高性能8位MCU降低汽车设计中的成本和复杂性

时间： 2019-07-11 来源：Silicon Labs（世强翻译）

技术问答

从汽车安全系统和底盘系统到车身电子和动力总成管理，高性能微控制器（MCU）为当今的汽车设计提供了关键的控制和数据分析能力。混合信号微控制器正在被广泛的设计到汽车应用中，控制着越来越多的系统功能，同时降低了系统设计的负责性、组件数量以及主板空间。

8位混合信号MCU提供了多种方式来简化汽车系统设计：通过集成多种外设和通信接口，如CAN总线和LIN总线，有助于减少额外的分立元件。今天的高性能8位MCU还能够通过提升处理速度、增加内存和扩展高精度外设来提升MCU的性能，但这种复杂的整合必须在小封装的前提下并适应空间受限的汽车应用，如电动车窗升降器、门锁或者发动机传感器控制等。

传统系统的材料清单与混合信号集成MCU的对比

图1：传统系统的材料清单与混合信号集成MCU的对比

混合信号MCU可以省去很多的外部元器件，如电压基准源、转压器及振荡器等，除了减小电路板空间外，片上集成更可降低高达$0.7的元器件成本。当然在降低系统系统尺寸的同时，系统的稳定性也会进一步的提高，因为在PCB设计上，更多的组件意味着更多的可靠性问题。

一个实际的例子就是来自SILICON LABS公司的C8051F58x系列的8位MCU，该MCU集成了很多其他8位MCU没有的外设，如高精度振荡器、5v稳压器以及（振荡器）自动调节功能，取代了对昂贵的需要校准的传感器的需求，该系列MCU具有高速内核，最大限度的减少了对存储器的需求，结合创新的I/O方案，能够降低制造和测试成本。

在一个25mm²的小封装内，提供了高达128KB的Flash和50MIPS的处理速度，F58X系列MCU实现了存储、性能和小封装的最佳结合，是的汽车设计师能够（以低成本）解决目前很多的昂贵的方案。复杂的算法和运算可以通过查表的方式来解决，这样可以进一步节省内存来运行更复杂的应用。

F58x系列MCU，内部集成了一个在整个汽车级工作温度（-40到125℃）和电压范围内精度高达±0.5%的时钟，并且通过使用片上ADC和温度传感器，设计师可以在整个汽车级工作温度和电压范围内进一步提高时钟精度到±0.25%，而片外的振荡器则需要多花费$0.2来实现相同的功能。这种特性使得设计人员能够操作高速的CAN和LIN网络，而无需额外的外部定时器件，降低了系统成本，提高了系统的可靠性。

片上ADC的另外一个特殊的功能是可调衰减，这使得设计人员能够动态的衰减输入信号来使得输入匹配上基准电压。这种技术具有以下两个明显的优点：

首先，在模拟传感器的输出大于ADC的基准电压时，也能够在ADC检测范围内进行采样输出，这意味着输入信号的幅值将不受限制，并且能够在最大范围内进行编码。

其次，可以消除传感器的差异性变化（如校准），使得设计人员可以使用低成本传感器，并在系统内对这些传感器进行校准，这样实现了与价格昂贵的精密传感器的相同功能，大大降低了系统成本。

专用的汽车串行总线为设计师提供了更佳的性能优势，例如，高速C2.0引擎，能够提供32个离散消息节点，支持繁重的网络流量；通过使用集成的LIN2.1控制器（并非软件模拟LIN），汽车设计人员可以进一步提高网络性能，结合一个8字节的缓冲BUFFER和硬件同步校验位生成器，释放了宝贵的CPU资源，并且能够完成更复杂的LIN拓扑。

设计灵活性通常是设计师关注的一个关键问题，传统上的MCU采用了管脚复用功能，这使得设计人员在使用某个管脚是必须选择好它的特定功能。而（Silicon labs公司的）混合信号MCU采用了数字Crossbar技术，像是一个可编程交叉结构的功能，使得设计人员能够定位某一I/O到任意的数字外设上，这使得设计人员能够将数字外设连接到任意想用的I/O口上。这种技术大大简化了系统的设计工作，并允许资源被复用（甚至在同一I/O口上）。例如，设计人员可以两个独立的LIN总线，并在系统运行时将这两个LIN总线动态的映射到(同一组)I/O口上，降低了系统成本并提高了设计的灵活性。

Crossbar技术也可以用来降低编程和校准的成本。很多设计人员必须在PCB装配完成后使用一些测试盒来校准他们的系统，在该步骤中，设备中需要下载一个特殊的“校准固件”来配置接口与测试盒进行连接。此时MCU可用来连接测试盒以加速校准并大大降低整体的编程时间，一旦系统校准完毕，所有参数被存储在Flash中，并且测试固件被下载到MCU中。

在进一步的设计中，一个数字隔离应用在CAN物理层和总线上运行的MCU之间进行隔离，汽车系统中常通过这个措施来隔离噪声，提高MCU的性能，这有助于消除CAN和LIN网络之间存在的接地回路，非常适合于电气噪声强的环境下的应用。混合动力汽车和电动汽车也需要数字隔离，隔离被集成到每一个高压模块，提供了与高压模块通信和控制的桥梁，例如电池管理模块、A/C压缩机、电机启停系统、发电机及电动助力转向系统等。

汽车系统中使用CAN、LIN和数字隔离

图2：汽车系统中使用CAN、LIN和数字隔离

当前，汽车电子工程师面临着比以往任何时候都更多的设计选择、更高的系统性能要求以及更多的设计复杂性，8位混合信号MCU可以在简化系统设计工作、提供系统性能、降低成本和空间受限的应用中发挥重要作用。

具备在不降低系统性能的前提下，将敏感模拟电路和具有嘈杂噪声的数字电路整合到一起的设计能力，对于同时与数字和模拟电路打交道的汽车电子设计人员来说是一个巨大的优势。集成了密集模拟、混合信号处理能力的8位MCU使得片上系统实现有更小的封装，降低了系统的成本和复杂性，更具成本效益。这些好处对于越来越依赖MCU提供更高智能和连接的现代汽车电子来说具有特别的帮助。

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