混合信号微控制器提升车用嵌入式系统

2009年12月23日 15:12    李宽
关键词: 控制器 , 嵌入式 , 系统 , 信号
通过网络连接不同系统以分享信息、进行监控及增加安全性,汽车相关应用正日益精进。随着复杂度的提高,车用系统需采用更有效的电子元器件来节省空间,这也意味着印刷电路板(PCB)上的元器件势必越来越少,半导体厂商必须提供整合性与性能都更强的产品,尤其是各种微控制器(MCU)。

微控制器已被广泛使用在车用设备上,且被赋予控制更多系统功能及精简电路板空间的重大责任。8位混合信号微控制器提供多种方式以满足设计人员的此项需求,混合信号微控制器通过增添硬件功能来消除物料清单(BOM)上额外的器件需求。改良后的微控制器可以增加速率、减少内存尺寸以及扩充芯片周边,且这些都必须在极小的面积上完成。

如图1所示,采用整合方案不仅可节省空间,还可省下最高0.70美元的成本。这是因为使用混合信号微控制器可以免去使用外部组件,如参考电压源、调节器以及共振器,进而缩减了电路板面积。印刷电路板上有越多相互联结的组件,往往意味着可能出现越多的稳定性问题,现在由于所需组件减少了,稳定性便可大幅提升。

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图1 传统系统物料清单(左)与高集成度的混合信号MCU(右)的比较

另一项独一无二的特色是此整合式模拟数字转换器也是可调式衰减器,此特点允许设计人员动态衰减输入信号以符合电压参考,这项特色有下述两项优势。

其一是所有高于参考电压的输入信号可以利用全范围的输出码,也就是说设计人员的信号不会被削减,可以充分利用所有输出码至最大动态范围。

其二在于此项技术可被运用于消除各个传感器之间,如校正等变异,随之而来的优势是设计人员可使用成本较低的传感器,从而于系统内校正这些传感器。如此可用低成本传感器达到与昂贵的精确传感器等同的效果。

专用的车用序列总线也提供了设计人员效能方面的优势。举例来说,提供32独立信息的CAN 2.0引擎可支持大量网络流量,通过集成专用的区域互联网络(LIN)2.1控制器,而不由软件进行LIN仿真,汽车设计人员可以更进一步强化设计。由硬件来完成8字节信息缓冲、硬件同步以及产生检查码,如此可释放出更多CPU资源,且能允许更复杂的LIN拓扑。

车用嵌入式设备的设计人员另一项主要考虑是“运用弹性”,过去的传统是微控制器使用固定的多任务机制,所以设计人员被限制只能选择符合特定引脚的资源。混合信号微控制器可以利用交叉开关矩阵,也就是可编程交换结构,让设计人员安排数字外设于可用的I/O引脚,这种弹性简化了设计时间。

其中一例是复用资源的能力,设计人员可以有两个独立的LIN总线,并可于运行中动态重新映射分配(re-map)引脚,这可节省成本并赋予混合信号微控制器独特的灵活性。

另一例是使用纵横式矩阵来减少程序化与校正的成本,许多设计人员必须于印刷电路板组装末期使用测试仪来校正系统,在此阶段,特殊的校正中间件可以被编程到与测试仪互动的装置,微控制器资源可被使用于联结测试仪,从而加速校正并大幅缩短整体测试时间。

一旦系统校正完成,参数会被存储于非易失内存(NVM),设备的中间件也可被编程至微控制器。

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图2 消除车用系统内的噪声

由设计的观点更进一步来看,数字隔离器在CAN物理层及运行于总线的微控制器之间产生隔离段,可隔离常见的车用系统因噪声造成的影响,进一步增强性能。如图2所示,这是消除车用CAN以及LIN出现的接地回路的好方法,也适用在处于电子噪声环境下的应用。

作者:芯科实验室 Keith Odland
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