MCUS EN LA INDUSTRIA DEL AUTOMÓVIL

Transcripción

1 MICROCONTROLADORES en la industria del automóvil Hanna Abdelfatah Ndioubnane Microprocesadores para comunicaciones 1 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

2 ÍNDICE DE CONTENIDOS: 1. Introducción Fabricantes y productos 2.1 RENESAS Tren de potencia y chasis Familia SH705x MCU SH MCUs SH7059 Y SH7058SC Familia SH725xx SH SH72544R GRUPO GRUPO FREESCALE Familia MPC56xx y MPC55xx Familias MPC51xx y MPC52xx Familias S12 y S12X STMicroelectronics Familia SPC56xx Familia STM8A Familia ST Infineon Familia XC Familia XC Familia XC Familia XC800 A FUJITSU Familia F2MC-16FX Familia MB BIBLIOGRAFÍA Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

3 ÍNDICE DE FIGURAS: Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura Figura ÍNDICE DE TABLAS: Tabla Tabla Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

4 1. Introducción El objetivo de este trabajo es el presentar algunas de las familias de microprocesadores y microcontroladores que se usan en los automóviles hoy en día.también se va a hacer mención a los principales fabricantes relacionando cada familia de MCUs y MPUs con su correspondiente marca. El trabajo se ha enfocado básicamente en estos microprocesadores y microcontroladores y sus aplicaciones dejando un poco al margen la parte mecánica de la industria automotriz. En la última década se ha producido un incremento considerable en el uso de los microprocesadores y microcontroladores en la industria del automóvil. La razón de este incremento es la demanda del consumidor de sistemas de seguridad mejores y reforzados, sistemas de entretenimiento, funciones de comodidad incorporadas al automóvil y la preocupación por el cumplimiento de las leyes de control de emisiones. 2. Fabricantes y productos 2.1 RENESAS Este fabricante ofrece soluciones de microcontroladores para diferentes aplicaciones en la industria del automóvil. Los campos para los que trabaja son los siguientes: Tren de potencia y chasis, seguridad pasiva, seguridad activa, control de mantenimiento de dirección, tablero, cuerpo del coche y confort. El presente escrito se centra principalmente en los microcontroladores usados en el tren de potencia y chasis Tren de potencia y chasis: La demanda de sistemas de control de alta precisión para el tren de potencia está creciendo en respuesta al incremento de estrictas leyes de regulación de emisiones y a la necesidad de aumentar la eficiencia en el consumo de carburante. También como respuesta a la tendencia en la industria del automóvil hacia la estandarización y los esfuerzos en un control de las cooperativas están aumentando la demanda de un mayor rendimiento de los MCUs. RENESAS ofrece además de la ya establecida serie de MCUs SH705x, diseñada para aplicaciones de tren de potencia, una nueva línea de microrcontroladores elaborada para el core SH-2A 1 transreceptores que siguen el protocolo CAN. 2 Para tren de potencia y chasis RENESAS facilita las siguientes soluciones: sistemas para motor de gasolina, sistemas para motor diesel, sistemas de control de transmisión,sistemas para vehículos híbridos,dirección asistida electrónica,freno por cable/flexray y dirección por cable. 4 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

5 Figura 1. Mapa de familias de MCUs para tren de potencia en RENESAS: En la figura 1 se puede observar el mapa de familias de MCUs que se utilizan en Renesas para el tren de potencias. A continuación se explican los detalles más importantes de cada una de ellas Familia SH705x: La familia SH705x de microcontroladores de 32 bits está dedicada íntegramente a los sistemas de gestión del motor. Incorpora periféricos específicos para aplicaciones de tren de potencia y ofrecen la memoria flash empotrada más grande y rápida disponible actualmente.la componen los microcontroladores SH7055, SH7059 y SH7058SC MCU SH7055: El MCU SH7055 es un microcomputador de un solo chip RISC que contiene como núcleo una CPU RISC de RENESAS e incluye también funciones de periféricos necesarias para la configuración del sistema. La CPU del SH7055 contiene un set de instrucciones RISC, con las instrucciones básicas ejecutadas en un ciclo del reloj del sistema, para una mayor velocidad de ejecución de instrucciones. Emplea una configuración interna de 32 bits, y ofrece mayor rendimiento en el procesamiento de datos. Esta CPU hace posible que se puedan crear sistemas de alto rendimiento y alta funcionalidad a un bajo coste, incluso para aplicaciones que requieren alta velocidad como el control en tiempo real, lo cual no sería realizable con microcomputadoras convencionales. El SH7055 está también equipado con funciones de periféricos on-chip para la configuración del sistema, incluyendo una unidad de coma flotante (FPU), una RAM y ROM de gran capacidad, un controlador de acceso directo a memoria(dmac), temporizadores, un interfaz serie de comunicación (SCI), un controlador de redes de área de RENESAS (HCAN), un conversor D/A, un controlador de interrupciones y puertos de entrada/salida. 5 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

