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  • 速銳得智能汽車車身域CANFD控制芯片MCU接口電路原理圖

    2023-07-25 11:19:36 劉國瓊

    CAN總線技術不僅涉及汽車電子和軌道交通,還涉及醫療器械、工業控制、智能家居和機器人網絡互連,這些行業對CAN產品的穩定性和抗干擾能力都有很高的要求。

    上篇我們講了在汽車CAN FD上,數據出錯可能導致數據位被錯誤地解析為填充位,或者填充位被錯誤地解析為數據位,使數據位和填充位的個數發生變化,CAN FD采用了差分信號傳輸數據,通信的可靠性很高,錯誤位個數達到8的概率幾乎為0。

    那么秉承著與其后期解決不如前期規避的設計思路,就能設計出滿足行業應用,規避奇葩問題的干擾,設計出符合汽車、交通運輸、醫療器械、工業控制、智能家居和機器人網絡互連的高可靠性CAN產品。

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    拿車身域控制芯片來舉例,車身域主要負責車身各種功能的控制。隨著整車發展,車身域控制器也越來越多,為了降低控制器成本,降低整車重量,集成化需要把所有的功能器件,從車頭的部分、車中間的部分和車尾部的部分如后剎車燈、后位置燈、尾門鎖,甚至雙撐桿統一集成到一個總的控制器里面來。

    車身域控制器一般集成BCM、PEPS、TPMS、Gateway等功能,也可拓展增加座椅調節、后視鏡控制、空調控制等功能,綜合統一管理各執行器,合理有效地分配系統資源。車身域控制器的功能眾多,包括實現燈光控制、雨刮控制、門窗控制、后視鏡折疊控制、PEPS、座椅控制等,其中燈光控制部分就包括了近光燈、遠光燈、位置燈、轉向燈、剎車燈、日行燈,雨刮部分包括了低速雨刮、高速雨刮、間隔控制和點刮,門窗控制部分包括了四門閉鎖、碰撞解鎖、自動落鎖、車窗升降及百分比、車窗防夾及一鍵升窗,后視鏡包括了折展、調節及加熱,PEPS包括了無鑰匙啟動、無鑰匙進入、迎賓功能、發動機防盜、整車電源控制與管理,座椅包括控制調節與通風、加熱,其他還包括OTA及遠程診斷、升級、刷寫等等,但包含了不限于在此列舉的功能。搭載汽車也包括了奔馳、寶馬、奧迪、保時捷、特斯拉、比亞迪、理想汽車、大眾、豐田、本田、坦克、福特等多個全球排名優秀的車企。

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    速銳得在14年從OBD進入汽車CAN總線領域,就對MCU控制芯片的主要訴求為更好的穩定性、可靠性、安全性、實時性等技術特性要求,以及更高的計算性能和存儲容量,更低的功耗指標要求。以前采用Microchip、ST為主控,芯片荒后采用了國產替代,但是在CAN FD領域,依舊采用了進口芯片。車身域控制器從分散化的功能部署,逐漸過渡到集成所有車身電子的基礎驅動、鑰匙功能、車燈、車門、車窗等的大控制器,車身域控制系統設計綜合了燈光、雨刮洗滌、中控門鎖、車窗等控制,PEPS智能鑰匙、電源管理等,以及網關CAN、可擴展CAN FD和FLEXRAY、LIN網絡、以太網等接口和模塊等多方面的開發設計技術。

    綜合來講,車身域上述各種控制功能對MCU主控芯片的工作要求主要體現在運算處理性能、功能集成度和通信接口,以及可靠性等方面。具體要求方面由于車身域不同功能應用場景的功能差異性較大,例如電動車窗、自動座椅、電動尾門等車身應用還存在高效電機控制方面的需求,這類車身應用要求MCU集成有FOC電控算法等功能。此外,車身域不同應用場景對芯片的接口配置需求也不盡相同,因此,通常需要根據具體應用場景的功能和性能要求,并在此基礎上綜合衡量產品性價比、供貨能力與技術服務等因素進行車身域MCU選型。

     

