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单片机在汽车动力总成应用领域中面临的挑战及对策

发布时间:2020-07-21 19:14:26 阅读: 来源:玻璃磨边机厂家

前言

本文引用地址:近二十年来,汽车中的半导体电子元器件成分及复杂程度一直呈增长的趋势。据统计,目前汽车中90%的新发明都与电子器件的运用直接相关。某些欧洲高档车型(如BMW7系列)中的电子控制单元(ECU)已多达80个以上。这些ECU依靠网络相互通讯联系,形成一个庞大复杂的系统。它们的工作情况,直接影响到汽车的性能。众所周知,每个ECU中一般至少有一个“大脑”——单片机。这些单片机的性能、功能和可靠性,对ECU能否正常工作是至关重要的。

汽车动力总成系统是指车辆内部产生动力并传输这些动力的所有部件的总称,其主要部分包括发动机系统及动力传输系统。动力总成系统ECU的设计之难是公认的,因此,关注这个领域出现的新问题以及它们给单片机所提出的挑战并找到有关对策,就显得意义重大。

系统性能的急速增加

当前,全球汽车工业面临的重要课题是如何不断地降低汽车油耗、减少排放以及进一步提高其驾驶性能。要做到这些,就要求ECU,特别是用于发动机管理系统(EMS)中的ECU具备运算能力越来越强大的单片机,以完成软件中各种复杂的算法和控制及实现各种硬件功能。

图1以英飞凌(Infineon)单片机的演变为例,显示了汽车用单片机30年中运算性能的发展趋势及同一时期平均油耗和排放的变化情况。从该图中可以清楚地看到单片机的运算性能在同样成本的基础上以每年30%~60%的速度增加,而车辆的平均油耗则呈不断下降的趋势,这在目前国际油价居高不下的形势下显得更有意义;同时更严格的排放标准逐一出台。目前,欧洲各汽车厂正在为所有2009年9月后出厂的新车能满足EURO5排放标准而紧锣密鼓地做准备。

汽车动力总成系统的应用领域的ECU,根据其用途大致可分为五大类:一是辅助型系统(Auxiliary Subsystem),如变速器控制或发动机散热控制模块;二是经济型系统,如某些低档1~4缸的汽油EMS或摩托车EMS;三是基本型系统,如3~5缸的汽油EMS,混合型燃料的摩托车EMS;四是主流型系统,如4~8缸的汽油EMS和4缸柴油EMS;五是高档型系统,如6~12缸的柴油EMS及直喷型汽油EMS。

可以预见的是,在今后五年内,除了第一种类别外的所有其它系统中的单片机的运算性能及片内存储器都会大致按照“摩尔定律(Moore’s Law)”增加。虽然对输入/输出口及定时器数量的需求不会有大的变化,但来自传感器的数字输入会增加,同时,需要更快速、精确度也更高的模数转换器单元。

每个动力总成系统类别有各自的特点及市场定位,其所用的单片机的运算性能和片内存储器的大小也不同。辅助型系统将由于其安装方式的不同和更多机电一体化(Mechatronization)的情况出现而变得更多样化,但所用的单片机的运算能力将变化不大,仍在10~40MIPS(注:指单片机系统总的有效数据传输速率而非内核本身仅有的数据处理能力,下同)之间,其内部存储器的大小一般会小于0.5MB。

经济型系统主要是用与摩托车或新兴市场(如印度)的微型汽车,其单片机的运算能力及内部存储器分别增加到约80MIPS及768KB左右。基本型系统将承受由产品商品化引起的成本压力,低成本小型汽车的普及更加印证了这一趋势。在这一类别中,单片机的计算能力和内部存储器会增加至90MIPS及718~1024KB左右。

主流型发动机系统以优化的系统成本及可升级性(Scalability)为主要特征。由于软件标准化的要求(如AUTOSAR的采用)及一些高端功能在这类车型中被更多地使用,所需要的单片机的运算性能也需大幅提高。此外,由于该类系统被用在多款车型中,其单片机内部需携带更多的存储器。这种类型系统中的单片机的运算能力和内部存储器的容量将从目前约160MIPS及1.5MB分别增加到5年后的260MIPS及2MB~4MB的大小。

在高档型发动机系统中,单片机的运算性能是至关重要的,预计会从目前的250MIPS增加到500MIPS,而同时内部存储器大小也会将从目前的2~4MB增加到4~5MB,在个别系统中甚至可达8MB。这么高的运算性能和存储容量如光靠一个单片机来完成,会面临设计高度复杂、制造成本昂贵、内部总线传输能力限制,甚至是芯片散热困难等一系列问题。因此将来在这类ECU的设计中,会采用多核心(Multiple-core)或多单片机的方式来分散计算任务和产生的热量。

系统成本降低的压力

目前世界汽车业整体产能过剩是个不争的事实,汽车零部件市场的竞争也趋白热化。在这种形势下,如何降低系统的开发和制造成本,成了每个ECU设计师所面临的另一个难题。

软件开发的成本在总开发成本上所占的比例越来越高。如图2所示,从2000年到2010年间,汽车软件市场以每年15%的速度增加。而与此同时,汽车半导体的市场增长率只有6.5%。预计到2010年,汽车总成本中的13%为其软件成本。软件在系统中的作用越来越重要,其复杂性也日益增加,但同时由于对软件的规范也越来越严格,必须用更多的精力把来自不同开发者的软件集成在一起,或将软件加以改造以适用于某个整车厂特定的应用环境及硬件平台,这些工作增加了成本。软件标准化将有助于减少这些成本。AUTOSAR就是在这一形势下形成的一个跨国组织。其会员包括了全球几乎所有的主要汽车生产商、一级及二级零部件供应商及软件工具的开发商。该组织的宗旨是通过不断的改进软件模块的重复使用性和可交换性来更有效地管理由于电气/电子系统结构高度集成化所带来的复杂性,从而有效地降低开发成本。

