國(guó)產(chǎn)車載MCU的突進(jìn)與創(chuàng)新

汽車新四化進(jìn)程不斷推進(jìn)，汽車電子產(chǎn)業(yè)將迎來(lái)發(fā)展黃金期。

據(jù) IC Insights 預(yù)測(cè)，車規(guī)級(jí) MCU 芯片銷售額將在 2020 年接近 65 億美元，隨后在 2021-2023 年器件漲幅逐步加大，2023 年銷售額將達(dá)到 81 億美元。

而就目前來(lái)看，全球 MCU 市場(chǎng)由瑞薩、恩智浦、英飛凌、Microchip、賽普拉斯、意法半導(dǎo)體等國(guó)外半導(dǎo)體廠商主導(dǎo)，同時(shí)高通、英偉達(dá)、英特爾等消費(fèi)電子巨頭也在極力進(jìn)入這一領(lǐng)域，相較之下，起步較晚、技術(shù)薄弱的國(guó)產(chǎn)車載 MCU 廠商處于弱勢(shì)狀態(tài)。

前不久，與非網(wǎng)一篇《為何國(guó)產(chǎn)車載 MCU 發(fā)展長(zhǎng)路漫漫？》描述了國(guó)產(chǎn)車載 MCU 的現(xiàn)狀與困境，從設(shè)計(jì)研發(fā)到生產(chǎn)良率再到車規(guī)級(jí)測(cè)試及認(rèn)證等都是擺在眼前的難題，國(guó)產(chǎn)車載 MCU 長(zhǎng)路漫漫，仍在追趕階段。

近日，四維圖旗下全資子公司 AutoChips 杰發(fā)科技車規(guī)級(jí) MCU 產(chǎn)品線又添重量級(jí)新成員——AC7801X，這是繼 2018 年底推出首顆車規(guī)級(jí) MCU 芯片 AC7811 之后，又一顆國(guó)產(chǎn) 32 位 Cortex-M0+車規(guī)級(jí) MCU 芯片，旨在進(jìn)一步拓寬國(guó)內(nèi)車身控制領(lǐng)域的市場(chǎng)份額。

據(jù)介紹，AC7801x 系列 MCU 符合 AEC-Q100 規(guī)范，適用于汽車電子和高可靠性工業(yè)應(yīng)用，主要用于電控領(lǐng)域。在汽車上可廣泛適用于天窗、車窗、座椅、ETC、LED 車燈、雨量傳感器以及倒車雷達(dá)等。

AC7801x 芯片框圖（圖源：杰發(fā)科技官網(wǎng)）

從芯片架構(gòu)圖看到，AC7801x 系列芯片基于 ARM Cortex?-M0+內(nèi)核，運(yùn)行主頻 48MHz，最高 128KB Flash，最高 20KB RAM，供電電壓支持 2.7~5.5V，具備出色 EMC/ESD 能力，能夠適應(yīng)更惡劣的環(huán)境，溫度范圍: -40 to 125℃；支持 LQFP48、QFN32、TSSOP20 三種封裝類型。

在通信模塊，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 系列芯片具備強(qiáng)大的拓展能力，成熟完善的 ARM 架構(gòu)及生態(tài)配置；先進(jìn)的 CAN-FD 滿足未來(lái)高帶寬總線拓展需求；產(chǎn)品適配 AUTOSAR 功能；大容量 Flash/RAM、豐富的外設(shè)接口可充分滿足客戶個(gè)性化及擴(kuò)展需求。同時(shí) AC7801X 具有絕佳的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)傳統(tǒng)車身包含的大量 8 位 /16 位 MCU 升級(jí)換代，助力汽車電子化跨越。

相比消費(fèi) / 工業(yè)級(jí) MCU，車規(guī)級(jí) MCU 優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在哪些方面？

車規(guī)級(jí) MCU 相比消費(fèi)級(jí)和工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，在溫度范圍、穩(wěn)定性、生產(chǎn)良率、生命周期以及認(rèn)證流程等方面存在明顯差距。

圖源：網(wǎng)絡(luò)

溫度范圍：車規(guī)級(jí) MCU 需要寬工作溫度范圍。MCU 需要在 -40℃~125℃范圍內(nèi)各個(gè)模塊均可以正常工作，例如內(nèi)置的 EEPROM 可以在高溫下保證足夠高的擦寫壽命；MCU 內(nèi)有著大量的模擬器件，需要保證這些器件在全溫范圍內(nèi)的一致性，包括 ADC、時(shí)鐘、內(nèi)部參考電壓、運(yùn)放比較器失調(diào)電壓等。

