隨著小汽車、卡車和SUV中電子信息內(nèi)容的不斷增加,每輛新車中所用的微控制器的數(shù)量也在逐年上升。目前有大量8位、32位和16位MCU被用來執(zhí)行關(guān)鍵任務(wù),如剎車和燈光系統(tǒng),然而,新型的MCU還用于創(chuàng)新性的信息顯示和視頻娛樂功能。隨著單位成本的下降,汽車制造商以及他們的一級供貨商尋求產(chǎn)品的差異化以及性能的不斷改進,這一趨勢將會繼續(xù)保持。
基于已頒布標準(如CAN和LIN)的控制器在不斷改進。如今新的MCU可以支持發(fā)動機和車身控制設(shè)備所需的三組CAN連接-最高端的32位控制器最多可提供6個CAN通道。它們還支持與用于座位調(diào)節(jié)、儀表盤以及其他乘客舒適度調(diào)節(jié)功能的LIN總線的互聯(lián)。今年,隨著制造商力圖增加關(guān)鍵任務(wù)系統(tǒng)中服務(wù)的冗余度和質(zhì)量,FlexRay標準得到了首次實際應(yīng)用。目前FlexRay和已經(jīng)頒布的標準(例如CAN總線)是協(xié)同實現(xiàn)的。不過從中長期來看(也許比預(yù)期的還要快),FlexRay將在絕大多數(shù)的汽車系統(tǒng)中替代CAN總線。
還有其他一些提升MCU性能的因素,包括閃存的增加,即便是8位MCU,而且出現(xiàn)了在寬溫度范圍內(nèi)能夠滿足汽車規(guī)范的低功率MCU。目前設(shè)計師有許多選擇,并且許多情況下都是全集成的解決方案。
針對汽車應(yīng)用的MCU性能的改善和提高在各種MCU上皆可體現(xiàn),從低成本、高效的8位控制器一直到超高集成度、高性能的32位產(chǎn)品。目前已在8位、16位和32位MCU上加入了看門狗定時器以及像轉(zhuǎn)換器這類的外設(shè)。還有閃存,這為許多需要迅速更新小存儲區(qū)內(nèi)容的應(yīng)用提供了可靠性和多功能性。閃存器件改寫程序很方便-有時候僅需幾秒鐘即可完成程序重寫。閃存技術(shù)還能仿效EEPROM,使設(shè)計師可以減少外部元件。閃存還能提供安全風(fēng)險的防護。工藝技術(shù)的升級使得在板上實現(xiàn)足夠量的閃存成為可能。目前富士通和其他制造商普遍采用的微米工藝能夠在32位MCU上集成4MB的閃存和高達128kB的RAM。
不過設(shè)計師在進行選擇時通常要面臨成本性能方面的折中。如果成本是極為重要的因素,可以選用新的8位MCU,特別是用于像門控、溫度控制、座位調(diào)節(jié)或者其他乘客舒適調(diào)節(jié)系統(tǒng)這類的應(yīng)用。另一方面則是配備有閃存、定時器、外設(shè)并具備發(fā)動機管理和車身控制系統(tǒng)所需全部功能的32位MCU。
目前最新和集成度最高的32位MCU的工作速率已高達80MHz-主要的改進都是在今年才實現(xiàn)的-其中包括多達6個CAN通道,每通道帶有32個消息緩沖器。這些功能用于發(fā)動機控制和車內(nèi)安全系統(tǒng)特別理想。許多這種高端器件還提供LIN接口-在有些型號中提供多達7個LIN通道-能夠?qū)崿F(xiàn)車門、車鏡和雨刷控制的異步通信(UART)。
新型的車載網(wǎng)絡(luò)將提供完善的娛樂系統(tǒng)
制造商的另一個新興需求是信息系統(tǒng)和娛樂系統(tǒng),在汽車網(wǎng)絡(luò)中能夠用支持IDB-1394規(guī)范的MCU來實現(xiàn)。能夠?qū)⒁粢曨l發(fā)送到車內(nèi)各個角落的新一代32位MCU已經(jīng)面市,它可以提供像后排娛樂控制臺、地圖和GPS信息等許多新功能。汽車制造商將很快向消費者提供創(chuàng)新的A/V功能,在全車內(nèi)為后排座位和乘客提供多媒體網(wǎng)絡(luò)。這些車載網(wǎng)絡(luò)將利用銅纜或光纖傳輸,使用戶可以在小汽車,卡車和SUV中的不同屏幕上觀看各類不同的電影或PC視頻和語音,從而有效地為每個乘客提供定制的節(jié)目。
但是, 多路視頻需要大量的帶寬,并且高質(zhì)量和高可靠性非常重要。因此,實現(xiàn)這些網(wǎng)絡(luò)的第一步是標準化,這是汽車制造商和他們的OEM廠商在產(chǎn)品研發(fā)階段實能夠相互合作的基本協(xié)議。IDB-1394網(wǎng)絡(luò)協(xié)議提供了這些車載多媒體應(yīng)用所需的帶寬。
將IEEE1394用于車輛娛樂應(yīng)用有幾個優(yōu)點。該標準提供的最小比特率為400Mb/s,它要高于任何一個可替代的標準,如以太網(wǎng)或MOST-面向多媒體系統(tǒng)的傳輸標準,后者在歐洲制造的一些汽車中有實際應(yīng)用。
