国产车载MCU的突进与创新

日期:2020-09-24 作者:润欣科技 返回列表

汽车新四化进程不断推进,汽车电子产业将迎来发展黄金期。


据 IC Insights 预测,车规级 MCU 芯片销售额将在 2020 年接近 65 亿美元,随后在 2021-2023 年器件涨幅逐步加大,2023 年销售额将达到 81 亿美元。


而就目前来看,全球 MCU 市场由瑞萨、恩智浦、英飞凌、Microchip、赛普拉斯、意法半导体等国外半导体厂商主导,同时高通、英伟达、英特尔等消费电子巨头也在极力进入这一领域,相较之下,起步较晚、技术薄弱的国产车载 MCU 厂商处于弱势状态。


国产车载 MCU 的现状与困境,从设计研发到生产良率再到车规级测试及认证等都是摆在眼前的难题,国产车载 MCU 长路漫漫,仍在追赶阶段。


近日,AutoChips 杰发科技车规级 MCU 产品线又添重量级新成员——AC7801X,这是继 2018 年底推出首颗车规级 MCU 芯片 AC7811 之后,又一颗国产 32 位 Cortex-M0+车规级 MCU 芯片,旨在进一步拓宽国内车身控制领域的市场份额。


据介绍,AC7801x 系列 MCU 符合 AEC-Q100 规范,适用于汽车电子和高可靠性工业应用,主要用于电控领域。在汽车上可广泛适用于天窗、车窗、座椅、ETC、LED 车灯、雨量传感器以及倒车雷达等。


1586222010424496.png


AC7801x 芯片框图(图源:杰发科技官网)


从芯片架构图看到,AC7801x 系列芯片基于 ARM Cortex®-M0+内核,运行主频 48MHz,最高 128KB Flash,最高 20KB RAM,供电电压支持 2.7~5.5V,具备出色 EMC/ESD 能力,能够适应更恶劣的环境,温度范围: -40 to 125℃;支持 LQFP48、QFN32、TSSOP20 三种封装类型。


在通信模块,本系列芯片支持 2 路 SPI、2 路 I2C、支持 1 路 CAN-FD,兼容 CAN 2.0B、支持 3 路 UART、支持 2 路 software LIN。


AC7801x 系列芯片具备强大的拓展能力,成熟完善的 ARM 架构及生态配置;先进的 CAN-FD 满足未来高带宽总线拓展需求;产品适配 AUTOSAR 功能;大容量 Flash/RAM、丰富的外设接口可充分满足客户个性化及扩展需求。同时 AC7801X 具有绝佳的性价比优势,推动传统车身包含的大量 8 位 /16 位 MCU 升级换代,助力汽车电子化跨越。


相比消费 / 工业级 MCU,车规级 MCU 优势体现在哪些方面?


车规级 MCU 相比消费级和工业级产品,在温度范围、稳定性、生产良率、生命周期及认证流程等方面存在明显差距。


温度范围:车规级 MCU 需要宽工作温度范围。MCU 需要在 -40℃~125℃范围内各个模块均可以正常工作,例如内置的 EEPROM 可以在高温下保证足够高的擦写寿命;MCU 内有着大量的模拟器件,需要保证这些器件在全温范围内的一致性,包括 ADC、时钟、内部参考电压、运放比较器失调电压等。


稳定性:器件的抗干扰性能要求极高,包括抗 ESD 静电,EFT 群脉冲,RS 传导辐射等,MCU 在这些干扰下能够做到不损坏、不死机、不复位。


生产良率&生命周期:车规级 MCU 产品的批量一致性。如何把产品的不良率做到 1PPM,甚至更低。这对芯片公司的设计和品控都是一个非常大的挑战,设计时需要考虑如何降低功能和性能上的理论偏差,品控时测试要周密全面。产品使用周期要达到 15-20 年,技术难度远大于消费电子类芯片。


认证流程:汽车芯片落地之所以耗时较长,究其原因在于认证流程。芯片进入汽车领域,必须通过两个认证:第一个是由北美汽车产业所推出的 AEC-Q100(IC)、101(离散元件)、200(被动零件)可靠标准;第二个是要符合零失效的供应链品质管理标准 ISO/TS 16949 规范中的 ASIL 安全等级。ASIL 安全等级规范了汽车电子中具体器件的安全设计要求,根据不同的控制场景,需要满足不同的等级规范,以提高器件的容错率和故障诊断覆盖率。每一环节都需要反复测试验证,即使发现一颗产品有问题,也必须从头到尾盘查,找到根本原因并采取有效方案。


与国外同类别车载 MCU 对比,有哪些创新和亮点?


