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1、1/6 摩托罗拉半导体器件在汽车电子中的应用 摩托罗拉(中国)电子 XX 半导体部 康晓敦 从 2002 年开始驶入“幸福时光”的中国汽车业不断“制造”令人意外的好消息。据国家计委最新数据显示：2002 年全国轿车的产、销量首次突破百万辆大关，分别达到 109 万辆和 112.6 万辆，增长 55%和 56%。整个汽车行业的产销形势也是一片大好，汽车产、销量双双突破 300 万辆大关，分别达到 325 万辆和 324.8 万辆，增幅逼近 40%。2002 年车市的异常红火，使汽车产业首次超过了电子产业，成为拉动工业增长的最重要动力。作为汽车产业与电子产业的完美结合，汽车电子业的发展将更加讯猛。
2、据估计近几年的年增长率均将超过 50%，成为拉动汽车工业发展的重要因素。在未来的几年中，汽车电子的发展将主要集中在汽车网络、通讯系统、收音机、动力总成、底盘控制、安全系统以及车身控制方面。据 Strategy Analytics 分析，汽车电子业总市值(Total Available Market，TAM)在 2001 年已达到 111 亿美元、2006 年将达到 161亿美元、2009 年将达到 187 亿美元。而在每辆轿车上的半导体器件平均用量 2001 年为 205美元，到 2009 年将达到 267 美元。消费者对车辆需求的增加、网络在车辆中的高速发展、安全与防盗需求的增加、机械系统到
3、电子系统的转换以及动力总成方面性能的提高，正在讯速地推动着半导体器件在汽车电子中发展。作为全球最大的汽车电子半导体器件供应商，摩托罗拉半导体部一直致力于汽车电子半导体器件的开发与推广。其丰富的半导体器件可用于所有的汽车电子系统控制单元(ECU)中。据美国 Strategy Analytics 2002 年 5 月分析，摩托罗拉汽车电子半导体的市场占有率为 12.9%，以领先于第二名(7.9%)5 个百分点的绝对优势继续在业界处于领跑地位。具体来讲，摩托罗拉在嵌入式微处理器(Embedded Microprocessor)方面处于第一位、在微控制器(Microcontroller)方面处于第一位
4、、在传感器(Sensor)、汽车用模拟器件(Automotive Analog)及无线产品(Wireless)中均处于第一位。摩托罗拉用于汽车电子的半导体器件主要包括：8/16 位微控制器(包括 HC08/HCS08、HC12/HCS12、HC05/HC11)、32 位微控制器(包括 PowerPC、ColdFire、ARM、CPU32/68K、HC16、MCORE)、数字信号处理器(DSP)(包括 DSP56800/E)、智能模拟器件(Analog)(包括智能功率器件(SmartMOS)、电子开关(E-Switch)、机械电子器件(Mechatronics)、传感器(加速度传感器、压力传感器
5、、烟雾探测器件)以及驾驶员信息系统(Driver Information System，DIS)(包括 mobilGT、数字音频、数字收音机、DSP56300)。下面具体介绍一下我们主推的一些器件：HC08 8 位微控制器是基于高性能 Flash 存储器技术的低成本芯片。其数十种不同规格的产品可使用户更方便地进行选择，而其最低可至 0.5 美元的价格可以使汽车电子产品的成本更加低廉。以汽车电子中常用于 CAN 网络控制的 MC68HC908AZ60A 为例，它是基于用户定制集成电路(CSIC)的 68HC08 中的一款低成本、高性能 8 位微控制器(MCU)。908AZ60A 采用增强型 M6
6、8HC08 中央处理单元(CPU08)，其非富的各种功能模块及专为汽车电子方面的设计可使用户在设计汽车电子控制单元(ECU)时更加方便。68HC908AZ60A 的主要特性包括：高性能 M68HC08 架构 目标代码兼容与 M6805、M146805 和 M68HC05 高达 8.4MHz 的内部总线频率 60K 字节电可擦除存储器(FLASH)FLASH 数据加密 2/6 1K 字节片内带 XX 位的电可擦除可编程存储器(EEPROM)2K 字节片内 RAM 时钟发生器模块(CGM)串行外围接口模块(SPI)串行通讯接口模块(SCI)8 位，15 通道模数转换器(ADC-15)16 位，6
