连接车载应用与系统，深度解析汽车接口技术

　　作者：

　　James Goings，射频与汽车应用经理

　　Timothy Grai，射频与汽车应用经理

　　Juergen Strohal，射频与汽车应用经理

　　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。

　　本文重点阐述三个领域的汽车电子应用，并探讨所需连接及其实现方式，以及工程师可能遇到的与应用有关的挑战。

　　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20 kb/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BiPolar CMOS、CMOS和DMOS（BCD on SOI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

　　本文选自电子发烧友网7月《汽车电子特刊》Change The World，转载请注明出处！
　　

　　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Window Watchdog和一个低压降稳压器，可提供5V输出电压和高达80mA的电流。Atmel ATA664151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Atmel ATtiny167 MCU集成到一个封装中。

　　汽车门禁

　　另一个增长迅猛并被消费者广泛接受的汽车电子领域就是汽车门禁系统。无线接口是实现这些系统的技术：1）300-900MHz范围内的射频（RF）和2）100-150KHz范围内的低频（LF）。每个接口都具有独特、非常适合这些应用的属性和特点。RF通信接口通常传输距离较远（30-300米），而且允许使用多种降噪技术来确保可靠的数据交换。LF通信接口的传输距离通常要小很多（对于接收应用，小于10米；对于收发应用，小于《 0.05米），能够从低频电磁场采集能量，并可使用远低于RF所要求的电流进行调制和解调。

　　Atmel从一开始就一直在为RKE系统提供RF发射器和接收器。随着OEM厂商要求增加传输距离、提高可靠性和降低功耗的呼声日益增高，Atmel继续致力于提供能力更强的新型发射器、接收器和收发器。目前包括集成高效的微控制器技术，为门禁应用打造超低功耗的单芯片解决方案，其中包括高效、超低电流的微控制器技术。RKE车钥匙发射器的一个例子是ATA557x系列。如图4所示，它集成了一个Atmel微控制器、4K用户内存和一个固定N型PLL RF发射器。

　　图4 – 用于实现RKE功能的ATA577x车钥匙原理图

　　当今的汽车门禁系统还能提供发动机防盗锁止（IMMO）和无源开锁/无源启动（PEPS）功能。RKE完全依赖于射频（RF）实现无线操作，而IMMO和PEPS则使用低频（LF）。配备IMMO功能的车钥匙必须能够在不使用电池的情况下“收听”和“回应”汽车发起的查询。这要求钥匙中的控制电子元件能够利用从汽车产生的LF电磁场采集的微乎其微的电能来运行。为了让汽车能够对钥匙进行身份验证，需要使用安全性极高的高级加密标准（AES）。

　　图5显示了Atmel的另一个高集成度器件。如图所示，只需很少的外部元件就能实现具备RKE和IMMO功能的车钥匙。ATA5795包含一个微控制器、安全的EEPROM、转发器和一个可对输出功率、频率和调制参数进行编程的RF发射器。注：即使纽扣电池耗尽电量，IMMO也完全能够正常工作。

　　图5 – 用于实现RKE和IMMO功能的ATA5795车钥匙原理图

　　本文选自电子发烧友网7月《汽车电子特刊》Change The World，转载请注明出处！

　　PEPS最近越来越受欢迎，这不仅因为它具备便利性（用户再也不需要在兜里摸索钥匙，然后按开门键解锁车门），而且因为消费者越来越能够接受从“拧钥匙启动车辆”到“一键启动车辆”的范式转变。PEPS系统结合使用了LF和RF无线技术。人们对于PEPS系统尤其感兴趣的是，要求其能够测量车钥匙相对于汽车的位置。一旦获得该信息，汽车就能解锁车门（车钥匙位于车外），防止意外锁车（车钥匙位于车内），或允许用户启动车辆（车钥匙位于车内）。

　　在认识到消费者对系统解决方案－而不仅仅是对“芯片”－感兴趣之后，Atmel几年前开始着手开发可在其上开发RKE、IMMO和PEPS系统的无线通信协议栈，并免费向客户提供这些协议栈。所有协议栈均向客户免费开放和提供，允许客户在他们的系统中使用和/或修改它们。这一举措促进了竞争和互操作性，让市场各方力量能够为消费者降低系统成本。此外，它还将这些协议栈公之于众，供专家进行同行评审，以便改进协议抵御外部攻击的能力。所有协议栈均采用128位AES加密算法进行安全快速的身份验证，而且每一个协议栈均具备独特的可配置性，可提高设计灵活性。

　　为了协助工程师开发汽车门禁设计，Atmel还提供ATAK51003评估工具包，它是一个完整的系统参考设计，可为遥控无钥匙门禁（RKE）、无源开锁/无源启动（PEPS）和发动机防盗锁止（IMMO）应用提供最新的器件和开源无线协议。

　　人机接口/信息娱乐/触控

　　近年来经历了重大创新的一个汽车电子领域就是触控感测技术，它极大改变了用户与各种车辆控制功能之间的交互方式。无论它们通过什么方式实现－按键、轮子、滑块、触摸板或触摸屏，触控感测控制技术正逐渐渗透到众多应用之中。这些应用最初被用于导航和信息娱乐，目前则包括车内气候控制以及中控面板上的其它控制功能。这些功能可替代传统开关，或借助按压机械按键之前的触控预感测功能改进这些开关。

　　近距感测功能用于在用户手指靠近模块时唤醒它。例如，位于车门把手中的近距传感器现在可用于唤醒和启动用于验证用户车钥匙的无源开锁系统。

　　图6 – 汽车触控应用举例

　　Atmel提供一系列通过汽车认证、性能卓越、响应迅速、定位精准、甚至支持戴手套操作的触摸屏控制器。maXTouch系列触摸屏控制器最大支持16点触控和14英寸及以上的触摸屏，并可在−40至+105°C的温度范围内工作。

　　对于大多数基于触摸屏或触摸板的应用而言，抗扰能力是一个主要问题。这个问题可以通过触摸屏控制器中的多种滤波算法加以解决，它们可以确保触摸屏即使在噪声很大的环境中依然能够平稳运行。将某个触摸屏应用连接至一个ECU时，需要使用CAN总线，因为对于此类应用而言，LIN的传输速率太低。只要它们位于同一辆汽车上，触控感测控制器通常通过I2C或SPI与主控MCU/MPU通信。

　　Atmel有一个名为AvantCar™（见图7）的技术展示概念，它是一个全功能的汽车中控台。该中控台配有两个大型弧形触摸屏显示器，但没有配备机械按键。它采用了XSense®触摸传感器、maXTouch®控制器、QTouch®技术、通过汽车认证的MCU以及用于控制环境照明的LIN驱动器。

　　图7 – Atmel的AvantCar中控台概念

　　结束语

　　从今以后，汽车OEM厂商将寻求集成更多的控制功能。一辆现代汽车可能配有多达50个或更多的ECU、多条CAN总线和更多的LIN总线。整合多种ECU功能将给可用的总线带宽带来更大压力，并有可能加快CAN-FD、FlexRay、Ethernet等其它总线技术在汽车上的应用。FlexRay拥有一个差分总线拓扑结构，速率高达10 Mb/s。汽车Ethernet提供100 Mb/s的数据速率。CAN总线的衍生品包括CAN-FD和CAN-PN，它们也在汽车电子应用领域找到了立足之地。作为我司基因的一部分，我们将继续运用我们的技术和专业知识，推动这些应用领域不断向前发展。

　　本文选自电子发烧友网7月《汽车电子特刊》Change The World，转载请注明出处！