隨著小汽車、卡車和SUV中電子信息內容的不斷增加,每輛新車中所用的微控制器的數量也在逐年上升。目前有大量8位、32位和16位MCU被用來執行關鍵任務,如剎車和燈光系統,然而,新型的MCU還用于創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品的差異化以及性能的不斷改進,這一趨勢將會繼續保持。

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可以支持發動機和車身控制設備所需的三組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節、儀表盤以及其他乘客舒適度調節功能的LIN總線的互聯。今年,隨著制造商力圖增加關鍵任務系統中服務的冗余度和質量,FlexRay標準得到了首次實際應用。目前FlexRay和已經頒布的標準(例如CAN總線)是協同實現的。不過從中長期來看(也許比預期的還要快),FlexRay將在絕大多數的汽車系統中替代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,而且出現了在寬溫度范圍內能夠滿足汽車規范的低功率MCU。目前設計師有許多選擇,并且許多情況下都是全集成的解決方案。

針對汽車應用的MCU性能的改善和提高在各種MCU上皆可體現,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換器這類的外設。還有閃存,這為許多需要迅速更新小存儲區內容的應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。閃存技術還能仿效EEPROM,使設計師可以減少外部元件。閃存還能提供安全風險的防護。工藝技術的升級使得在板上實現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、座位調節或者其他乘客舒適調節系統這類的應用。另一方面則是配備有閃存、定時器、外設并具備發動機管理和車身控制系統所需全部功能的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。這些功能用于發動機控制和車內安全系統特別理想。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-能夠實現車門、車鏡和雨刷控制的異步通信(UART)。

新型的車載網絡將提供完善的娛樂系統

制造商的另一個新興需求是信息系統和娛樂系統,在汽車網絡中能夠用支持IDB-1394規范的MCU來實現。能夠將音視頻發送到車內各個角落的新一代32位MCU已經面市,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新的A/V功能,在全車內為后排座位和乘客提供多媒體網絡。這些車載網絡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目。

但是, 多路視頻需要大量的帶寬,并且高質量和高可靠性非常重要。因此,實現這些網絡的第一步是標準化,這是汽車制造商和他們的OEM廠商在產品研發階段實能夠相互合作的基本協議。IDB-1394網絡協議提供了這些車載多媒體應用所需的帶寬。

將IEEE1394用于車輛娛樂應用有幾個優點。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,如以太網或MOST-面向多媒體系統的傳輸標準,后者在歐洲制造的一些汽車中有實際應用。

另外,該技術能將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的產品的早期投資。由于IDB-1394可以配置成多路復用網絡,故可以在同一物理層上同時傳輸多路音視頻流。這樣,汽車網絡就能夠用一根線纜傳輸復雜的信息,減少了笨重且復雜的連線。

雖然各個地區的實現將會視消費者應用情況而變化,但網絡通常一般都包括DVD播放機、PC、手持產品、游戲機和其他外設,并且IDB-1394支持音視頻內容的多路傳輸,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。視頻和相關的音頻內容以及所有與接收端圖像數據同步的音頻信號一起通過同步通道傳送到后排娛樂設備。

為了實現上述性能,要求采用一片特殊的、基于IDB-1394規范的新型車用MCU。IDB-1394控制器利用三個不同的通道進行載荷數據和命令的發送和接收,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單元將數據分發到本地設備。后面再有兩個橋連接到IDB控制器的鏈路層實現。發送數據流發送到雙端口物理層實現。這些端口驅動傳輸線到下一個節點,同時支持與1394標準的各種物理層規范匹配的總線速率,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數據流在雙端口之間以全雙工的模式被復制。

基于IDB-1394標準的網絡可以用在采用線束布線的環形、總線型或者樹型結構中,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。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的帶寬要求僅為一個S400 class IDB-1394網絡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絡上,或者增加PC、存儲設備以及手持設備。

單芯片IDB1394控制器是汽車電子設計的理想選擇

用于上述這些娛樂網絡設計的理想解決方案是在一個硅片上集成物理和數據鏈路層的單芯片方案,該方案應支持1394貿易協會支持的最新定義的video-on-1394協議,它兼容數字傳輸復制保護(DTCP)標準。DTCP對于防止非法復制極為重要,可以確保得到希望保護版權的內容提供商的支持。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絡中主處理器的開銷,從而使系統能夠高效率地處理音視頻。基于MCU的網絡是一個出色的系統,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,該器件實現了一個專有的SmartCODEC,這是富士通研發的視頻codec,符合IDB-1394標準。SmartCODEC發送高清視頻不會產生明顯可感覺到的延遲,并能確保在基于1394的系統中不出現音頻或視頻瓶頸。可以利用一個IDB-1394控制器來實現SmartCODEC,無需任何外部的MPEG編碼和解碼就可以支持DVD視頻、數字電視和導航圖像。它利用一個新型的、更快的和創新性的編解碼算法對YUV數字信號和RGB數字信號格式的原始數據進行壓縮,在2-3毫秒內就能將原始數據壓縮到原來的1/3。

基于新標準的車載娛樂MCU在數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、外設和其他集成功能,并支持如CAN和LIN這些現有成熟的汽車網絡標準,8位、16位和32位的MCU將繼續向新型創新性汽車應用發展。基于FlexRay和IDB-1394這些新興標準的新型控制器已經面市,這些控制器可以實現最具創新性和激動人心的發動機控制、車身控制以及車載娛樂系統。

作者:Akio Nezu

嵌入式系統解決方案部高級經理

      Fujitsu Microelectronics America, Inc