穩(wěn)定性：器件的抗干擾性能要求極高，包括抗 ESD 靜電，EFT 群脈沖，RS 傳導(dǎo)輻射等，MCU 在這些干擾下能夠做到不損壞、不死機(jī)、不復(fù)位。

生產(chǎn)良率&生命周期：車規(guī)級(jí) MCU 產(chǎn)品的批量一致性。如何把產(chǎn)品的不良率做到 1PPM，甚至更低。這對(duì)芯片公司的設(shè)計(jì)和品控都是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮如何降低功能和性能上的理論偏差，品控時(shí)測(cè)試要周密全面。產(chǎn)品使用周期要達(dá)到 15-20 年，技術(shù)難度遠(yuǎn)大于消費(fèi)電子類芯片。

認(rèn)證流程：汽車芯片落地之所以耗時(shí)較長(zhǎng)，究其原因在于認(rèn)證流程。芯片進(jìn)入汽車領(lǐng)域，必須通過兩個(gè)認(rèn)證：第一個(gè)是由北美汽車產(chǎn)業(yè)所推出的 AEC-Q100（IC）、101（離散元件）、200（被動(dòng)零件）可靠標(biāo)準(zhǔn)；第二個(gè)是要符合零失效的供應(yīng)鏈品質(zhì)管理標(biāo)準(zhǔn) ISO/TS 16949 規(guī)范中的 ASIL 安全等級(jí)。ASIL 安全等級(jí)規(guī)范了汽車電子中具體器件的安全設(shè)計(jì)要求，根據(jù)不同的控制場(chǎng)景，需要滿足不同的等級(jí)規(guī)范，以提高器件的容錯(cuò)率和故障診斷覆蓋率。每一環(huán)節(jié)都需要反復(fù)測(cè)試驗(yàn)證，即使發(fā)現(xiàn)一顆產(chǎn)品有問題，也必須從頭到尾盤查，找到根本原因并采取有效方案。

與國(guó)外同類別車載 MCU 對(duì)比，有哪些創(chuàng)新和亮點(diǎn)？

國(guó)內(nèi) MCU 行業(yè)整體起步較晚、技術(shù)較薄弱，在品牌、產(chǎn)品穩(wěn)定性、供貨能力以及產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同等方面存在不足。但本土車規(guī)級(jí) MCU 產(chǎn)品在追趕和模仿中也逐漸表現(xiàn)出新的亮點(diǎn)。

口說無(wú)憑，我們來(lái)與國(guó)際大廠同類別 MCU 來(lái)進(jìn)行一下比較：

Kinetis? EA 系列 32 位 Arm? Cortex?MCU（圖源：恩智浦官網(wǎng)）

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恩智浦 KEA 系列 32 位 MCU 是 Arm 生態(tài)合作體系的入門級(jí)產(chǎn)品，低功耗 Arm Cortex-M0+內(nèi)核和 8–128 KB 的嵌入式閃存；具備出色的 EMC/ESD 兼容性，能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，并且輻射排放較低；提供可擴(kuò)展、穩(wěn)定可靠的高性能解決方案，適用于質(zhì)量要求和長(zhǎng)期供貨保證要求都很高的汽車和工業(yè)應(yīng)用。

通信接口方面，KEA 系列芯片支持 2 個(gè) SPI 模塊、3 個(gè) UART 模塊、2 個(gè) IIC 模塊及 1 個(gè) CAN 模塊。

杰發(fā)科技 AC7801x 系列 MCU 與恩智浦（原飛思卡爾）KEA 系列相比來(lái)看，兩者在大部分功能模塊與性能參數(shù)方面相差無(wú)幾。在通信模塊部分，AC7801x 存在一定優(yōu)勢(shì)，支持多種通信接口，從而能夠通過不同的傳輸速率和性能負(fù)荷等而滿足更多的應(yīng)用場(chǎng)景。

下面來(lái)介紹一下 AC7801x 系列 MCU 在通信接口方面的升級(jí)：

·CAN 過渡到 CAN FD

CAN(Controller Area Network）是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。 在北美和西歐，CAN 總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。

隨著新能源汽車、自動(dòng)駕駛技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于 ADAS 和人機(jī)交互需求的增加，CAN 總線在傳輸速率和帶寬等方面越來(lái)越顯得“力不從心”，經(jīng)典的 CAN 總線通訊已跟不上當(dāng)下的數(shù)據(jù)量需求。因此 CAN FD 應(yīng)運(yùn)而生，以滿足車載網(wǎng)絡(luò)日益提高的帶寬和數(shù)據(jù)速率靈活性的要求。

