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车用32位微控制器技术分析

发布日期:2020-10-31 08:58

  已经从4位、8位,逐渐发展到16位与32位的应用,所投入的厂商也不在少数。在应用方面,更是渗透并融入了人们生活周遭的各个领域中。严格来说,举凡操作接口有其相关的领域,或多或少都能发现到的使用数量与市场规模,评估一个地区的收入、经济状况的重要指标之一,再加上家电、消费性电子,以及汽车工业的应用与加持之下,使得微控制器在这几年里充满了各界的期待。

  从微控制器于汽车市场的应用层面来看,不论是从汽车内部主体来看,如:主(被)动式安全设备、发电(动)机管理、底盘、引擎与车身控制,或者是以附加功能的车载式多媒体、娱乐、影音及信息系统,都可以见到微控制器(MCU)大幅应用的例子。那么微控制器为何会受到汽车电子厂商的关注?这是因为汽车上的电子系统开始朝向实时多任务管理、因特网与通信功能等高阶应用下的产物,增加了车用电子系统、设备的智能化、实时性和可靠性程度。因此,为了使微控制器能顺利的进入汽车领域,除了必须要能有其基本特性之外,还兼备未来智能型汽车强大的网络通信功能、系统集成度、适应高温、潮湿、振动和电磁辐射干扰等。

  过去曾经以8位、16位作为车用微控制器的解决方案,但,其同样性质的微控器产品大都只能在稳定中求得成长。不过,在汽车领域中,成长幅度惊人的还是以32位/微控制器为主,另外还包括:上网手机、PDA、打印机、数字相机,及其它应用对其需求也不容小看,逐年的成长率都能保持在30%以上。

  从32位/微控制器产品角度来分析,即使以目前汽车市场份额的比重,还不能够与8、16位/微控制器相比拟,也没有办法像消费电子领域将其直接更换,但目前还是逐步地以快速成长的态势向前迈进。另一个主要关键,在于32位/微控制器的应用产品大多为汽车电子领域中的新兴产品,就像是中、高阶汽车上所运用的影音多媒体系统、卫星导航系统等,因为诸如此类的系统设备大都需要较高的处理速度。有此可见,32位/车用微控制器未来的发展空间有多大,预估在未来几年中,其产值可望能够一举超越8、16位,成为微控制器市场中主流的应用产品。

  换个角度,从应用面来看,由于微控制器所搭载的内存已由过去的MaskROM走到今日的以Embedded Flash为主流,在产品架构方面,微控制器与AD/DA等模拟组件的结合也成为强化本身价值的主要趋势。因此,32位/微控制器内存主要有MASK ROM、FLASH Memory(闪存)、On-Time Programmable(OTP) Memory等,在MASK ROM的价格上具有较强的竞争优势,而FLASH Memory有加速产品开发的特性,On-Time ProgrammableMemory则介于两者之间,一方面提供多种版本的微控制器供客户使用,另一方面,Flash-Based 微控制器最大的好处就是能够快速改变程序,藉此达到缩短产品上市时间。由此可见,因为32位/微控制器所具备的灵活应用性,可让车厂在配置车辆时的特性集成及控制算法有很大帮助。

  最后,在由技术面来看,微控制器应具备更强的功能,这是因为面对到汽车多变的应用环境,不仅对硬件稳定性、可靠性要求很高,还必须要考虑设备的延展性。因此,要如何选择一项具有优势的嵌入式设备控制器,就显得相当重要,使控制器能够长时间持续在恶劣环境下,能够因应高振动、高冲击、低温、高温、温度变化剧烈和高湿度等环境问题。

  闪存微控制器MB91F467D,针对下一世代汽车电子应用所设计,并采用0.18m制程技术,具备更快速、储存大容量及更多的功能。MB91F467D采用嵌入式闪存技术,具备读出保护功能的1,088kB的储存容量。闪存芯片内建的预取与弹性快取功能,可确保连接至I-bus和F-bus的内存之最佳效能。MB91F467D微控制器提供64kB嵌入式RAM与32位数据,26位地址的外部总线接口,可用来连接外部内存,如:SDRAM、脉冲模式(urst-mode)闪存、或者用于绘图显示控制器(GDC)。具有3个CAN接口各自拥有32个讯息缓冲器与5个LIN-UART,而其中4个内建16 Byte Rx 和Tx FIFOs,可用来提高传输速度,而3个I2C模块则让该控制器的序列通讯接口更加完整。

  基本上,MB91F467D是藉由内建8个自由运行定时器而强化其定时器功能。此8个自由运行定时器是做为8个ICU与4个OCU模块、8个重装定时器、3个Up/Down计数模式、以及1个以4MHz主要石英振频或32 kHz子频率振频运作的实时频率(RTC)模块的时间基础。除了具备6信道步进马达控制器接口,来控制仪表板设备外,MB91F467D还内建12信道16位脉冲产生器(PPG)的脉冲产生模块、1个声音产生器,另一个则是功率因子模式(PFM)模块,而芯片中相位锁定回路(PLL)的内部工作频率可高达96MHz。

