[讨论] MCU成为现代汽车技术核心部件

随着X-By-Wire、Telematics、Car-PC等车用信息技术概念逐渐 变为现实，现代汽车已由传统的机械平台，逐渐过渡到集机械、电子 和信息技术于一体的高技术平台，同时也标志着汽车已由功能单一的 交通工具，转化为人们生存的第三信息空间。作为现代电子技术和信 息技术核心的MCU家族的全体成员参与并见证了整个转换过程，并成为 现代汽车技术的核心部件。 高性能MCU使汽车变得 更加安全、环保和节能 发动机、变速器、转向系统、制动系统、悬架系统是涉及汽车安 全、环保和节能的关键性部件，随着人们对安全、环保和节能要求的 不断提高，上述这些系统的控制算法变得越来越复杂，不断提高MCU 的性能是应对复杂控制算法的唯一措施。 在MCU最初涉及发动机控制时，采用的是MOTOROLA的HC08、SIE MENS基于8051核的C500系列或类似的8位MCU。由于受MCU的性能、控 制算法等方面的约束，当时发动机控制的实施控制算法的原程序大约 在1000行左右，MCU执行代码长度还不到4K Bytes，其发动机的尾气 排放还达不到欧II的标准，而控制对象仅仅是单一的发动机。随着节 能和环保要求的日益提高，达到欧IV将成为各个国家对汽车发动机 尾气排放的强制标准，传统的8位MCU在性能上已不能满足发动机控制 的要求，16位MCU已成为今天发动机控制的主流MCU，32位MCU也逐渐进 入发动机控制应用领域。 在以汽油和柴油为能源的汽车中，虽然用于发动机控制的MCU已 由传统的8位MCU，经过16位MCU，并逐渐向高性能的32位MCU过渡，其 控制方案也变得更加复杂，其发动机的控制性能也在不断提高，发动 机的尾气排放达到欧IV已成为事实，但还是只有一个电子控制单元， 而且以单MCU控制为主。由于能源危机和环保的需求，新能源和多能 源混合动力汽车已成为未来汽车的发展方向。在以氢为动力的燃料电 池汽车中，其动力系统需要多个电子控制单元进行协调控制，因此汽 车动力系统的控制已由单MCU控制为主过渡到多MCU控制。 汽车动力性能及其道路性能的提高使行车速度越来越快，为了应 对突发事件，保证行车安全，其制动系统由过去模拟人们点刹的ABS 系统过渡到ESP系统。从工作原理上分析，ABS与ESP的主要区别是，ABS 根据轮速控制车轮制动力，其控制过程相对简单，8位MCU就能满足要 求；而ESP则是综合了轮速、转向、车辆的稳定性来控制车轮的制动 力，其控制过程复杂，涉及因素多，通常采用16位或32位MCU。 由于发动机、变速器、转向系统、制动系统、悬架系统涉及汽车 安全、环保和节能，而且它们的附加值高，对MCU的成本不十分敏感， 因此应尽可能选择高性能的MCU。 随着MCU技术的不断发展，不同厂家的MCU之间的差距正在缩小， 而且许多非汽车应用的MCU在性价比上可能已超过了上述厂家的MCU， 如果仅仅从技术上来看，从事发动机、变速器、转向系统、制动系统、 悬架系统控制单元设计的汽车电子厂家对MCU的选择余地相当大，但 现实却是这些系统控制单元的MCU基本上被国际上一些大厂家所垄断。 造成这种情况的主要原因是这些厂家在MCU设计之初就和汽车电子厂 家协同工作，使设计出来的MCU最大限度地满足了汽车电子厂家对MCU 的要求。 低端MCU使汽车变得更舒适 在汽车内部除了发动机、变速器、转向系统、制动系统、悬架系 统等供汽车行走的系统外，还存在大量的辅助装置，如车灯、雨刷、 车窗、后视镜、车灯、座椅等。提高这些辅助装置的智能化程度，是 使汽车变得更加舒适的重要措施。 汽车内部辅助装置的工作原理非常简单，实现智能化也十分容易， 基本上都是基于开关量输入/输出的位式控制，甚至最低端的8位MCU 也能满足要求。如笔者最近开发成功，并已被国家知识产权局受理实 用新型专利的车用智能混合后灯控制器，它能自动识别行车环境，并 根据行车环境自动调节制动光信号的发光强度，并且具有最新奔驰S 级轿车装备的闪光制动灯功能，采用的是MICROCHIP的PIC10F200 MCU。 虽然这些辅助装置控制功能简单，但在汽车内部他们的数量众多， 如汽车中的信号灯和照明灯多达数十个，其连线复杂，并且随着MCU 控制的智能化零部件的不断增加，其信息交互也变得更加复杂，为了 减少线束、降低成本，通常这些MCU具有CAN、LIN等通信功能。 由于辅助装置的附加值低、数量多，因此在满足功能的情况下， 其MCU的成本是一个重要的约束因素。 应谨慎选择车用MCU 作为现代制造业代表的汽车工业对产品质量提出近乎苛刻的要求， 汽车中任何问题都会造成数以千计的汽车召回。目前中级轿车中大约 存在50个电子控制单元，每一个都由多达300个元件组成。即使每一 元件的故障率仅为百万分之一，对于汽车厂家来说，就代表0.05%的 故障率，这是很致命的。目前，零缺陷已成为世界知名汽车电子元件 提供商的目标。 笔者作为中国汽车电子界的一位研发人员，在数年的研发工作中， 对汽车电子MCU的选型逐渐形成了以下观点，希能得到广大同行的批 评指正。 汽车电子的MCU首先应是成熟的，其次才是先进的。由于汽车电 子的迅速发展，国外半导体制造商为了抢夺市场先机，围绕新的汽车 电子理念，不断推出新产品和由新产品整合的各种应用解决方案。这 些新产品和由新产品整合的各种应用解决方案基本上没有经过实践检 验，因此存在问题是必然的。因此我们在选择MCU时，首先应是成熟 的，其次才是先进的。 汽车电子的MCU仅仅考虑温度是不够的。汽车电子的MCU不仅要求 较宽的工作温度范围，而且对MCU的应力、ESD等方面都提出与其商业 和工业级MCU不同的要求，其中AEC-Q100是由主要汽车制造商和供货 商提出并发展的业界标准规格，其内容包含他们所建议的新产品和重 大变更认证需求及程序。此标准详细规定了一组应力测试，同时定义 了应力测试驱动型认证的最低要求以及IC认证的参考测试条件。而我 们在实际工作中，半导体制造商可能仅仅提供MCU的工作温度范围来 说明他们的MCU是满足汽车要求的，这显然是不完全的。 相关链接 部分汽车MCU供应商及产品 发动机用MCU主要包括：FREESCALE的H12系列16位MCU和MPC55X 系列32位MCU；INFINEON的C166系列16位MCU。在目前的发动机控制 中，其MCU控制算法的源程序超过了100000行，MCU执行代码长度达 到数M Bytes。 在目前的ESP系统中，除了智能传感器采用低端的8位MCU，如HC08 外，采用的16位MCU主要包括FREESCALE的HC12系列，INFINEON 的C166系列，瑞萨的M16和H8系列；32位的MCU主要是FREESCALE的 MPC56X系列。ESP系统内部的信息交互采用的是CAN总线。