另外,該技術(shù)能將IDB-1394的比特率提升到800Mb/s甚至更高,使它具有很大的靈活性和通用性,隨著速度和帶寬的提升,它可以保護對部署了1394的產(chǎn)品的早期投資。由于IDB-1394可以配置成多路復(fù)用網(wǎng)絡(luò),故可以在同一物理層上同時傳輸多路音視頻流。這樣,汽車網(wǎng)絡(luò)就能夠用一根線纜傳輸復(fù)雜的信息,減少了笨重且復(fù)雜的連線。
雖然各個地區(qū)的實現(xiàn)將會視消費者應(yīng)用情況而變化,但網(wǎng)絡(luò)通常一般都包括DVD播放機、PC、手持產(chǎn)品、游戲機和其他外設(shè),并且IDB-1394支持音視頻內(nèi)容的多路傳輸,可以將信號分開來在不同通道上同時進行傳送。
實現(xiàn)方案 一是采用同步(實時)通道,它可保證每個載荷獲得指定的帶寬和延遲；二是采用異步通道,通常用來傳輸用戶指令。視頻和相關(guān)的音頻內(nèi)容以及所有與接收端圖像數(shù)據(jù)同步的音頻信號一起通過同步通道傳送到后排娛樂設(shè)備。
為了實現(xiàn)上述性能,要求采用一片特殊的、基于IDB-1394規(guī)范的新型車用MCU。IDB-1394控制器利用三個不同的通道進行載荷數(shù)據(jù)和命令的發(fā)送和接收,并提供用于視頻的接口和用于音頻的I2S接口,這些接口通過DTCP單元將數(shù)據(jù)分發(fā)到本地設(shè)備。后面再有兩個橋連接到IDB控制器的鏈路層實現(xiàn)。發(fā)送數(shù)據(jù)流發(fā)送到雙端口物理層實現(xiàn)。這些端口驅(qū)動傳輸線到下一個節(jié)點,同時支持與1394標準的各種物理層規(guī)范匹配的總線速率,包括從100Mb/s一直到400Mb/s。“物理/鏈路層控制”模塊確保完整的IDB-1394數(shù)據(jù)流在雙端口之間以全雙工的模式被復(fù)制。
基于IDB-1394標準的網(wǎng)絡(luò)可以用在采用線束布線的環(huán)形、總線型或者樹型結(jié)構(gòu)中,可取代大量用于指令傳送和模擬音頻的點對點連接或者獨立的布線,從而使得1394能夠高效地完成這些實現(xiàn)。另一個特點是能夠提供很高帶寬-通常,由1394控制器所支持的后座娛樂系統(tǒng)的帶寬要求僅為一個S400 class IDB-1394網(wǎng)絡(luò)單同步通道可用帶寬的25%,故還有很大的富裕帶寬,可以將多路視頻圖像增加到網(wǎng)絡(luò)上,或者增加PC、存儲設(shè)備以及手持設(shè)備。
單芯片IDB1394控制器是汽車電子設(shè)計的理想選擇
用于上述這些娛樂網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的理想解決方案是在一個硅片上集成物理和數(shù)據(jù)鏈路層的單芯片方案,該方案應(yīng)支持1394貿(mào)易協(xié)會支持的最新定義的video-on-1394協(xié)議,它兼容數(shù)字傳輸復(fù)制保護(DTCP)標準。DTCP對于防止非法復(fù)制極為重要,可以確保得到希望保護版權(quán)的內(nèi)容提供商的支持。使用視頻接口以及與之相隨的I2S接口,包括傳輸碼流的能力,這些都能顯著減少車載網(wǎng)絡(luò)中主處理器的開銷,從而使系統(tǒng)能夠高效率地處理音視頻。基于MCU的網(wǎng)絡(luò)是一個出色的系統(tǒng),目前主流汽車制造商正在開始采用。
來自富士通微電子公司的MB88388A就是這樣一種器件,該器件實現(xiàn)了一個專有的SmartCODEC,這是富士通研發(fā)的視頻codec,符合IDB-1394標準。SmartCODEC發(fā)送高清視頻不會產(chǎn)生明顯可感覺到的延遲,并能確保在基于1394的系統(tǒng)中不出現(xiàn)音頻或視頻瓶頸。可以利用一個IDB-1394控制器來實現(xiàn)SmartCODEC,無需任何外部的MPEG編碼和解碼就可以支持DVD視頻、數(shù)字電視和導(dǎo)航圖像。它利用一個新型的、更快的和創(chuàng)新性的編解碼算法對YUV數(shù)字信號和RGB數(shù)字信號格式的原始數(shù)據(jù)進行壓縮,在2-3毫秒內(nèi)就能將原始數(shù)據(jù)壓縮到原來的1/3。
基于新標準的車載娛樂MCU在數(shù)量和種類上不斷豐富了車用8位、16位和32位控制器品種。配有存儲器、外設(shè)和其他集成功能,并支持如CAN和LIN這些現(xiàn)有成熟的汽車網(wǎng)絡(luò)標準,8位、16位和32位的MCU將繼續(xù)向新型創(chuàng)新性汽車應(yīng)用發(fā)展。基于FlexRay和IDB-1394這些新興標準的新型控制器已經(jīng)面市,這些控制器可以實現(xiàn)最具創(chuàng)新性和激動人心的發(fā)動機控制、車身控制以及車載娛樂系統(tǒng)。
作者:Akio Nezu
嵌入式系統(tǒng)解決方案部高級經(jīng)理
Fujitsu Microelectronics America, Inc
