汽车电子嵌入式系统设计(6)车用81632位元MCU技术需求

今日汽車的電子化程度已愈來愈深，從資訊娛樂、車身、安全到動力傳動系統，利用電子元件來進行感測和操控的情況已深入汽車的各個角落，若說汽車是一部大型而複雜的電子化設備，一點也不為過。在汽車中數十種的次系統中（如門控、氣囊、懸吊、CD播放等），且不論其輸出輸入的功能為何，它們都需要有一個運算和控制的處理核心，也就是本文所要談的微控制器（MCU）。

就架構面來看，車用微控制器與一般泛用性微控制器的架構差異並不大，然而，一般的微控制器往往不會被車廠所接受，他們要的是符合車用規格要求的高可靠度微控制器。若個別來看，汽車中各個次系統對微控制器的操控需求或許並無太特殊之處，但當這些微控制器是被用在汽車引擎、剎車、氣囊等用途上，而且需被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴重的運作環境時，車廠對於電子元件的品質就得從嚴把關。

技術特性需求

除了對溫度範圍、抗震、抗干擾等特性的加強外，車用微控制器也必須滿足一些專屬的需求，其中最明顯的是對車用環境匯流排介面的支援。最常見的介面規格是CAN和LIN，這兩大規格在本系列前文中已詳細介紹過，其中CAN又分為高速CAN和低速CAN，高速CAN通常用於汽車發動機控制單元、自動變速器控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元等關鍵性的應用；低速CAN則用於集控鎖、車窗、行李箱鎖、後視鏡及車內頂燈等一般性的車身應用。

雖然同樣是有CAN的支援功能，但不同的微控制器可執行的能力仍可能有差別，這主要和CAN控制器的型式有關。CAN的型式可分為舊型的1.x、標準型的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。

除了支援型式的差異外，CAN控制器依訊號緩衝的數目和接收過濾器的數目不同，支援能力也會有差異，以ST的CAN控制器為例，就提供p CAN、be CAN、bx CAN、FullCan和c CAN等五款不同類型的控制器，各有其適合的應用類型，如be CAN、bx CAN適合中高階車體功能及低階閘道器；Full CAN適合引擎管理系統；

c CAN則適合高階的閘道器和動力傳動等應用。

圖一 依訊號緩衝及接收過濾器數目而區分的CAN控制器型式（資料來源：ST）

LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，很適合做為空調控制（Climate Control）、後照鏡（Mirrors）、車門模組（Door Modules）、座椅（Seats）、智慧性交換器（Smart Switches）、低成本感測器（Low-cost Sensors）等較單純系統的分散式通訊解決方案。

圖二 LIN的應用領域（資料來源：ST）

當汽車內部分散多處的單元需要進行溝通時，這時就會需要將資訊匯流到一個閘道器（Gateway）控制器，這個汽車中多種不同網路的通訊橋接中心，必須廣泛支援低速及高速CAN、LIN、ISO-9141和J1850等車用電子通訊介面。在一個完整的閘道器解決方案架構中，必須包括匯流排收發器、穩壓器（regulator），以及支援多種網路協定的低成本、高效能微控制器。

不過，閘道器的設計目前並沒有一個通則的作法，它可以是一個獨立的模組，也可以被嵌入在其他的設備當中，例如智慧型集線盒、車體控制器或儀表組件（instrument cluster），而且不同的車廠往往會有自己的協定規格，必須量身定製才行。

嵌入式快閃記憶體成主流

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記憶體（Flash），甚至整合DSP的單元。車用嵌入式記憶體又可分為ROM、EEPROM、RAM和Flash，其中嵌入NOR Flash做為微控制器程式及數據儲存的記憶體已是主流的趨勢，它讓微控制器具有更高的設計彈性。

在微控制器中嵌入記憶體有許多好處：此舉能夠省略外接的元件，進而有效縮減印刷電路板（PCB）所需的空間；還能降低接線的複雜度，由於不需要以匯流排與外部元件進行高速串連，因此不易產生訊號幹擾的問題，穩定也就能夠提升。嵌入式記憶體運用高可靠性的方式來儲存組態參數，並搭配防讀保護機制，用以確保可程式記憶體中的內容不致遭受非法複製。

