作者：
James Goings，射频与轿车运用司理
Timothy Grai，射频与轿车运用司理
Juergen Strohal，射频与轿车运用司理
摘要
轿车制造商一向热衷于运用信息文娱、舒适操控等电子体系为他们的高端品牌添加价值。那些曾专归于高端车型的功用装备现在正成为热销量产车型的标配。轿车电子体系现已被视为一项重要的差异竞赛力。因而，微操控器正成为轿车中无处不在的器材。现在，轿车电子体系规划工程师面对的一大应战是怎么保证轿车中各个运用和体系之间的通讯。其间的要害便是接口。
本文要点论述三个范畴的轿车电子运用，并讨论所需衔接及其完成办法，以及工程师或许遇到的与运用有关的应战。
前语
在轿车中运用各种电子体系的趋势日渐增强。在一切轿车类别和车型中，这些体系已变得无处不在。电子体系已不再为高端车型所专有，运用电子体系完成轿车的每一项功用和特性已被视为促进某个品牌锋芒毕露的一种办法。据《2013年轿车电气与电子体系陈述》预算，电子体系的本钱占传统车型总本钱的40%，占电动及混合车型总本钱的75%。
芯片公司集成许多杂乱功用的才能是促进这种添加的首要动力之一。完成操控、信息文娱和其它运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意图的网络总线代替。
衔接各种轿车运用的常用办法
两种常见的轿车运用网络规范是CAN（操控器局域网络）和LIN（本地互联网络）。为了最大程度削减布线，这两种协议均选用串行通讯办法。任何一辆现代轿车中都能找到选用这两种规范的多个网络，每个网络担任特定的运用范畴。CAN网络具有一个多主节点拓扑结构，因而，被用于衔接多个电子操控单元（ECU）。与此相反，LIN总线支撑一个单主节点拓扑结构，因而，一般被用于将一个主用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总线的一种常见完成办法是选用非归零（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。它选用一种异步办法向网络中的一切节点播送报文。只需总线闲暇，任何节点都可以发送报文。它选用一种无需重试的抵触裁定及解决办法，可保证优先级最高的报文被发送出去。CAN规范（ISO11898）界说了四种不同的报文类型：数据帧、长途传输恳求帧、过错帧和过载帧。
CAN供给了一种可互连多个操控器的快速、灵敏、全面的办法，可以让各类运用同享传感器输入和其它数据。尽管如此，关于车窗操控等较为简略的运用而言，轿车制造商以为其较高的速度和多功用性是没有必要的，并且其完本钱钱也过于昂扬。LIN协会于1999年由多家抢先的轿车制造商创立。LIN供给一条单线总线，该总线遵照ISO9141规范的一个增强版别，后者自上世纪八十年代起一向被用于完成车载确诊功用。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，这也有助于将电磁搅扰降至最低。低本钱的LIN体系一般被用于轿车的舒适、传感器和致动器运用。
图1显现了各种轿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本钱。
图1 – 各种轿车网络协议的每节点本钱比照
为了满意轿车电子体系规划人员的需求，Atmel可为他们供给一整套支撑CAN和LIN运用的器材。Atmel的LIN产品组合包含独立收发器、集成了一个收发器、一个稳压器和其它功用的体系根底芯片（SBC）以及根据Atmel AVR微操控器的体系级封装与专用（ASSP）器材。Atmel的器材选用BiPolar CMOS、CMOS和DMOS（BCD on SOI技能）。它们结合高压才能和绝缘体上硅（SOI）技能，完成了高温运转、极低的走漏电流和抗闩锁才能。
图2 – 轿车LIN运用举例
本文选自本站网7月《轿车电子特刊》Change The World，转载请注明出处！
高压
图2列出了选用LIN衔接的一些运用实例。这些运用一般需求可以直接运用轿车电瓶电压高效地操控各种12V机械致动器的高压器材。运用实例包含：车窗升降、车座方位调整、雨刮器和涡轮增压器襟翼操控。芯片上一般内置驱动器，可供给高达1安培的电流。此外，还需求运用外置MOSFET。由于微操控器不能直接驱动外置MOSFET，因而有必要运用内置栅极驱动器，常见的比如是H桥和B6栅极驱动器。用于操控这些运用的任何微操控器均需运用一个低于轿车电瓶电压的作业电压，因而，一般需求运用一个低压降稳压器为MCU供给安稳电压。