国内 MCU 行业整体起步较晚、技术较薄弱,在品牌、产品稳定性、供货能力以及产业链协同等方面存在不足。但本土车规级 MCU 产品在追赶和模仿中也逐渐表现出新的亮点。


口说无凭,我们来与国际大厂同类别 MCU 来进行一下比较:


1586222061282980.png


Kinetis® EA 系列 32 位 Arm® Cortex®MCU(图源:恩智浦官网)


恩智浦 KEA 系列 32 位 MCU 是 Arm 生态合作体系的入门级产品,低功耗 Arm Cortex-M0+内核和 8–128 KB 的嵌入式闪存;具备出色的 EMC/ESD 兼容性,能够适应高温环境,并且辐射排放较低;提供可扩展、稳定可靠的高性能解决方案,适用于质量要求和长期供货保证要求都很高的汽车和工业应用。


通信接口方面,KEA 系列芯片支持 2 个 SPI 模块、3 个 UART 模块、2 个 IIC 模块及 1 个 CAN 模块。


杰发科技 AC7801x 系列 MCU 与恩智浦(原飞思卡尔)KEA 系列相比来看,两者在大部分功能模块与性能参数方面相差无几。在通信模块部分,AC7801x 存在一定优势,支持多种通信接口,从而能够通过不同的传输速率和性能负荷等而满足更多的应用场景。


下面来介绍一下 AC7801x 系列 MCU 在通信接口方面的升级:


CAN 过渡到 CAN FD


CAN(Controller Area Network)是控制器局域网络,是国际上应用最广泛的现场总线之一。 在北美和西欧,CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线。


随着新能源汽车、自动驾驶技术的快速发展,对于 ADAS 和人机交互需求的增加,CAN 总线在传输速率和带宽等方面越来越显得“力不从心”,经典的 CAN 总线通讯已跟不上当下的数据量需求。因此 CAN FD 应运而生,以满足车载网络日益提高的带宽和数据速率灵活性的要求。


CAN FD 是一种基于传统 CAN 总线标准而构建的通信协议,与传统 CAN 相比,数据传输率提高 5 倍,数据有效负荷增加 8 倍。从之前的 1Mbps 升级到了 5 Mbps 的最大数据传输速率,支持高达 64 字节的有效负荷。


CAN FD 在兼容性上也比较优秀,CAN FD 可以向下兼容 CAN,但 CAN 不能向上升级。此外,CAN FD 还改善了错误帧漏检率,被视为是下一代主流汽车总线系统。


3.png


从需求上来看,2019 年以前,对 CAN FD 的需求还没有那么高。但 2019 年后,CAN FD 整体需求突然上升,主要原因是新能源汽车以及自动驾驶的爆发,两个方面产生的数据量非常大,传统 CAN 传输数据是达不到的,因此需要升级 CAN FD 来传输。


CAN VS 以太网


提到 CAN 总线又很难绕开以太网,两者围绕在车载领域进行总线之争。


以太网作为一种标准开放式的网络,传输信号相较于 CAN 总线有着传输速率高、传输距离长等优势,而且技术相对成熟,掌握的人也比较多。但目前仅仅是用于汽车传输雷达、视频等高速信号部分,为什么一辆车没有全用以太网总线通信呢?因为相比以太网,CAN 总线也存在一定的优势。


网络安全性:从网络的连接来看,CAN 总线通过物理信号来进行连接,以太网则是交换机连接。在以太网连接中交换机是必要的,一旦交换机出现问题整个网络都将崩溃,整个网络的安危依靠交换机来承担,存在较大的风险,而若是设置冗余备用又要增加许多成本。相比之下 CAN 总线的结构简单,简洁而稳定。而且以太网采取超时重发机制,单个节点的故障很容易扩散到整个网络,相较于 CAN 总线的分级仲裁制度逊色了不少。对于汽车网络安全层面来讲,CAN 总线更为适合。


成本决定:在上述安全性上提到了交换机。以太网网络交换机的存在必不可少,而现代汽车拥有越来越多的网络节点,若是全采用以太网进行通讯势必需要一个或几个超多接口的交换机,将会带来成本的大幅增加。