DSP單元提升設計彈性

另一個提升彈性的作法，則是為微控制器加入數位訊號處理（DSP）的MAC功能。DSP特別適合用來處理大量的數學算式運算，能夠加速各種編解碼及通訊數據的分析，舉例來說，在安全系統的駕駛輔助警示應用上，DSP可以用來計算複雜的前方路況辨識，為駕駛提出最恰當且即時的警告。由於DSP是屬於軟體功能，因此能夠依設計需要而彈性進行修改或功能升級；此外，DSP可以和微控制器中的處理器核心（如ARM或PowerPC）分工合作，將大量的運算交給DSP處理，讓處理器核心能專注於關鍵性的控制功能，這種分散運算的方式也有助於降低系統的功耗。

圖三 具備MAC單元的16位元MCU：以ST10為例（資料來源：ST）

元件類型與特性剖析

和一般性微控制器市場類似，車用微控制器依功能性也可分為4位元、8位元、16位元、32位元及64位元等五個等級，不過，今日來看，4位元微控制器已過於陽春，而64位元產品則仍太過高階，所以主力的市場集中在8、16和32位元的微控制器，這三種等級正好適用低、中、高階三種車用電子應用。

適合8位元微控制器的低階應用，主要是車體的各個次系統，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、門控模組等；適合16位元微控制器的中階應用主要是動力傳動系統，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統等，這類控制器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。

圖四 16位元MCU的汽車應用（資料來源：ST）

對於車用電子來說，32位元微控制器仍屬於高性能產品，目前最常用於汽車多媒體資訊系統（Telematics）及引擎控制方面，但隨著汽車電子系統的日趨複雜化，尤其是愈來愈強調智慧性和即時性的安全系統及動力系統中，都勢必得採用32位元的微控制器，才能順利執行。這些前瞻性的功能包括上文提到的預碰撞（Pre-crash）、自適應巡航控制（ACC）、駕駛輔助系統、電子穩定程式等安全功能，以及複雜的X-by-wire等傳動功能。

值得關注的是車用微控制器市場的發展趨勢。今日8位元微控制器的功能不斷在提升，例如處理器核心功率提升、嵌入式記憶體容量增加，以及接腳數更具彈性

等等，再加上成熟的技術促使成本進一步降低，讓8位元微控制器的適用市場空間變得更大，能向上涵蓋一些16位元的應用，也能向下取代多數4位元的應用。

32位元微控制器則是最具成長潛力的產品類型。今日的汽車電子系統強調更高的智慧性、更即時的反應，和更多樣化的功能，這些需求都漸漸不是16位元產品所能滿足的，因而必然得選用更高效能的32位元微控制器。除了處理複雜的運算及控制功能，32位元產品也將扮演車用電子系統中的主控處理中心角色，也就是將分散各處的中低階電子控制單元（ECU）集中管理。

雖然32位元的產品在一般市場上早已廣泛被應用，但在今日汽車的關鍵性應用上（如傳動及安全系統）用到的還不多，仍以16位元微控制器為主。主要的原因是32位元MCU大多仍處於車用電子零件規格的驗證階段，即使是合格的產品，還得通過車廠本身的各種環境測試，所以成為市場主流還需要等待一段時間，目前大多要在高階的車款中才看得到其應用。

這樣看起來，16位元微控制器正好遭到來自8位元及32位元市場的夾殺，地位顯得有些尷尬。事實上也正是如此，不過，在加入更高容量記憶體及具備

DSP-MAC的條件下，16位元產品仍然能滿足特殊應用功能的需求。至少在元件的品質上，它已獲得市場上的認可，只要成本及功能性還能保有優勢，16位元仍然有其存在的市場空間。

■8位元MCU

8位元車用微控制器適合廣泛的中低階應用，這些元件通常都支援CAN及LIN 介面，而且會嵌入Flash或ROM程式記憶體。它們必須能提供快速的程式執行、有效的記憶體使用、快速的資料處理和環境切換（context switching）、彈性的輸入/輸出介面，以及延伸性的系統功能。