一个8位Atmel微操控器一般在一个由10－16个LIN从节点组成的小集群中作业，咱们可以将其用于这些运用，一起保证所要求的呼应时刻。
抗扰才能有或许对LIN运用构成一大应战。这是由于LIN总线或许长达几米，露出于电子噪声环境。Atmel的器材具有反常牢靠的EMC/EMI（电磁兼容/电磁搅扰）特性以及6 kV的ESD（静电放电）抗扰度。轿车制造商规则有必要遵照一些通用规范，而Atmel的器材经过了这些规范的认证。Atmel在其故障安全型LIN器材中选用一种十分牢靠的SOI技能。Atmel的某些LIN器材在硬件中完成了LIN协议软件栈的最底层。这不只有助于大幅削减那些本钱灵敏型运用的物料清单（BoM），并且还能为运用开释许多闪存空间。除此之外，Atmel还与一些抢先的职业协作伙伴展开协作，以保证供给完好的出产级质量的LIN协议软件栈。
图3 – 小型直流电动机的H桥操控
Atmel最新推出的体系根底芯片ATA664151便于规划人员为LIN总线体系开发价格低廉而强壮的主从节点。它内置一个8信道高压接口、一个遵照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，可供给5V输出电压和高达80mA的电流。Atmel ATA664151专为LIN开关运用而规划，并将简直整个LIN节点集成到一个封装中。 ATA664151的强壮功用集使其关于LED操控、继电器操控、外置晶体管操控等其它许多运用也颇具价值。规划人员可以便利灵敏地装备ATA664151的高压端口，使其完美匹配所需运用。此外，ATA664151还具有各种可进步体系鲁棒性和牢靠性的功用，如过压和欠压检测、过热检测、高压端口和电源电压丈量等。
图3显现了一个选用ATA664151的电动机操控运用示例。该规划在车窗升降运用中或许较为常见，其间继电器用于为一个直流电动机供给双向驱动电流。该规划运用ATA664151的并行输出才能进步继电器的电流驱动才能。如该例所示，只是运用ATA664151、一个Atmel主控MCU和几个无源组件，咱们就能规划出一个经过LIN衔接的ECU。为了简化规划，咱们也可以将ATA664151和一个Atmel ATtiny167 MCU集成到一个封装中。
轿车门禁
另一个添加迅猛并被顾客广泛承受的轿车电子范畴便是轿车门禁体系。无线接口是完成这些体系的技能：1）300-900MHz范围内的射频（RF）和2）100-150KHz范围内的低频（LF）。每个接口都具有共同、十分合适这些运用的特色和特色。RF通讯接口一般传输间隔较远（30-300米），并且答应运用多种降噪技能来保证牢靠的数据交换。LF通讯接口的传输间隔一般要小许多（关于接纳运用，小于10米；关于收发运用，小于《 0.05米），可以从低频电磁场收集能量，并可运用远低于RF所要求的电流进行调制和解调。
Atmel从一开端就一向在为RKE体系供给RF发射器和接纳器。跟着OEM厂商要求添加传输间隔、进步牢靠性和下降功耗的呼声日益增高，Atmel持续致力于供给才能更强的新式发射器、接纳器和收发器。现在包含集成高效的微操控器技能，为门禁运用打造超低功耗的单芯片解决方案，其间包含高效、超低电流的微操控器技能。RKE车钥匙发射器的一个比如是ATA557x系列。如图4所示，它集成了一个Atmel微操控器、4K用户内存和一个固定N型PLL RF发射器。
图4 – 用于完成RKE功用的ATA577x车钥匙原理图
当今的轿车门禁体系还能供给发动机防盗锁止（IMMO）和无源开锁/无源发动（PEPS）功用。RKE彻底依赖于射频（RF）完成无线操作，而IMMO和PEPS则运用低频（LF）。装备IMMO功用的车钥匙有必要可以在不运用电池的情况下“收听”和“回应”轿车建议的查询。这要求钥匙中的操控电子元件可以运用从轿车发生的LF电磁场收集的微乎其微的电能来运转。为了让轿车可以对钥匙进行身份验证，需求运用安全性极高的高档加密规范（AES）。