CAN FD 是一種基于傳統(tǒng) CAN 總線標(biāo)準(zhǔn)而構(gòu)建的通信協(xié)議，與傳統(tǒng) CAN 相比，數(shù)據(jù)傳輸率提高 5 倍，數(shù)據(jù)有效負(fù)荷增加 8 倍。從之前的 1Mbps 升級(jí)到了 5 Mbps 的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，支持高達(dá) 64 字節(jié)的有效負(fù)荷。

CAN FD 在兼容性上也比較優(yōu)秀，CAN FD 可以向下兼容 CAN，但 CAN 不能向上升級(jí)。此外，CAN FD 還改善了錯(cuò)誤幀漏檢率，被視為是下一代主流汽車總線系統(tǒng)。

從需求上來(lái)看，2019 年以前，對(duì) CAN FD 的需求還沒有那么高。但 2019 年后，CAN FD 整體需求突然上升，主要原因是新能源汽車以及自動(dòng)駕駛的爆發(fā)，兩個(gè)方面產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量非常大，傳統(tǒng) CAN 傳輸數(shù)據(jù)是達(dá)不到的，因此需要升級(jí) CAN FD 來(lái)傳輸。

·CAN VS 以太網(wǎng)

提到 CAN 總線又很難繞開以太網(wǎng)，兩者圍繞在車載領(lǐng)域進(jìn)行總線之爭(zhēng)。

以太網(wǎng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)開放式的網(wǎng)絡(luò)，傳輸信號(hào)相較于 CAN 總線有著傳輸速率高、傳輸距離長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，而且技術(shù)相對(duì)成熟，掌握的人也比較多。但目前僅僅是用于汽車傳輸雷達(dá)、視頻等高速信號(hào)部分，為什么一輛車沒有全用以太網(wǎng)總線通信呢？因?yàn)橄啾纫蕴W(wǎng)，CAN 總線也存在一定的優(yōu)勢(shì)。

網(wǎng)絡(luò)安全性：從網(wǎng)絡(luò)的連接來(lái)看，CAN 總線通過物理信號(hào)來(lái)進(jìn)行連接，以太網(wǎng)則是交換機(jī)連接。在以太網(wǎng)連接中交換機(jī)是必要的，一旦交換機(jī)出現(xiàn)問題整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都將崩潰，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安危依靠交換機(jī)來(lái)承擔(dān)，存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，而若是設(shè)置冗余備用又要增加許多成本。相比之下 CAN 總線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)潔而穩(wěn)定。而且以太網(wǎng)采取超時(shí)重發(fā)機(jī)制，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的故障很容易擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，相較于 CAN 總線的分級(jí)仲裁制度遜色了不少。對(duì)于汽車網(wǎng)絡(luò)安全層面來(lái)講，CAN 總線更為適合。

成本決定：在上述安全性上提到了交換機(jī)。以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的存在必不可少，而現(xiàn)代汽車擁有越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，若是全采用以太網(wǎng)進(jìn)行通訊勢(shì)必需要一個(gè)或幾個(gè)超多接口的交換機(jī)，將會(huì)帶來(lái)成本的大幅增加。

軟件穩(wěn)定性：以太網(wǎng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)開放式的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)兼容性和互操作性好，資源共享的能力強(qiáng)，可以很容易的完成信息和資源的共享操作。然而，另一方面也增加了軟件的不穩(wěn)定性，降低了網(wǎng)絡(luò)入侵的作案成本。相對(duì)而言 CAN 總線是一個(gè)專用的現(xiàn)場(chǎng)總線，軟件穩(wěn)定性較高。

上面大概介紹了 CAN 總線和以太網(wǎng)兩種網(wǎng)絡(luò)方式的優(yōu)勢(shì)和不足，綜合兩者特點(diǎn)，就目前技術(shù)而言，車載以太網(wǎng)為主干，CAN FD 作為子系統(tǒng)的通訊方式較為可行，這樣既保留了 CAN 實(shí)時(shí)、安全的特性，又能夠提升通訊速度與傳輸距離，同時(shí)還保證了成本的控制，是當(dāng)前階段的最佳選擇。

·UART-LIN（UART 實(shí)現(xiàn) LIN 通信）

在 AC7801x 芯片框圖中可以看到，支持 3 路 UART 之外，還支持 2 路 UART-LIN，UART-LIN 又是什么呢？

UART：通用異步收發(fā)器，它不是像 SPI 和 I2C 這樣的通信協(xié)議，而是 MCU 中的物理電路或獨(dú)立的 IC，是一個(gè)微控制器外設(shè)，主要用途是發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。現(xiàn)在幾乎每個(gè) MCU 都標(biāo)配 UART，主要的功能是用來(lái)跟上位機(jī)連接的，以便讓上位機(jī)對(duì)其進(jìn)行調(diào)試或者執(zhí)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)通信，比如顯示一下狀態(tài)、傳遞幾個(gè)命令等。UART 雖然速率比較低，但不可或缺。