7、通道定时器接口模块(TIMA-6)及 2 通道定时器接口模块(TIMB-2)可编程中断定时器(PIT)系统保护特性(包括带复位选择的看门狗(COP)电路、低电压检测、错误操作码检测和错误地址检测)低功率设计(STOP 和 WAIT 模式)主复位引脚和上电复位 5 位键盘中断模块 MS-CAN 控制器(CAN 2.0b)另外，摩托罗拉 8 位微控制器中还有具有一些特殊功能的芯片。如 908LJ12 具有 LCD驱动及红外功能；908MR 系列具有强大的 PWM 功能，可以很好地进行电机控制；908RF2 为双内核结构，除微控制器外还集成了 RF 发射器，可以非常方便地用于遥控门锁、轮胎压力监测及
8、其它可使用无线发射的系统；908SR12 具有温度及电流传感器，使得电池管理变得非常方便。在讲到 8 位微控制器时，我们有必要提到 LIN(Local Interconnect Network)。作为CAN(Controller Area Network，通常为双线双向数据传输)的补充，LIN 由一些汽车工业制造商与摩托罗拉共同为汽车工业推出。其传输速率仅可达到 20K Bit/s，所以主要用于性能、传输速度和复杂性较低的系统中。但因其连接是基于普通的串行通讯接口及通用异步接收/传送器(SCI/UART)，甚至基于主从结构、单线单向的 LIN 的从动芯片可以用普通I/O 口进行连接。因此其成本
9、可以很低，可以有效地降低系统的整体成本。9S1216 位微控制器是基于 16 位 HCS12 CPU 及 0.25 微米、高速、高性能 5.0V FLASH存储器技术的中档芯片。其较高的性能价格比使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统。同时其较简单的背景开发模式(BDM)(如图 1 所示)使得开发成本进一步降低。也使得现场开发与系统升级变得更加方便。PC 主机 单线开发器 用户目标系统 图 1 新型的 9S12 背景开发模式 9S12 的性能主要包括：高达 25MHz 的主频 高达 12K 字节的 RAM 高达 256K 字节的 FLASH 存储器 高达 4K 字节的 EEPROM 16
10、位 8 通道的定时器 多路串行接口(SCI、SPI、I2C)3/6 多达 5 个的高速 CAN 控制器及 J1850 控制器 16 通道的 8 位或 4 通道 16 位 A/D 转换器 汽车级工作温度(-40C 到 125C)而且其中还包括专用于汽车仪表盘控制的 9S12H 系列。当然，除了 9S12，我们也有一些较早推出的普通 912 微控制器，也适用于一些中等复杂程度的控制系统中。如美国德尔福(Delphi)在中国大力推广的发动机控制模块(ECM)就大量使用了摩托罗拉的 MC912DT128A微控制器。MPC5xx 是高性能的 32 位微处理器，其特有的浮点运算单元可加速运算能力以支持复杂
11、的系统应用。高性能的数据处理能力和大容量片内 FLASH 存储器使得用户的产品改进和升级更加容易。其高效率、相互兼容的 PowerPC 指令和低成本的开发方式可使用户的产品更快地进入市场，并可使用户软件在 MPC5xx 之间方便地进行移植。其性能主要包括：高达 40 或 56MHz 的主频 高达 32K 字节的 RAM 高达 1M 字节的 FLASH 存储器 多达 70 通道的定时器处理单元(TPU)(包括 PWM 控制)高性能串行接口(SCI)多达 3 个的 CAN 控制器 多达 40 通道的 10 位 A/D 转换器 低至 2.6V 的工作电压 汽车级工作温度(-40C 到 125C)并有
12、代码压缩及双向存储器操作等多项附加功能。以上 MPC5xx 的综合特性使其可方便地用于高性能的发动机管理、变速箱控制、制动控制、转向控制及通讯系统等汽车电子领域。正如 ZF 变速箱电子部总监 Runge 博士所言：“ZF 将使用摩托罗拉 PowerPC 来控制新的变速箱。公司之所以选择摩托罗拉 32 位器件是因为其高速计算的能力，这里没有第二种选择，没有别人还有类似于摩托罗拉的用于汽车的高性能微处理器。”智能模拟器件(Smart Analog)是摩托罗拉可用于汽车电子系统中非常有特色的一类芯片。由混合信号技术将普通模拟电路、高速 CMOS 电路及高电压功率驱动电路组合成一体的智能模拟器件非常适
13、于在恶劣的汽车电子环境中工作。其丰富的保护与诊断功能使得用户的目标系统更加安全与智能化。也使得用户的开发更加方便。如图 2 所示，简单来讲，您只要使用摩托罗拉的微控制器与智能模拟器件(有一些系统可能还需要传感器)，就可以方便地设计出用户的目标系统。摩托罗拉的智能模拟器件主要包括智能功率驱动器(SmartMOS)中的低端开关、高端开关、半桥驱动器及预驱动器；电源管理芯片中的开关型电压调节器与线性电压调节器；通讯协议芯片中的 LIN/ISO-9141/J-1850 物理层驱动芯片、CAN 总线物理层驱动芯片及分布式系统接口芯片；特殊功能模拟器件中的发电机电压调节器、触点监测及辅助控制芯片；及用于分