图5显现了Atmel的另一个高集成度器材。如图所示，只需很少的外部元件就能完成具有RKE和IMMO功用的车钥匙。ATA5795包含一个微操控器、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：即便扣子电池耗尽电量，IMMO也彻底可以正常作业。
图5 – 用于完成RKE和IMMO功用的ATA5795车钥匙原理图
本文选自本站网7月《轿车电子特刊》Change The World，转载请注明出处！
PEPS最近越来越受欢迎，这不只由于它具有便利性（用户再也不需求在兜里探索钥匙，然后按开门键解锁车门），并且由于顾客越来越可以承受从“拧钥匙发动车辆”到“一键发动车辆”的范式改变。PEPS体系结合运用了LF和RF无线技能。人们关于PEPS体系特别感兴趣的是，要求其可以丈量车钥匙相关于轿车的方位。一旦获得该信息，轿车就能解锁车门（车钥匙坐落车外），避免意外锁车（车钥匙坐落车内），或答运用户发动车辆（车钥匙坐落车内）。
在认识到顾客对体系解决方案－而不只是是对“芯片”－感兴趣之后，Atmel几年前开端着手开发可在其上开发RKE、IMMO和PEPS体系的无线通讯协议栈，并免费向客户供给这些协议栈。一切协议栈均向客户免费敞开和供给，答应客户在他们的体系中运用和/或修正它们。这一行动促进了竞赛和互操作性，让商场各方力气可以为顾客下降体系本钱。此外，它还将这些协议栈公之于众，供专家进行同行评定，以便改善协议抵挡外部进犯的才能。一切协议栈均选用128位AES加密算法进行安全快速的身份验证，并且每一个协议栈均具有共同的可装备性，可进步规划灵敏性。
为了帮忙工程师开发轿车门禁规划，Atmel还供给ATAK51003评价工具包，它是一个完好的体系参阅规划，可为遥控无钥匙门禁（RKE）、无源开锁/无源发动（PEPS）和发动机防盗锁止（IMMO）运用供给最新的器材和开源无线协议。
人机接口/信息文娱/触控
近年来阅历了严重立异的一个轿车电子范畴便是触控感测技能，它极大改变了用户与各种车辆操控功用之间的交互办法。不管它们经过什么办法完成－按键、轮子、滑块、接触板或接触屏，触控感测操控技能正逐渐渗透到许多运用之中。这些运用开始被用于导航和信息文娱，现在则包含车内气候操控以及中控面板上的其它操控功用。这些功用可代替传统开关，或凭借按压机械按键之前的触控预见测功用改善这些开关。
近距感测功用用于在用户手指接近模块时唤醒它。例如，坐落车门把手中的近距传感器现在可用于唤醒和发动用于验证用户车钥匙的无源开锁体系。
图6 – 轿车触控运用举例
Atmel供给一系列经过轿车认证、功用杰出、呼应敏捷、定位精准、乃至支撑戴手套操作的接触屏操控器。maXTouch系列接触屏操控器最大支撑16点触控和14英寸及以上的接触屏，并可在−40至+105°C的温度范围内作业。
关于大多数根据接触屏或接触板的运用而言，抗扰才能是一个首要问题。这个问题可以经过接触屏操控器中的多种滤波算法加以解决，它们可以保证接触屏即便在噪声很大的环境中仍然可以平稳运转。将某个接触屏运用衔接至一个ECU时，需求运用CAN总线，由于关于此类运用而言，LIN的传输速率太低。只需它们坐落同一辆轿车上，触控感测操控器一般经过I2C或SPI与主控MCU/MPU通讯。
Atmel有一个名为AvantCar™（见图7）的技能展现概念，它是一个全功用的轿车中控台。该中控台配有两个大型弧形接触屏显现器，但没有装备机械按键。它选用了XSense®接触传感器、maXTouch®操控器、QTouch®技能、经过轿车认证的MCU以及用于操控环境照明的LIN驱动器。
图7 – Atmel的AvantCar中控台概念
结束语
从今以后，轿车OEM厂商将寻求集成更多的操控功用。一辆现代轿车或许配有多达50个或更多的ECU、多条CAN总线和更多的LIN总线。整合多种ECU功用将给可用的总线带宽带来更大压力，并有或许加速CAN-FD、FlexRay、Ethernet等其它总线技能在轿车上的运用。FlexRay具有一个差分总线拓扑结构，速率高达10 Mb/s。轿车Ethernet供给100 Mb/s的数据速率。CAN总线的衍生品包含CAN-FD和CAN-PN，它们也在轿车电子运用范畴找到了立锥之地。作为我司基因的一部分，咱们将持续运用咱们的技能和专业知识，推进这些运用范畴不断向前开展。
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