們的規模隨著節點數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個內置式訊息緩沖器，但現在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來說，已能支持達64個內置式訊息緩沖器，而且支持CAN 2.0A/B規格及提供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，富士通將內置式多功能串行接口用作串行通信接口，並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范，並提高系統設計的自由度 。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 轉換器，更容易達成各種功能的整合 。請參考(圖二) 。
圖二　使用序列接口達成彈性的通信接口功能整合
可擴展電路板布局范圍的功能：
由於車用電路板系統的布局設計方式相當多樣，車用MCU必須能滿足這些設計的需求 。一些可行的作法包括為外部總線接口終端配置獨立電源，使得ECU板上無需再安裝電平轉換器 。此一外部總線接口終端的電源范圍要廣(如涵蓋3.0V至5.5V)，進而能彈性地和單元內存或圖像用ASIC相連 。
另一個作法是讓MCU具備內置式I/O再分配的功能，透過軟件設置即可改變I/O連接埠的分配 。如此一來，設計者可以更彈性地與特定外圍相連結，進而大幅提升電路板布局的自由度 。
5. 先進的內存架構：
為了提升工作處理彈性，今日車用微控制器的系統中往往會內置嵌入式內存(Flash) 。過去只將Flash用於程序儲存，新一代MCU的架構中也加入數據用的Flash 。此架構不僅能提高數據寫入速度，因不再需要E2PROM，也能縮小電路板的面積 。此外，將數據與程序同時儲存於微控制器的Flash內存中，也有助於防止信息的泄露 。
6. 更便利的開發環境：
一般產品必須利用ICE主單元和驗證用評估芯片來進行系統檢驗，為了降低驗證的複雜度，我們為新一代MCU產品提供芯片上(on-chip)的偵錯方式 。它采用單線調試接口，可以實現汽車評估或一致性測試，並且能夠利用通用同軸電纜、在高達10米的范圍內實現小型 ICE 主單元和目標電路板之間的通信 。這可以簡化按照常規難以實現的汽車評估 。
【汽车仪表板及车身控制设计】圖三　運用芯片上偵錯實現汽車評估
結論
一輛汽車中的電子系統愈來愈複雜，對於車用MCU的仰賴也愈來愈深 。針對汽車儀表板及車身控制設計，必須為駕駛提供精准迅速的輔助信息，以及便利舒適的乘車空間，因此相關的MCU也必須滿足更高的性能及更彈性的設計需求，才能為應用功能的開發帶來幫助.

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