以ST專為車用環境設計的8位元ST72561微控制器為例，該元件即整合了CAN 及LIN匯流排介面。其CAN控制器全面支援具備增強型消息過濾功能的29位元識別碼，ST透過新增的處理器介面來支援基於Bosch CAN核心的be CAN單元，它有二個傳送mailbox、三個訊息深度RX-FIFO，和六個過濾器群組，能夠有效地依ID進行訊息過濾。

LIN介面則支援ST針對硬體強化所提出的主/從LIN SCI連接埠，此一最佳化技術能針對無關係的LIN訊框進行自動化LIN標頭的處理與過濾，能夠為LIN通訊省下約九成的CPU負載。降低CPU的負荷有助於提升系統效能，也能簡化系統的電路設計，以降低製造成本。此外，它的延伸性錯誤偵測和訊號處理功能，讓應用上的錯誤處理更為容易。ST72561待機時的功耗非常低，一般小於50μA，

而且有週期性喚醒功能。

圖五 ST7261在車體應用上的系統架構圖（資料來源：ST）

■16位元MCU

16位元車用微控制器適合更高要求的應用類型，如傳動或安全與底盤系統。以ST10為例，它具有DSP-MAC功能，並內建高容量的Flash記憶體，適合強調高效能、即時性及低功耗的應用。它的DSP-MAC(乘法/累加)加速器提供了功能強大的DSP函數，使自行定義的演算法能夠更快速、簡便的實現，它還配有一整套數學軟體庫。

該系列產品的CPU時脈速度最高可達64MHz，它提供16個優先順序的中斷控制器和緊密整合的DMA，因此特別適合要求極高的即時應用。它的程式記憶體為Flash或ROM，其Flash的容量最大可達832KB，擦寫迴圈保證100,000次，資料保存期限20年，因採用意法半導體最新的0.18μm製造工藝，有助於延長產品使用壽命和優化成本，工作溫度-40℃到+125℃。

圖六 可依記憶體及封裝接腳數選擇需要的16位元MCU（資料來源：ST）

ST10支援廣泛的系統週邊和介面，包括ASC/LIN、CAN、I2C和SSC。它除了支援ST的開發工具，也支援英飛淩的C16x和XC16x，為現有用戶升級到密度更高的快閃記憶體提供了一條捷徑，同時還能保護用戶的前期投資。

■32位元MCU

目前32位元微控制器大都用在高檔的汽車影音多媒體上，以滿足多媒體播放所需的較高處理速度。以ST的STA2058為例，它整合了32位元微處理器ARM7TDMI 和一個嵌入式快閃記憶體（embedded flash），並廣泛支援CAN、SPI、UART、I2C、USB等介面，以及RTCA-SC159、WAAS、EGNOS等GPS系統。此外，STA2058EX 更擁有外接記憶體介面，可以用作遠端資訊處理服務平臺，允許免黏接邏輯（glueless）而與外部裝置（如：GSM/GPRS模組、晶片卡、音頻功能DSP）相連，非常適用於汽車在Telematics上的應用。

為了讓32位元微控制器更普及，它必須採用較便宜的生產製程及新的技術來降低成本，尤其是進行更高度的單晶片整合。透過將關係密切的系統週邊電路（如匯流排關關、中斷控制器和除錯電路等）整合入微控制器當中，可以有效縮減系統電路的尺寸，也能降低不必要的高頻電路干擾。採用32位元微控制器，除了為車用電子應用提供更高的處理效能外，搭配更高速的匯流排介面（如

FlexRay），能讓整個系統得到更即時的通訊表現。此外，32位元產品也具有比8位元及16位元更佳的除錯能力。

結論

微控制器在汽車電子當中的重要性不斷提升，扮演著提高操控性、智慧性、即時性及娛樂性的核心角色。汽車對電子系統的倚重，也為微控制器市場的成長帶來明顯的助益，這類的產品除了得滿足功能性的要求外，更重要的是要能符合高標準且長時間的可靠性，這是車廠非常重視的一道防線，以保障行車上的安全；而這也是元件製造商想切入這個市場的門檻所在。

在下一篇文章中，我們將探討汽車元件的規格要求及相關技術，敬請期待。（本文作者為意法半導體STMicroelectronics大中華區汽車電子部總監）