软件稳定性:以太网作为一种标准开放式的网络系统兼容性和互操作性好,资源共享的能力强,可以很容易的完成信息和资源的共享操作。然而,另一方面也增加了软件的不稳定性,降低了网络入侵的作案成本。相对而言 CAN 总线是一个专用的现场总线,软件稳定性较高。


4.png


上面大概介绍了 CAN 总线和以太网两种网络方式的优势和不足,综合两者特点,就目前技术而言,车载以太网为主干,CAN FD 作为子系统的通讯方式较为可行,这样既保留了 CAN 实时、安全的特性,又能够提升通讯速度与传输距离,同时还保证了成本的控制,是当前阶段的最佳选择。


UART-LIN(UART 实现 LIN 通信)


在 AC7801x 芯片框图中可以看到,支持 3 路 UART 之外,还支持 2 路 UART-LIN,UART-LIN 又是什么呢?


UART:通用异步收发器,它不是像 SPI 和 I2C 这样的通信协议,而是 MCU 中的物理电路或独立的 IC,是一个微控制器外设,主要用途是发送和接收串行数据。现在几乎每个 MCU 都标配 UART,主要的功能是用来跟上位机连接的,以便让上位机对其进行调试或者执行简单的数据通信,比如显示一下状态、传递几个命令等。UART 虽然速率比较低,但不可或缺。


而 UART-LIN 是 LIN 总线(Local Interconnect Network)基于 UART 数据格式的低成本串行通讯协议。


LIN 总线是针对汽车分布式电子系统而定义的一种低成本的串行通讯网络,采用单主控制器 / 多从设备的模式,是 UART 中的一种特殊情况。LIN 网络在汽车中一般不独立存在,通常会与上层 CAN 网络相连,形成 CAN-LIN 网关节点,为 CAN 总线网络提供辅助功能。


由于 CAN 总线成本较高,处处都用 CAN 总线的话,整车的总线架构成本将会变得很高。因此,在一些对网络的带宽、性能或容错功能没有过高要求的应用(智能传感节点,如车窗、后视镜、大灯、车锁等),在不需要 CAN 总线的带宽和多功能的场合,可以使用 LIN 总线来节省成本。


LIN 总线采用的是单线传输形式,应用了单主机多从机的概念,总线电平一般为 12V,传输速率最高限制为 20Kbit/s。由于物理层的限制,一个 LIN 网络最多可以连接 16 个节点。


LIN 的特点


网络由一个主节点与若干个从节点构成;使用 LIN 总线可以大幅度削减成本;传输具有确定性,传播时间可以提前计算;LIN 具有可预测的 EMC(电磁兼容性)性能,为了限制 EMC 的强度,LIN 协议规定最大传输速率为 20kbps;LIN 总线提供信号的配置、处理、识别和诊断功能。


LIN 总线与 CAN 总线是汽车上重要的两种总线,其中 LIN 总线在车身电子(BCM)的设计中运用广泛,也是 ECU 设计中一个重要的部分。


对于 LIN 总线的发展前景,知乎某汽车工程师 Rechuin 表示,在很多整车厂中大灯模块都是挂在 CAN 线上的,随着原来对网络带宽、性能没有过高要求的应用功能性增强(如大灯随动转向自动调节等一系列功能的增加),LIN 逐渐不能满足通信需求,所以开始转向 CAN 总线是个很好的选择。


此外,某车联网终端产品经理张扬也认为,LIN 慢慢将会被淘汰,一方面因为 CAN 成本越来越低,无论从开发费用还是单件价格比 LIN 节点都贵不了多少;另一方面 LIN 速度太低,几乎没法做 OTA(Over The Air,空中下载)升级。


结语


随着国际贸易摩擦不断升级,对国内车企引入国外核心技术及核心零部件都增加了障碍。但严峻的形势也为中国汽车行业提供了机会,势必加速中国汽车芯片产业的发展,加快自主研发和创新的步伐,汽车芯片国产替代迎来了历史机遇。


车载 MCU 作为汽车芯片中的核心产品,未来将与其他自主设计的汽车信息娱乐系统 SOC、MEMS、模拟器件产品线形成有效联动,助力汽车“新四化”,不断推动国产芯片自主化进程。


新闻来源:与非网

返回列表