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今日的汽车已迈向智能化与环保化的设计时代，在智能方面透过数字电子技术来提升汽车的安全性与舒适性，并环保方面透过油电混合及电动车等设计来达到节能省碳的目标。因此，今日汽车的电子化程度已愈来愈深，从信息娱乐、车身、安全到动力传动系统，利用电子组件来进行感测和操控的情况已深入汽车的各个角落。

在汽车电子的各个系统当中，往往需要采用微控制器（MCU）做为运作控制的核心，而汽车对电子系统的倚重，也刺激车用微控制器市场的快速成长。车用微控器涵盖8位、16位、32位等低、中、高阶产品等级，各有其适合的应用系统，大致如下：

8位MCU：主要应用于车体的各个次系统，括风扇控制、空调控制、雨刷、天窗、车窗升降、低阶仪表板、集线盒、座椅控制、门控模块等较低阶的控制功能。

16位MCU：主要应用为动力传动系统，如引擎控制、齿轮与离合器控制，和电子式涡轮系统等；也适合用于底盘机构上，如悬吊系统、电子式动力方向盘、扭力分散控制，和电子帮浦、电子剎车等。

32位MCU：主要应用括仪表板控制、车身控制、多媒体信息系统（TelemaTIcs）、引擎控制，以及新兴的智能性和实时性的安全系统及动力系统，如预碰撞（Pre-crash）、自适应巡航控制（ACC）、驾驶辅助系统、电子稳定程序等安全功能，以及复杂的X-by-wire等传动功能。

车用MCU常见接口：CAN & LIN

随着今日汽车对应用功能的要求愈来愈高，需整合的系统也愈来愈复杂，使得汽车电子系统对于高阶32位MCU的需求不断提升。这类车用MCU往往被置放在高热、多尘、剧震、电子干扰严重的运作环境，因此对耐受性的要求远高于一般用途的MCU。此外，在汽车的应用环境中，车用MCU必须与多个车用电子控制装置（ECU）相连结，其中 常见的传输接口为CAN和LIN。

CAN又分为高速CAN和低速CAN，高速CAN的传输率可以达到1 Mbps，适用于ABS、EMS等强调实时反应的应用；低速CAN则可达到125 Kbps，适合较低速的车体零件控制。此外，CAN控制器的型式可分为旧型的1.x、标准型的2.0A和延伸型的2.0B，愈新的规格效能自然愈好，其中2.0B又可分为被动（passive）型式和主动（acTIve）型式。

LIN则是较CAN更为低速且低成本的通讯方案，采用一个主节点、多个从节点的概念（ 多支持16个节点），可达 20 kbps数据传输率，总线电缆的长度 多可以扩展到40公尺。它很适合做为空调控制（Climate Control）、后照镜（Mirrors）、车门模块（Door Modules）、座椅（Seats）、智能性交换器（Smart Switches）、低成本传感器（Low-cost Sensors）等较单纯系统的分布式通讯解决方案。

以下将介绍应用于仪表板控制及车身控制的新一代MCU技术，并以富士通新一代的MB91770 系列和 MB91725 系列新型微控制器做为设计参考。请参考(图一)。

图一　仪表盘控制及车身控制MCU在汽车中的应用（以MB91770 系列和 MB91725 系列为例）

汽车仪表板及车身控制设计要领

汽车的仪表板为驾驶提供各种实时的视觉信息，这些信息是辅助决策的重要参考，必须快速且准确无误的传递给驾驶员知道。此外，汽车中的空调及车身控制模块（BCM）系统，负责为驾驶及乘客提供舒适的乘车环境。其中空调系统过执行 佳控制将汽车内部的温度迅速降至较为舒适的水平，并根据来自于各个传感器的信息保持舒适的车内温度。BCM系统则可以集中控制多个ECU，如车门、座椅和组合开关等。

不论是仪表盘控制或车身控制的MCU，都必须提供更高的处理性能、处理大量网络节点的能力、支持多种外围连接的接口功能、可扩展电路板布局范围的功能、先进的内存架构，以及更便利的开发环境。这些设计需求分析如下：

高处理性能：

MCU要提升处理性能，必须从其核心及软、硬件系统架构下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心为例，它的工作性能达到1.3MIPS/MHz，比上一代FR60核心高出30%的处理效能；因具有内置式单精度浮点运算单元（FPU），能够满足图像处理系统和那些需要浮点操作功能的系统（如制动器控制）要求。此外，透过硬件式的FPU支持，能够简化软件程序并提升运算性能。

2. 大量网络节点处理能力：

今日汽车中的CAN网络内存在着大量的内置式ECU，它们的规模随着节点数量的增加而不断扩大，因此车用MCU必须支持更多的讯息缓冲器（message buffer）。上一代的32位CAN微控制器能提供达32个内置式讯息缓冲器，但现在已显得不敷使用，以新一代富士通MCU来说，已能支持达64个内置式讯息缓冲器，而且支持CAN 2.0A/B规格及提供1Mbps的高传输率。

3. 广泛接口支持能力：

车用MCU连接的外围相当多样，而连接的接口可能是UART、频率同步串行、LIN-UART 和 I2C，因此必须具备弹性的接口连接能力。为了满足此需求，富士通将内置式多功能串行接口用作串行通信接口，并透过软件方式来切换上述各种接口，以灵活支持外部组件的通信规范，并提高系统设计的自由度。新系列MCU还提供LIN-UART 的6条通道，从而能够与更多控制单元进行通信；其中MB91725系列因具有定时器功能的多条信道和 A/D 转换器，更容易达成各种功能的整合。请参考(图二)。

图二　使用序列接口达成弹性的通信接口功能整合

可扩展电路板布局范围的功能：

由于车用电路板系统的布局设计方式相当多样，车用MCU必须能满足这些设计的需求。一些可行的作法括为外部总线接口终端配置独立电源，使得ECU板上无需再安装电平转换器。此一外部总线接口终端的电源范围要广（如涵盖3.0V至5.5V），进而能弹性地和单元内存或图像用ASIC相连。

另一个作法是让MCU具备内置式I/O再分配的功能，透过软件设置即可改变I/O连接埠的分配。如此一来，设计者可以更弹性地与特定外围相连结，进而大幅提升电路板布局的自由度。

5. 先进的内存架构：

为了提升工作处理弹性，今日车用微控制器的系统中往往会内置嵌入式内存（Flash）。过去只将Flash用于程序储存，新一代MCU的架构中也加入数据用的Flash。此架构不仅能提高数据写入速度，因不再需要E2PROM，也能缩小电路板的面积。此外，将数据与程序同时储存于微控制器的Flash内存中，也有助于防止信息的泄露。

6. 更便利的开发环境：

一般产品必须利用ICE主单元和验证用评估芯片来进行系统检验，为了降低验证的复杂度，我们为新一代MCU产品提供芯片上（on-chip）的侦错方式。它采用单线调试接口，可以实现汽车评估或一致性测试，并且能够利用通用同轴电缆、在高达10米的范围内实现小型 ICE 主单元和目标电路板之间的通信。这可以简化按照常规难以实现的汽车评估。

图三　运用芯片上侦错实现汽车评估

结论

一辆汽车中的电子系统愈来愈复杂，对于车用MCU的仰赖也愈来愈深。针对汽车仪表板及车身控制设计，必须为驾驶提供精准迅速的辅助信息，以及便利舒适的乘车空间，因此相关的MCU也必须满足更高的性能及更弹性的设计需求，才能为应用功能的开发带来帮助。

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(编辑:温宿电工培训学校)