    車身域電子系統不論是對國外企業還是國內企業都處于成長初期。國外企業在如BCM、PEPS、門窗、座椅控制器等單功能產品上有深厚的技術積累,同時各大外企的產品線覆蓋面較廣,為他們做系統集成產品奠定了基礎。而國內企業新能源車車身應用上具有一定優勢。以BYD為例,在BYD的新能源車上,將車身域分為左右后三個域,重新布局和定義系統集成的產品。但是在車身域控制芯片方面,MCU的主要供貨商為仍然為英飛凌、恩智浦、瑞薩、Microchip、ST等國際芯片廠商,國產芯片廠商目前市場占有率低。

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    從通信角度來看,存在傳統CAN架構到CAN與CAN FD合并,走向CAN FD的演變過程。這里面通信速度的變化,還有帶高功能安全的基礎算力的價格降低是關鍵,未來有可能逐步實現在基礎控制器的電子層面兼容不同的功能。例如車身域控制器能夠集成傳統BCM、PEPS、紋波防夾等功能。相對來說,車身域控制芯片的技術壁壘要低于動力域、智能駕艙域等,國產芯片有望率先在車身域取得較大突破并逐步實現國產替代,近年來,國產MCU在車身域前后裝市場已經有了非常好的發展勢頭。

    目前國產車載控制域芯片主要應用于汽車前裝市場,在車身域、信息娛樂域實現了上車應用,而在底盤、動力域等領域,仍以海外意法半導體、恩智浦、德州儀器、微芯半導體、意法等芯片巨頭為主,國內僅有少數幾家企業已實現量產應用。

    國內芯片廠商芯馳在2022年4月發布高性能控制芯片E3系列產品基于ARM Cortex-R5F,功能安全等級達到ASIL D,溫度等級支持AEC-Q100 Grade 1,CPU主頻高達800MHz,具有高達6個CPU內核,是現有量產車規MCU中性能最高的產品,填補國內高端高安全級別車規MCU市場的空白。芯馳E3憑借高性能和高可靠性,可以用于BMS、ADAS、VCU、線控底盤、儀表、HUD、智能后視鏡等核心車控領域。

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    當然,如果只是簡單的基礎CAN數據收發和簡單控制,其實采用意法半導體的基本也就夠了,不管是CANFD還是標準CAN2.0,海外意法半導體都能滿足這些需求。CAN設備的典型硬件電路通常由三個部分組成,CAN控制器電路、CAN收發器電路及功能電路。在實際開發應用中,CAN控制器電路可以選擇兩種方案,一是微控制器MCU外掛獨立CAN收發器,二是集成CAN控制器的MCU,設計新產品時,建議采用方案二,理由是內置CAN控制器的MCU具有更快處理報文機制和更大的報文緩沖區,方案一常用于MCU不帶CAN控制器或者CAN控制器數量不夠的場合,設計時若外掛多個CAN控制器應注意MCU的中斷響應及數據處理能力。10年前,很多設備跑串口數據,數據輸出太快都跑死機的都有,現在倒是不會了。

     

    無論采用標準CAN還是CANFD,CAN控制器都是電路的核心元件,集成了CANBUS規范中數據鏈路的全部功能,能夠將TX\RX引腳上的電平自動完成CANBUS協議解析。在CAN設備中,MCU主要用于操作CAN控制器和驅動實際功能電路,例如,MCU在設備啟動時初始化CAN控制器的工作參數,比如波特率、驗收濾波,在CAN控制器發生中斷時處理CAN控制器的異常中斷;在總線通信過程中通過CAN控制器讀取和發送CAN幀,在破解汽車CAN協議中,采集原車CAN數據,根據接收到的數據輸出對應的CANID及字節控制信號以及驅動功能電路完成預定的功能。

     

        CAN收發器電路決定了整個CAN設備通信電氣上的可靠性和穩定性,采用體積小、隔離能力強、使用方便等優勢就可以了。

     

        功能電路是CAN設備實現的應用功能,例如I/O電路、采集電路、電機驅動電路等等。

     

     


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