14、布式控制中的安全与传感芯片。通常的智能功率驱动芯片均具有较强的电流驱动能力(能够直接驱动负载)与各种完善的保护功能。如 4 路低端驱动器 MC33385 可以很方便地直接驱动电子燃油喷射系统中的 4个喷油器或 ABS 系统中的线圈。而具有 4 路高端驱动和 8 路低端驱动的 MC33888 更是可以驱动多达 12 个的线圈、灯、继电器或其它感性负载。而为继电器替代所设计的 MC33982 更是以其极小的导通内阻(0.2 毫欧姆)使其可以通过 60A 的持续电流。如果你需要控制电动窗或其它电机，那么使用类似于 MC33186 或 MC33486 等半桥驱动器将是最明智的选择。在电源芯片的选择中，
15、我们有一种叫做系统基础芯片(SBC)的器件(如 MC33989、MC33394等)，它不但集成了数路 5V、3.3V、2.6V 电压调节，同时还具有网络(CAN/LIN)物理层驱动4/6 及看门狗、SPI 等附加功能。当然，您也可以选择只具有网络(CAN：MC33388、LIN：MC33399)物理层驱动的芯片。图 2 典型的汽车电子控制模块组成 摩托罗拉的传感器(Sensor)种类虽然不多，但却颇具特色。基于硅微机械加工的检测单元与完善的信号调整与补偿电路相结合，使其 0-5V 的输出可以直接输入到微控制器进行采集。外观类似于普通芯片的 X 轴、Y 轴、Z 轴及 X-Y 轴双向加速度传感器不
16、仅可用于安全气囊系统的正面碰撞(40g)及侧面碰撞(250g)检测，也可使用我们低 g 值(1.5g 至 8g)的产品进行振动检测、数据采集等工作。而压力传感器更是以其广泛的压力检测 X 围应用于包括发动机电子燃油喷射控制(进气岐管绝对压力传感器)在内的多种控制系统中。下面，我们再以一个典型的汽车电子门控系统为例来说明一下摩托罗拉半导体器件在汽车电子中的应用。如图 3 所示，中央的微控制器可以根据不同要求选择 MC68HC08 系列或更高档的 9S12 系列；MC33389A 或 MC33889 可直接将汽车蓄电池电压转换成系统需要的5V，还可以将点火开关信号、车门开关信号及面板开关信号由 S
17、PI 接入到微控制器进行唤醒、复位和中断等工作，同时其具有容错功能的 CAN 物理层驱动器可将系统接入到整车网络之中；MC33884 或 MC33287 可用来实时监测面板开关的状态并可驱动面板的照明灯；MC33887、MC33883、MC33886 或 MC33395 可用于后视镜位置电机、后视镜折叠电机及门锁电机的驱动。如需要较大电流来驱动车窗玻璃的升降，我们也可以选择 MC33486 配合独立的 MOS 驱动管一起工作；另外，MC33290 可用于整个系统的诊断。除了以上所介绍的器件外，为了更好地满足用户的需要，我们也在致力于开发成套的系统解决方案。我们现有的解决方案主要包括：基于 HC
18、908 MCU 及 RF 器件的遥控门锁(RKE)及轮胎压力监测(TPMS)方案、汽车仪表盘方案、基于 16 位控制类 DSP 的动力转向方案、基于 DSP 及其它器件的数字收音机方案等等。未来几年，摩托罗拉半导体部将继续致力于汽车半导体高新产品的开发，包括为动力总成和底盘应用建立以 MPC5500 为工业标准的平台、捕捉电子连接(X-by-wire)方面的应用、影响网络标准和网络驱动产品、增加驾驶员信息系统(DIS)的解决方案、扩大智能模拟器件和传感器的市场份额、建立 HC08/HCS12 完善的 8/16 位微控制器架构。以此继续保持和扩大摩托罗拉在汽车电子半导体中的领先地位。功率 驱动
19、传感 器 MCU 信号调置 电压调节 总线接口 串行通讯 保护和诊断 预驱动 智能模拟器件 5/6 图 3 汽车电子门控系统示意图 6/6 参考文献：SG187/D REV 10，AUTOMOTIVE SELECTOR GUIDE，QUARTER 2，2002 SG187/D REV 11，AUTOMOTIVE SELECTOR GUIDE，QUARTER 1，2003 SG1006/D RVE 0，MICROCONTROLLER，QUARTER 4，2002 中国汽车新网汽车财经（2003 年 1 月 13 日）作者简介：康晓敦，男，1966 年 5 月生，1993 年清华大学汽车工程系硕士毕业，1996 年来摩托罗拉半导体部工作至今。一直致力于摩托罗拉汽车电子半导体芯片的市场推广与技术支持。联系：82 电子：peter.kangmotorola.