AUTOSAR的具体实施方法是生成符合一定标准的“基础软件(Basic Software)”平台,这种平台独立于任何特定的单片机硬件结构。英飞凌32位单片机TC1766被选为验证AUTOSAR标准的32位单片机结构。

随着AUTOSAR逐渐被汽车界所接受,单片机的制造商必须采取适当的策略来支持这一标准。除了设计新产品时加入某些硬件上满足其标准的功能,如更大Flash来放置更大的程序,更大的RAM来放置增多的变量及专门的存贮器保护单元(MPU)外,单片机制造商也需要在硬件推出的同时,向顾客提供单片机应用层(MCAL)所用到的底层驱动软件,并且与软件工具的开发商紧密合作,以提供能产生全套“基础软件”的程序包(Suite)。

除了通过标准化来降低软件成本外,有许多降低硬件成本的方法被逐渐采用。方法之一是由软件来实现原来必需靠硬件来实现的功能。例如,英飞凌的32位单片机TC1796所具有的高速模数转换单元及强大的DSP计算能力,可以用来实现发动机控制系统中的爆震检测和控制(Knock Detection and Control)。这种方案既节省了昂贵的ASCI硬件,又可将同一ECU用于多种传感器、发动机及车型中,而且避免了因硬件本身老化或由温度变化而引起的误差,同时也增强了对信号的诊断能力。这种用软件来代替硬件来实现某种功能的方法,也对单片机的运算能力提出了进一步更高的要求。

由于半导体器件集成度的不断提高,ECU的尺寸可望做到越来越小,这样就为采用全新的安装方式提供了可能性。例如将ECU直接放到发动机机舱或变速箱中;或采用所谓“机电一体化”的概念,直接将ECU安装在发动机冷却风扇系统中或涡轮增压装置上。这种方式,不但有可能节约硬件成本,还可能因此使机械和电子部分的零部件采购合二为一,从而改变汽车零部件的供货模式,为供货环节的优化提供条件。但是,在这种新的安装方式下,ECU所处环境的温度往往会更高,甚至超过一般汽车用单片机能承受的最高125℃的温度,能耐更高温的单片机因此就显得很重要。英飞凌最新推出的XC866HOT系列产品就是一个很好的例子。该8位单片机产品可以在140℃的高温环境下连续工作达500小时。

ECU内部与相互间通讯的复杂化

随着单片机运算性能的提高,传统的串行通讯接口,如通用异步串行接口(UART)或同步串行口(SSC)在执行ECU器件间的一些高速通讯时显得力不从心,一些新的通讯接口就应运而生。如英飞凌在32位单片机AUTO-NG系列中采用的“Micro-link Interface(MLI)”及“Micro-second Communication(MSC)”就是这样两个例子。MLI是为了改善单片机与其它器件进行数字通讯而设计的新一代高速串行口,其传递速度可达每秒30MB;而MSC主要是用于单片机与智能功率器件间的通讯,它的使用可以降低系统成本。

汽车各ECU之间的通讯相对于其内部的通讯可能会更复杂。目前,ECU间的通讯主要是依靠“点对点”、LIN或CAN总线来进行。相对于传统上靠专用线索来完成“点对点”的通讯方式,总线的引入大大地减少线束的使用,减轻了汽车的自重,提高了通讯速度及可靠性。LIN总线主要是用于速度较慢的局部网络;而CAN总线则大多是用于速度较快的骨干网络中。有时某些ECU需充当网关(GATEWAY)的角色而同时与几种传输速度不同的CAN总线相通讯,这时单片机内部往往需要带有多路的CAN总线控制器,例如TC1796中的多通道CAN模块就可同时支持4个CAN总线网络。

随着车内ECU的数量的增加,所涉及的通讯界面和数量也越来越多,LIN和CAN总线有时就无法完成实时性很强的通讯任务,在这种情况下,采用新的通讯协议就成了必然。Flexray是目前汽车工业界公认的下一代高速通讯协议标准。与CAN总线相比,Flexray不仅带宽更高,而且可靠性和实时性更好。对动力总成系统中某些对实时性要求极高的应用来讲,Flexray无疑是一个更好的通讯方式。为了配合这一发展趋势。世界主要汽车单片机的生产厂商都在新一代32位产品中集成了Flexray控制器。

结语

汽车的动力总成系统在整个车辆中的重要性是不言而喻的,而其中的ECU的设计是公认的难题。国际上这个领域的动向,以及这些动向给所用单片机带来的影响是许多业者所关注的。

本文扼要地介绍了因系统性能的快速增加、成本降低的压力及ECU内部与相互间通讯复杂化所引起的单片机设计和应用方面新的变化和发展,其中包括提高其运算能力和增加片内存储器的容量,引进新的片内外设单元,支持如AUTOSAR等新的软件标准,用软件来替代硬件来实现某些系统功能,提高单片机所能承受的环境温度,以及采用新的通讯方式和协议来实现ECU内部或相互间的高速通讯等。 参考文献:

1. AUTOSAR组织的官方网站:

2. Patrick Leteinturier: Automotive Semiconductor Trend & Challenge. Proceedings of the Conference on Design, Automation and test in Europe.

3. 英飞凌科技TC1796用户手册

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