而 UART-LIN 是 LIN 總線（Local Interconnect Network）基于 UART 數(shù)據(jù)格式的低成本串行通訊協(xié)議。

LIN 總線是針對(duì)汽車分布式電子系統(tǒng)而定義的一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，采用單主控制器 / 多從設(shè)備的模式，是 UART 中的一種特殊情況。LIN 網(wǎng)絡(luò)在汽車中一般不獨(dú)立存在，通常會(huì)與上層 CAN 網(wǎng)絡(luò)相連，形成 CAN-LIN 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，為 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)提供輔助功能。

由于 CAN 總線成本較高，處處都用 CAN 總線的話，整車的總線架構(gòu)成本將會(huì)變得很高。因此，在一些對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬、性能或容錯(cuò)功能沒有過高要求的應(yīng)用（智能傳感節(jié)點(diǎn)，如車窗、后視鏡、大燈、車鎖等），在不需要 CAN 總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，可以使用 LIN 總線來(lái)節(jié)省成本。

LIN 總線采用的是單線傳輸形式，應(yīng)用了單主機(jī)多從機(jī)的概念，總線電平一般為 12V，傳輸速率最高限制為 20Kbit/s。由于物理層的限制，一個(gè) LIN 網(wǎng)絡(luò)最多可以連接 16 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

LIN 的特點(diǎn)

• 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)與若干個(gè)從節(jié)點(diǎn)構(gòu)成；
• 使用 LIN 總線可以大幅度削減成本；
• 傳輸具有確定性，傳播時(shí)間可以提前計(jì)算；
• LIN 具有可預(yù)測(cè)的 EMC（電磁兼容性）性能，為了限制 EMC 的強(qiáng)度，LIN 協(xié)議規(guī)定最大傳輸速率為 20kbps；
• LIN 總線提供信號(hào)的配置、處理、識(shí)別和診斷功能。

LIN 總線與 CAN 總線是汽車上重要的兩種總線，其中 LIN 總線在車身電子（BCM）的設(shè)計(jì)中運(yùn)用廣泛，也是 ECU 設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的部分。

對(duì)于 LIN 總線的發(fā)展前景，知乎某汽車工程師 Rechuin 表示，在很多整車廠中大燈模塊都是掛在 CAN 線上的，隨著原來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬、性能沒有過高要求的應(yīng)用功能性增強(qiáng)（如大燈隨動(dòng)轉(zhuǎn)向自動(dòng)調(diào)節(jié)等一系列功能的增加），LIN 逐漸不能滿足通信需求，所以開始轉(zhuǎn)向 CAN 總線是個(gè)很好的選擇。

此外，某車聯(lián)網(wǎng)終端產(chǎn)品經(jīng)理張揚(yáng)也認(rèn)為，LIN 慢慢將會(huì)被淘汰，一方面因?yàn)?CAN 成本越來(lái)越低，無(wú)論從開發(fā)費(fèi)用還是單件價(jià)格比 LIN 節(jié)點(diǎn)都貴不了多少；另一方面 LIN 速度太低，幾乎沒法做 OTA（Over The Air，空中下載）升級(jí)。

結(jié)語(yǔ)

隨著國(guó)際貿(mào)易摩擦不斷升級(jí)，對(duì)國(guó)內(nèi)車企引入國(guó)外核心技術(shù)及核心零部件都增加了障礙。但嚴(yán)峻的形勢(shì)也為中國(guó)汽車行業(yè)提供了機(jī)會(huì)，勢(shì)必加速中國(guó)汽車芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，加快自主研發(fā)和創(chuàng)新的步伐，汽車芯片國(guó)產(chǎn)替代迎來(lái)了歷史機(jī)遇。

車載 MCU 作為汽車芯片中的核心產(chǎn)品，未來(lái)將與其他自主設(shè)計(jì)的汽車信息娛樂系統(tǒng) SOC、MEMS、模擬器件產(chǎn)品線形成有效聯(lián)動(dòng)，助力汽車“新四化”，不斷推動(dòng)國(guó)產(chǎn)芯片自主化進(jìn)程。

AutoChips 杰發(fā)科技在內(nèi)的本土企業(yè)，在推動(dòng)自主化進(jìn)程的路上已經(jīng)邁開了步子。