6 Además, un acceso externo a las funciones de soporte de la memoria permite la conexión directa entre la ROM y la SRAM haciendo que los costes se vean considerablemente reducidos. El SH7055 es una versión F-ZTAT ( Flexible Zero Turn-Around Time) con una memoria flash en su ROM on-chip. Los programas de la memoria flash pueden ser escritos con un programador que soporte la programación SH7055, y la memoria flash puede ser programada y borrada por software. Esto permite la portabilidad al usuario puediendo reprogramar el chip sobre una placa. Características Principales: Un chip RISC de alto rendicmiento con un núcleo SH-2E o 52 MIPS/40 MHz/3.3 V Operaciones de multiplicación/acumulación de alta velocidad. o Multiplicador de 32 bits interno o Unidad de coma flotante single precisión interna Memoria flash de gran capacidad con autoalimentación y una RAM de gran capacidad o Operaciones de escritura y borrado permitidas con la la fuente de alimentación interna o 512 kb Flash ROM/32 kb RAM Aplicaciones principales: Control del motor del automóvil, AF, equipos industriales, terminales de comunicación, y fotocopiadoras en color MCUs SH7059 y SH7058SC: Al igual que el anterior microcontrolador el SH7058S y el SH7059 están formados por un chip de un solo RISC de 32 bits que integra una CPU RISC con núcleo SH-2E y que contiene instrucciones de periféricos para la configuración del sistema. El SH7058S y el SH7059 son completamente compatibles con el SH7058. La diferencia entre ambos en cuanto a bloques que los conforman es que el controlador de redes de área en este caso es la versión 2 del que se usaba en el SH7058. Características Principales: Un chip RISC de alto rendicmiento con un núcleo SH-2E o 104 MIPS/80 MHz/3.3 V(I/O: 5V) Operaciones de multiplicación/acumulación de alta velocidad. o Multiplicador de 32 bits interno o Unidad de coma flotante single precisión interna Memoria flash de gran capacidad con autoalimentación y una RAM de gran capacidad o Operaciones de escritura y borrado permitidas con la la fuente de alimentación interna o 1 MB Flash ROM/48 kb RAM(SH7058SC) o 1.5MB Flash ROM/80 kb RAM(SH7059) 6 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

7 Aplicaciones principales: Control del motor del automóvil, AF, equipos industriales, terminales de comunicación, y fotocopiadoras en color Familia SH725xx: Esta familia de microcontroladores está diseñada principalmente para motores de gama alta y media. Aún se encuentra en fase de desarrollo SH72544R: Este microcontrolador de 32 bits formado por un solo chip RISC contiene una CPU con núcleo basado en el SH-2A de RENESAS. Figura 2. Chip del SH72544R. Características principales CPU de alto rendimiento que opera a 200MHz Set de funciones de periféricos diseñadas para sistemas de transmisión y control del motor. Logra alcanzar las 400 MIPS(Millones de instrucciones por segundo) Memoria flash de 2.5Mbytes on-chip. Incorpora una caché que necesita baja alimentación que optimiza el uso de la memoria flash. Para almacenamiento de datos tiene 128 Kbytes de memoria flash lo que permite no tener que usar una EEPROM extrena. Compatibilidad con el software ya exixtente Aplicaciones típicas Sistemas de automoción: Control del tren de potencia, incluyendo motor y sistemas de transmisión SH72531: El SH72531 está fabricado en torno al mismo núcleo de CPU de alto rendimiento de 32 bits (SH-2A) que usaba su predecesor, el SH752544R. Figura 3. Chip del SH Características principales CPU de alto rendimiento que opera a 120 MHz Dos fuentes de alimentación: 3.3 V/5 V 7 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

8 Set de funciones de periféricos diseñadas para sistemas de transmisión y control del motor. Logra alcanzar las 240 MIPS(Millones de instrucciones por segundo) Memoria flash de alta velocidad de 1.5 Mbytes on-chip. Incorpora una caché que necesita baja alimentación que optimiza el uso de la memoria flash. Para almacenamiento de datos tiene 32 Kbytes de memoria flash lo que permite no tener que usar una EEPROM extrena. Compatibilidad con el software ya exixtente Aplicaciones típicas Sistemas de automoción: Control del tren de potencia, incluyendo motor y sistemas de transmisión GRUPO 32186: El grupo es un microcontrolador RISC de 32 bits de un solo chip con una memoria flash interna. Incorpora una FPU single precisión y una amplia variedad de funciones para periféricos Figura 4. Chip del Características principales CPU: núcleo M32R-FPU 3 (Set de instrucciones de la familia M32R y una FPU single precisión para manipulación de bits ) Estructura pipeline con 6 niveles Instruction set: 100 instruciones/ 6 modos de direccionamiento Formato de instrucciones: longitud de 16 bit/32-bit Multiplicador interno (instrucciones de funciones DSP) Mínimo tiempo de ejecución de instrucciones: 12.5ns (con una frecuencia de reloj de 80MHz) Memoria flash interna Memoria RAM interna Aplicaciones típicas Control de equipamiento del automóvil(motor, ABS,AT,cámara CCD, cámara CMOS y aplicaciones de detección radar), sistemas de control de equipamiento industrial, etc. 8 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

