先進汽車儀表板及車身控制設計要領
- 李瑞棋
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今日的汽車已邁向智能化與環保化的設計時代，在智能方面透過數位電子技術來提升汽車的安全性與舒適性，並環保方面透過油電混合及電動車等設計來達到節能省碳的目標。因此，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。
在汽車電子的各個系統當中，往往需要採用微控制器(MCU)做為運作控制的核心，而汽車對電子系統的倚重，也刺激車用微控制器市場的快速成長。車用微控器涵蓋8位元、16位元、32位元等低、中、高階產品等級，各有其適合的應用系統，大致如下：
1. 8位元MCU：主要應用於車體的各個次系統，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、門控模組等較低階的控制功能。
2. 16位元MCU：主要應用為動力傳動系統，如引擎控制、齒輪與離合器控制，和電子式渦輪系統等；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。
3. 32位元MCU：主要應用包括儀表板控制、車身控制、多媒體資訊系統(Telematics)、引擎控制，以及新興的智慧性和即時性的安全系統及動力系統，如預碰撞(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。
車用MCU常見介面：CAN & LIN
隨著今日汽車對應用功能的要求愈來愈高，需整合的系統也愈來愈複雜，使得汽車電子系統對於高階32位元MCU的需求不斷提升。這類車用MCU往往被置放在高熱、多塵、劇震、電子干擾嚴重的運作環境，因此對耐受性的要求遠高於一般用途的MCU。此外，在汽車的應用環境中，車用MCU必須與多個車用電子控制裝置(ECU)相連結，其中最常見的傳輸介面為CAN和LIN。
CAN又分為高速CAN和低速CAN，高速CAN的傳輸率可以達到1 Mbps，適用於ABS、EMS等強調即時反應的應用；低速CAN則可達到125 Kbps，適合較低速的車體零件控制。此外，CAN控制器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。
LIN則是較CAN更為低速且低成本的通訊方案，採用一個主節點、多個從節點的概念(最多支援16個節點)，可達 20 kbps資料傳輸率，匯流排電纜的長度最多可以擴展到40公尺。它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。
以下將介紹應用於儀表板控制及車身控制的新一代MCU技術，並以富士通新一代的MB91770 系列和 MB91725 系列新型微控制器做為設計參考。請參考圖一。
汽車儀表板及車身控制設計要領
汽車的儀表板為駕駛提供各種即時的視覺資訊，這些資訊是輔助決策的重要參考，必須快速且準確無誤的傳遞給駕駛員知道。此外，汽車中的空調及車身控制模組(BCM)系統，負責為駕駛及乘客提供舒適的乘車環境。其中空調系統過執行最佳控制將汽車內部的溫度迅速降至較為舒適的水平，並根據來自於各個感測器的資訊保持舒適的車內溫度。BCM系統則可以集中控制多個ECU，如車門、座椅和組合開關等。
不論是儀表板控制或車身控制的MCU，都必須提供更高的處理性能、處理大量網路節點的能力、支援多種週邊連接的介面功能、可擴展電路板佈局範圍的功能、先進的記憶體架構，以及更便利的開發環境。這些設計需求分析如下：
1. 高處理性能：
MCU要提升處理性能，必須從其核心及軟、硬體系統架構下手以富士通新一代MCU的FR81S CPU核心為例，它的工作性能達到1.3MIPS/MHz，比上一代FR60核心高出30%的處理效能；因具有內置式單精確度浮點運算單元(FPU)，能夠滿足圖像處理系統和那些需要浮點操作功能的系統(如制動器控制)要求。此外，透過硬體式的FPU支援，能夠簡化軟體程式並提升運算性能。
2. 大量網路節點處理能力：
今日汽車中的CAN網路內存在著大量的內置式ECU，它們的規模隨著節點數量的增加而不斷擴大，因此車用MCU必須支援更多的訊息緩衝器(message buffer)。上一代的32位元CAN微控制器能提供達32個內置式訊息緩衝器，但現在已顯得不敷使用，以新一代富士通MCU來說，已能支援達64個內置式訊息緩衝器，而且支援CAN 2.0A/B規格及提供1Mbps的高傳輸率。
3. 廣泛介面支援能力：
車用MCU連接的週邊相當多樣，而連接的介面可能是UART、時脈同步串列、LIN-UART 和 I2C，因此必須具備彈性的介面連接能力。為了滿足此需求，富士通將內置式多功能串列介面用作串列通信介面，並透過軟體方式來切換上述各種介面，以靈活支援外部元件的通信規範，並提高系統設計的自由度。新系列MCU還提供LIN-UART 的6條通道，從而能夠與更多控制單元進行通信；其中MB91725系列因具有計時器功能的多條通道和 A/D 轉換器，更容易達成各種功能的整合。請參考圖二。
4. 可擴展電路板佈局範圍的功能：
由於車用電路板系統的佈局設計方式相當多樣，車用MCU必須能滿足這些設計的需求。一些可行的作法包括為外部匯流排介面終端配置獨立電源，使得ECU板上無需再安裝電平轉換器。此一外部匯流排介面終端的電源範圍要廣(如涵蓋3.0V至5.5V)，進而能彈性地和單元記憶體或圖像用ASIC相連。
另一個作法是讓MCU具備內置式I/O再分配的功能，透過軟體設置即可改變I/O連接埠的分配。如此一來，設計者可以更彈性地與特定週邊相連結，進而大幅提升電路板佈局的自由度。
5. 先進的記憶體架構：
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)。過去只將Flash用於程式儲存，新一代MCU的架構中也加入資料用的Flash。此架構不僅能提高資料寫入速度，因不再需要E2PROM，也能縮小電路板的面積。此外，將資料與程式同時儲存於微控制器的Flash記憶體中，也有助於防止資訊的洩露。
6. 更便利的開發環境：
一般產品必須利用ICE主單元和驗證用評估晶片來進行系統檢驗，為了降低驗證的複雜度，我們為新一代MCU產品提供晶片上(on-chip)的偵錯方式。它採用單線調試介面，可以實現汽車評估或一致性測試，並且能夠利用通用同軸電纜、在高達10米的範圍內實現小型 ICE 主單元和目標電路板之間的通信。這可以簡化按照常規難以實現的汽車評估，請參考圖三。
結論
一輛汽車中的電子系統愈來愈複雜，對於車用MCU的仰賴也愈來愈深。針對汽車儀表板及車身控制設計，必須為駕駛提供精準迅速的輔助資訊，以及便利舒適的乘車空間，因此相關的MCU也必須滿足更高的性能及更彈性的設計需求，才能為應用功能的開發帶來助益。(本文作者為富士通微電子應用技術副理)
