汽车嵌入式系统设计有哪些挑战？如何去解决？

　　汽车制造商面临着使汽车更安全、更智能及能效更高的挑战，这进而推动汽车电子技术的不断发展。电子产品一直是汽车内容中增长最快的部分，超过了机械、气动和水力。
　　嵌入式系统设计人员不断开发新的电子控制模块（ECM），以实现满足驾驶人员希望的汽车功能。对更高安全性、舒适性、保密性以及驾驶人员信息应用的不断增长的需求是汽车电子增长的主要原因。这种增长同时受到消费者喜好和***相关法规的激励，此外，由于全球市场竞争激烈，OEM对成本十分敏感。
　　基于闪存、高度集成的功率管理微控制器（MCU）不仅是ECM的基础，同时还可帮助嵌入式系统设计人员克服在实现新功能时所遇到的重大挑战。这些挑战范围广泛，从功耗和空间受限到用于诊断功能的ECM连接，同时还要保证成本效益。子系统供应商一直与自己的供应商合作开发可靠且具成本效益的创新性解决方案。利用具竞争力的解决方案来解决这些挑战是当前汽车嵌入式系统设计人员普遍采用的方法。
　　挑战一：满足功率预算
　　随着越来越多的电子产品渗入到汽车内部应用领域，ECM的数目不断增加，这使得汽车功率预算非常紧张。某些较高端的汽车甚至可能带有80多个ECM，这意味着电流负载也在不断加重。克服这一挑战的方法之一是增大电池尺寸来满足不断提高的功率要求。然而，在空间有限，并且重量也是关键因素的环境中，采用更大尺寸的电池并不总是很好的折衷方案，因为它对燃油消耗方面有负面影响。
　　一种更好的替代方案是降低这些ECM模块在汽车引擎熄火时的功耗要求。随着汽车熄火时电源负载越来越多，如自动车门开启（Keyless Entry）和信息娱乐系统等，汽车OEM已开始收紧熄火时的功率预算，要求每个ECM的功率预算不超过1mA。功率管理微控制器系列可为嵌入式设计人员提高供有力的帮助，无需牺牲性能就能实现高价值的能效工作。
　　功率管理微控制器无需外部元件，为设计人员提供了片上闪存、最大的系统效率、更强的系统稳健性和最低的成本与板空间。多个功率管理模式为设计人员提供了在不同模式间切换，以及在应用软件中整合节能程序的灵活性。这些创新性解决方案被开发来让微控制器能够更高效地执行功率管理任务，是备受汽车嵌入式系统设计人员欢迎的有力工具。微控制器在其工作频率范围上提供灵活的功率管理技术正是设计人员所希望的。功率管理微控制器必须具有通用性，给予设计人员技术可行性、成本效益方面的多种选择，以解决与先进汽车车身控制系统可靠的低功率工作相关的复杂挑战。表1总结了微控制器的功率管理功能，可供设计人员为其车身控制电子模块选择微控制器系列时参考。
　　
　　理想的微控制器系列应该为设计人员提供一个能够创建创新性节能程序的平台。该平台应该包括丰富的片上外设，比如可选振荡器和多个晶振模式、外部时钟模式、外部RC振荡器模式，以及可在软件控制下生成多个时钟频率的内部振荡器模块。图1即是一个基于功率管理微控制器的节能实例。
　　
　　低功率和可靠工作是车身控制ECM开发的主要考虑事项。图2所示为功率管理微控制器实现灵活控制和最佳低功率工作以把总体电流消耗将成本减至最小并降低功耗所需要的功能范围。
　　
　　用于可靠的低功率工作的主要片上构建模块包括一个内部振荡器、睡眠模式、上电复位（POR）功能、掉电复位（BOR）、器件复位定时器（DRT）以及上电复位定时器（PWRT）。内部振荡器对满足功率管理微控制器的必需性能要求至关重要。内部振荡器的性能可调，同时在电压和温度范围上具有稳定性，故可提供大量选择，从而让设计人员得以更严格地控制ECM的功耗，适应在线变化，减少外部元件数目，最终降低成本，提高性能。
　　在不活动期间，睡眠模式可把微控制器置于睡眠状态，将平均功耗降至最低，只在必需执行指定任务时才予以激活。DRT或PWRT都基于一个内部定时器，其使微控制器保持在复位状态，并留有足够的时间让电源电压和内部振荡器稳定。POR基于内部电路，可确保微控制器的电源电压在释放DRT之前达到最小电压值。当电源电压尖峰低于额定工作电压时，BOR通过使微控制器复位来确保微控制器的可靠工作。功率管理微控制器为设计人员提供了充分的灵活性，让他们能够针对自己的项目创建电流消耗最小化、功耗更低的嵌入式解决方案。
　　挑战二：在空间有限的环境中满足性能要求
