连接车载应用与系统，深度解析汽车接口技术

 摘要

汽车制造商一直热衷于利用信息娱乐、舒适控制等电子系统为他们的高端品牌增添价值。那些曾专属于高端车型的功能配置现在正成为畅销量产车型的标配。汽车电子系统现已被视为一项重要的差异竞争力。因此，微控制器正成为汽车中无处不在的器件。目前，汽车电子系统设计工程师面临的一大挑战是如何确保汽车中各个应用和系统之间的通信。其中的关键就是接口。

前言

在汽车中使用各种电子系统的趋势日渐增强。在所有汽车类别和车型中，这些系统已变得无处不在。电子系统已不再为高端车型所专有，使用电子系统实现汽车的每一项功能和特性已被视为促使某个品牌脱颖而出的一种方式。据《2013年汽车电气与电子系统报告》估算，电子系统的成本占传统车型总成本的40%，占电动及混合车型总成本的75%。

芯片公司集成众多复杂功能的能力是促进这种增长的主要动力之一。实现控制、信息娱乐和其它应用的所需集成度意味着，传统线束的某些部分已被各种用于整合目的的网络总线替代。

连接各种汽车应用的常用方法

两种常见的汽车应用网络标准是CAN(控制器局域网络)和LIN(本地互联网络)。为了最大程度减少布线，这两种协议均采用串行通信方式。任何一辆现代汽车中都能找到采用这两种标准的多个网络，每个网络负责特定的应用领域。CAN网络拥有一个多主节点拓扑结构，因此，被用于连接多个电子控制单元(ECU)。与此相反，LIN总线支持一个单主节点拓扑结构，因此，通常被用于将一个主用ECU与一个或多个智能程度较低的专用从节点互连在一起。

CAN总线的一种常见实现方式是采用非归零(NRZ)编码的平衡差分2线接口。其典型数据速率最高可达1 Mb/s。它采用一种异步方法向网络中的所有节点广播报文。只要总线空闲，任何节点都可以发送报文。它采用一种无需重试的冲突仲裁及解决方法，可确保优先级最高的报文被发送出去。CAN标准(ISO11898)定义了四种不同的报文类型：数据帧、远程传输请求帧、错误帧和过载帧。

CAN提供了一种可互连多个控制器的快速、灵活、全面的方法，能够让各类应用共享传感器输入和其它数据。尽管如此，对于车窗控制等较为简单的应用而言，汽车制造商认为其较高的速度和多功能性是没有必要的，而且其实现成本也过于高昂。LIN协会于1999年由多家领先的汽车制造商创建。LIN提供一条单线总线，该总线遵从ISO9141规范的一个增强版本，后者自上世纪八十年代起一直被用于实现车载诊断功能。一条LIN总线上只能有一个主节点，但可以有一个或多个从节点。典型数据速率为20kb/s或更低，这也有助于将电磁干扰降至最低。低成本的LIN系统通常被用于汽车的舒适、传感器和致动器应用。

图1显示了各种汽车网络总线类型以及它们的典型数据速率和相对的每节点成本。

图1 – 各种汽车网络协议的每节点成本对比

为了满足汽车电子系统设计人员的需求，Atmel可为他们提供一整套支持CAN和LIN应用的器件。Atmel的LIN产品组合包括独立收发器、集成了一个收发器、一个稳压器和其它功能的系统基础芯片(SBC)以及基于Atmel AVR微控制器的系统级封装与专用(ASSP)器件。Atmel的器件采用BiPolarCMOS、CMOS和DMOS(BCD onSOI技术)。它们结合高压能力和绝缘体上硅(SOI)技术，实现了高温运行、极低的泄露电流和抗闩锁能力。

图2 – 汽车LIN应用举例

高压

图2列出了采用LIN连接的一些应用实例。这些应用通常需要能够直接使用汽车电瓶电压高效地控制各种12V机械致动器的高压器件。应用实例包括：车窗升降、车座位置调整、雨刮器和涡轮增压器襟翼控制。芯片上通常内置驱动器，可提供高达1安培的电流。此外，还需要使用外置MOSFET。由于微控制器不能直接驱动外置MOSFET，因此必须使用内置栅极驱动器，常见的例子是H桥和B6栅极驱动器。用于控制这些应用的任何微控制器均需使用一个低于汽车电瓶电压的工作电压，因此，通常需要使用一个低压降稳压器为MCU提供稳定电压。

一个8位Atmel微控制器通常在一个由10-16个LIN从节点组成的小集群中工作，我们可以将其用于这些应用，同时确保所要求的响应时间。

抗扰能力有可能对LIN应用构成一大挑战。这是因为LIN总线可能长达几米，暴露于电子噪声环境。Atmel的器件具备异常可靠的EMC/EMI(电磁兼容/电磁干扰)特性以及6 kV的ESD(静电放电)抗扰度。汽车制造商规定必须遵从一些通用标准，而Atmel的器件通过了这些标准的认证。Atmel在其故障安全型LIN器件中采用一种非常可靠的SOI技术。Atmel的某些LIN器件在硬件中实现了LIN协议软件栈的最底层。这不仅有助于大幅减少那些成本敏感型应用的物料清单(BoM)，而且还能为应用释放大量闪存空间。除此之外，Atmel还与一些领先的行业合作伙伴开展合作，以确保提供完整的生产级质量的LIN协议软件栈。

图3 – 小型直流电动机的H桥控制

Atmel最新推出的系统基础芯片ATA664151便于设计人员为LIN总线系统开发价格低廉而强大的主从节点。它内置一个8信道高压接口、一个遵从LIN 2.2a和SAEJ2602-2的LIN收发器、一个可调WindowWatchdog和一个低压降稳压器，可提供5V输出电压和高达80mA的电流。AtmelATA664151专为LIN开关应用而设计，并将几乎整个LIN节点集成到一个封装中。ATA664151的强大功能集使其对于LED控制、继电器控制、外置晶体管控制等其它众多应用也颇具价值。设计人员可以方便灵活地配置ATA664151的高压端口，使其完美匹配所需应用。此外，ATA664151还具备各种可提高系统鲁棒性和可靠性的功能，如过压和欠压检测、过热检测、高压端口和电源电压测量等。

图3显示了一个采用ATA664151的电动机控制应用示例。该设计在车窗升降应用中可能较为常见，其中继电器用于为一个直流电动机提供双向驱动电流。该设计利用ATA664151的并行输出能力提高继电器的电流驱动能力。如该例所示，仅仅使用ATA664151、一个Atmel主控MCU和几个无源组件，我们就能设计出一个通过LIN连接的ECU。为了简化设计，我们也可以将ATA664151和一个AtmelATtiny167 MCU集成到一个封装中。