  MB91F467DA亦具备24信道10位模拟转数字控制器与1个警示比较器输入端等模拟功能,并加强了I/O驱动功能包含:2mA、5mA、或30mA的SMC驱动器。另外,MB91F467DA包含各种输入端,例如:汽车、CMOS磁滞(Hysteresis),甚至是晶体管逻辑电路(TTL)。所有输入端皆包含内部提升电阻,可以确保未使用过的针脚处于开启状态。MB91F467DA采用的是208针脚的无铅纯锡方型扁平式(QFP)封装技术。此外,此款微控制器的工作温度介于摄氏-40℃到105℃之间,运作供电电压则介于3V到5.5V之间。

  在车载式逆变器控制的32位方面,瑞萨半导体开发出RISC微控制器SH7147F,内建256KB的闪存。SH7147F是过去瑞萨所开发SuperH系列SH7047F的二代产品,采用了与SH7047F相同的100针小型封装,功能与性能均高于SH7047F,并能够与目前产品软件兼容,以现有程序便能直接取代。

  SH7147F使用SH-2CPU内核,工作频率从SH7047F的50MHz提高到了64MHz,处理性能约为SH7047F的1.3倍。此外由于配备了闪存,可随时进行一个周期的循环读取,提高了程序处理能力。另外,新开发的12位AD转换器,其转换时间比过去的10位AD转换器缩短了大约30%,可同时取样、同时转换的信道数从2个系统增加到了最多6个系统。最后,还有一个通道配备了支持车载LAN的CAN的接口,除了可以运用在汽车的动力转向系统、混合动力车等的逆变器控制之外,还可以应用于通用逆变器和交流伺服(AC SERVO)等。

  MPC5566是基于Power Architecture技术的MPC55xx车用控制器系列之一,内嵌的大容量闪存能解决汽车业对内嵌式内存持续增加的需求,让研发人员得以设计更先进的动力引擎控制系统,不仅可提高增加燃油效率,还可降低有害的废气排放。大型单芯片闪存数组能提供研发人员高效能解决方案,以支持更精密、内存存取密集(memory-intensive)的引擎控制功能。

  虽然,MPC5566控制器是MPC55xx系列的第七代组件,而这一系列组件具备可扩充特性,其接脚和原始码均兼容(pin-and code-compatible),可在多重应用中重复使用原始码。MPC55xx是以节能的e200核心为基础,并采用Power Architecture技术。利用MPC55xx的设计技术,可协助减少程序代码(code footprint)达30,以增加程序代码密度并降低内存需求的可变长度编码(VLE)功能,而根据特定装置,最高可达32k快取。该组件还具备数字讯号处理器(DSP),以及浮点运算的单一指令复合数据(SIMD)模式,可提升功能的自动编码及功能性整合,如:爆震侦测系统。

  TMS320系列中的F28015和F28016数字讯号控制器提供60MHz效能,TMS320F2801-60和F2802-60控制器是以现有的TMS320F2801和F2802组件为基础,同样提供60MHz效能。TI F280xx控制器系列共包含11颗软件和接脚兼容的组件,都具备32位DSP高效能运算核心、高度外围整合以及易于使用等优点,最适合设计人员升级目前以微控制器为基础的设计。

  所有以F280x为基础的组件都采用32位数据路径以提高效能,16/32位混合指令集则能增加程序代码密度。这些拥有高系统整合度的控制器全都内建完整的系统控制功能,包括讯号输入、12位模拟数字转换器、正交编码器脉冲 (QEP) 界面、定时器的撷取与比较、以及高达10组独立脉冲宽度调变 (PWM) 信道的讯号输出。这些控制器还能视实际配置的组件而定,提供CAN、I2C、UART和SPI端口等通讯界面。TMS320F28016是最低成本的数字讯号控制器,内含CAN通讯界面。CAN长期以来就是汽车电子常用的界面,不仅适合噪声水平很高的工业应用,还具备错误侦测与错误处理能力,为应用系统提供强大可靠的通讯能力。

  业界第一个ARM9核心90 奈米微控制器LPC3180,这个新的32位微控制器,不仅能够提供高效能和低功耗的优势,也是唯一提供向量浮点辅助处理器、整合式USB OTG、以及在0.9V电压下操作极低消耗功率模式能力的ARM9核心微控制器。飞利浦LPC3180的最高速率可达208 MHz,为许多高精度应用的理想选择,例如销售点管理系统(POS)设备、医疗及工业装置、全球定位系统(GPS)、机器人等。

  LPC3180弹性的电源管理能够容许高峰值效能(尤其是当执行浮点运算时),同时也允许系统在保留实时频率(real-time clock)和唤醒(wake-up)功能时关闭核心电源。这个新的微控制器是目前业界唯一能够提供高速且高效率硬件向量浮点辅助处理单元的ARM9微控制器。这个硬件向量浮点辅助处理器在scaler mode下可加速达4~5倍,而在最佳化的Vertor mode下达到更高的加速效能。

  为汽车市场推出首个采用ARM9的32位引擎控制器(ECU),产品编号为ML67Q2003微控制器,采用272接脚QFP封装,具有双通道CAN,它的频率频率达80Hz。此项产品整合ARM966E-S核心CPU、ARM VFP-9向量浮点协同处理器、1MB嵌入式闪存和48KB SRAM,可处理复杂的燃烧监视,提高燃料效率,还可以处理其它关键的引擎功能,如油门、定时、油温及压力、电池、传输及车闸等。

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