　　车身控制ECM应用增长的主要原因是由于汽车制造商希望满足汽车目标开户的功能要求。而ECM增加的结果是可用空间越来越有限。设计人员期望微控制器的使用能够实现很高的片上外设集成度（包括数字和模拟），以支持节省空间的总体目标。图3显示了利用当前市场上常见控制器系列可实现的片上外设范围。
　　
　　微控制器架构对于支持软件移植至为关键。业界比较流行的微控制器架构可支持多种移植路径，在此，它们的向上兼容能力可优化处理效率和性能。例如，PIC微控制器架构整合了RISC功能和一个改良Harvard双总线架构，指令和数据通过独立的总线传输，从而避免了瓶颈问题处理，提高了总体系统性能。
　　强大的移植兼容能力支持工程模块的复用性，这有助于节省开发时间和总体成本。兼容能力对微控制器设计的复用非常重要。微控制器系列的标准化引脚布局支持代码库的开发，可用于大范围的应用，十分受设计人员欢迎。一个提供了插座、软件以及外设兼容能力的微控制器架构可为设计人员提供出色的灵活性。例如，每只引脚都可以用于几种外设功能，因此设计人员不必改动印刷电路板设计即可增加或切换不同的功能。最终结果是最小化甚至消除了重新设计的成本。
　　复用经过验证的工程模块不仅可节省时间和成本，还可以直接提高总体系统质量，因为工程师可借鉴以前设计的经验，并在目前设计中应用已有成果。最终，兼容能力和复用能力提高了总体的产品开发效率，在目前有经验的嵌入式设计人员缺乏的情况下，这是至关重要的。
　　挑战三：为车内多种ECM提供具成本效益的连接
　　汽车内部日益增多的ECM形成了一个汽车网络环境。车身控制电子模块可提高车内乘员的舒适性和安全性。对汽车制造商而言，先进的车身控制模块是生产出更智能化、更可靠、更安全的汽车的关键要素。车身控制电子模块可简化汽车操作并将驾驶人员从辅助活动中解放出来，从而提高汽车的安全系数。网络是车内电子架构的关键部分。单一的网络协议无法满足遍布车身的众多应用的要求。汽车电子系统架构师面临的挑战是：定义适当的网络协议以在目标预算内获得所需要的性能。因此，选择的网络协议必须匹配符合性价比要求的适当应用。
　　一旦汽车架构师予以定义，满足成本预算就成为嵌入式系统设计人员必须满足的要求。图4所示为车内采用的多个通信网络，以及实现每个节点的相关成本。目前最流行的两种汽车网络是控制器局域网和（CAN）和本地互联网（LIN）。
　　
　　CAN提供了一个多主体系，支持智能冗余系统的开发。在此类网络中，如果一个网络节点出现问题，不会影响到网络功能。消息仍通过网络广播。所有节点都能够接收、读取消息，并判断是否与自己相关以及是否需要采取行动。在这种环境中，数据完整性可得到保证，因为系统中的所有节点使用同样的信息。数据完整性通过错误检测机制和错误消息重传机制来保证。
　　LIN协议是适用于较小规模车内网络的完整通信规范。该规范包含了协议定义和物理层定义，以及开发工具和应用软件接口定义。对于汽车开关、智能传感器和致动器等不需要CAN那样大的带宽和通用性的应用，LIN提供了一个具成本效益的通信网络。LIN通信协议基于SCI（UART）数据格式，采用单主/多从方式，带有一条单线12V总线，节点时钟同步不需要稳定的时基。
　　鉴于LIN主要用于低端应用，有两个因素非常关键：首先，相比CAN，每个节点的通信成本必须相当低；其次，不需要CAN那么高的性能、带宽和通用性。相比CAN，LIN的成本节省主要来自：1. 单线传输，2. 硬件和软件可在芯片内低成本实现，3. 从节点不需要使用晶体或陶瓷谐振器。LIN和CAN协议的主要特性如表2所示。
　　
　　现在，嵌入式设计人员已可使用带片上外设支持CAN和LIN通信协议的微控制器。网关微控制器用于高速和低速CAN总线间，以及低速CAN和其它网络（比如多媒体、光纤点到点网络以及面向媒体系统传输（MOST）协议）间的切换。LIN是可直接连接到CAN网络的子总线网络。在车内ECM数目不断增加的情况下，支持这些通信协议的集成式微控制器能够帮助降低元件数目和系统成本。
　　本文小结
　　随着对现代汽车舒适性和安全性要求的不断提高，汽车变得越来越智能化。对嵌入式系统设计人员来说，微控制器是利用汽车电子模块解决有关下列挑战必不可少的工具：在车内实现具成本效益的ECM网络；在预定的有限空间内提供所需要的功能；满足预定功率预算。
　　带有大量集成外设的功率管理微控制器系列为设计人员提供了出色的灵活性和多种选择性，让他们能够创建出创新、紧凑并具成本效益的先进解决方案，满足汽车消费者的期望。对于ECM，充分的灵活性是缩短产品上市时间的重要因素。