9 GRUPO 32176: El grupo es un microcomputador RISC de 32 bits de un solo chip con una memoria flash interna que fue desarrollado para aplicaciones que incluyen industria general y los equipos del hogar. Incorpora una FPU single precision y una amplia variedad de funciones para periféricos. Figura 5. Chip del Características principales CPU: núcleo M32R-FPU (Set de instrucciones de la familia M32R y una FPU single precisión para manipulación de bits ) Estructura pipeline con 5 niveles 16 registros de propósito general Formato de instrucciones: longitud de 16 bit/32-bit Acumulador de 56 bits en las sumas de los productos calculados en el multiplicador (instrucciones de funciones DSP) Programa de arranque en la memoria flash Memoria flash interna Memoria RAM interna Aplicaciones principales: Control de equipamiento del automóvil (Motor, ABS,AT,cámara CCD, cámara CMOS y aplicaciones de detección radar), sistemas de control de equipamiento industrial, etc. 9 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

10 2.2 FREESCALE Freescale ofrece dieferentes soluciones en microcontroladores para la industria del automóvil. Las familias de microcontroladores que aporta son las siguientes: MPC56xx, MPC55xx, MPC51xx y MPC52xx, S12 y S12x y los microcontroladores de 8 bits a los que no se hará mención en este trabajo Familia MPC56xx y MPC55xx: La familia de microcontroladores de 32 bits MPC56xx fabricados usando la tecnología de Power Arquitecture 4, ha sido diseñada para aplicaciones de gestión del motor. Estab familia al igual que la MPC55xx ofrece significativos beneficios a los diseñadores de automóviles: Compatibilidad software y hardware para gamas baja, media y alta. Escalabilidad hacia diferentes versiones y características del producto. Experiencia de flash empotrada en tecnología de puerta flotante de alta densidad. Eficiencia sin igual de procesamiento paralelo en conjunción con sofisticados periféricos que aprovechann las herramientas de software de Power Arquitecture y software de ecosistema. Diseñados para adaptarse a las presentes y futuras leyes de regulación de emisiones Familias MPC51xx y MPC52xx: Las familias de microprocesadores de 32 bits MPC51xx y MPC52xx están diseñadas para unidades de control telemáticas y sistemas de seguridad y vigilancia. Las características principales de la familia MPC51xx son las siguientes: Núcleo e300 (de Power Arquitecture) Reloj de 400 MHz como máximo y 760 MIPS como máximo Caché de 32 Kbytes FPU de doble precisión MMU(unidad de manejo de memoria) para datos e instrucciones Motor de gráficos PowerVR MBX Interfaz PCI PSCs (Controladores serie programables) 10 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

11 Figura 6. Diagrama de bloques del MPC5121e. Las características principales de la familia MPC52xx son las siguientes: Núcleo e300 (de Power Arquitecture) Reloj de 400 MHz como máximo y 760 MIPS como máximo Caché de instrucciones de 16 KB Caché de datos de 16 KB Controlador de memoria DDR MMU(unidad de manejo de memoria) para datos e instrucciones Interfaz PCI PSCs (Controladores serie programables) Figura 7. Diagrama de bloques del MPC5200B. 11 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

12 2.2.3 Familias S12 y S12X: Freescale S12 and S12X MCUs provide high-performance 16-bit control for automotive and industrial applications. The S12X MCUs feature the innovative XGATE module, designed specifically to handle interrupt events without CPU intervention. As a result, the S12X controller has the high-performance capabilities you would normally expect of a 32-bit controller. Las familias de microcontroladores de 16 bits S12 y S12X ofrecen control de alto rendimiento para aplicaciones de la industria del automóvil. Los microcontroladores S12X incorporan el novedoso módulo XGATE, diseñado específicamente para tratar las interrupciones sin sin la intervención de la CPU. Como resultado, un controlador S12X tiene la misma capacidad de mayor rendimiento que se pueden esperar de un microcontrolador de 32-bits. La familia S12 está enfocada principalemente a la instrumentación del automóvil mientras que la familia S12X ha sido pensada más bien para el control del consumo del automóvil. Algunos ejemplos de microcontroladores de esta familia son el S12A, EL S12HZ y el S12XE. Sus principales características se enumeran a continuación: Microcontrolador S12A S12HZ S12XE HCS12 CPU core (16 bits) 512 Kbytes de Flash EEPROM(ROM) HCS12 CPU core (16 bits) 256 Kbytes de Flash EEPROM(ROM) S12X CPU(16 bits) Coprocesador X-Gate ROM (12-64 Kbytes) Características principales 14.0 Kbytes of RAM 4.0 Kbytes of EEPROM 2 SCI 3 SPI 12.0 Kbytes of RAM 4 Kbytes of EEPROM en partes flash 1 o 2 SCI Falsh(128 Kbytes- 1Mbyte) 8 SCI Modo supervisor 1 SPI Regulador de voltaje on chip Tabla 1. Características familias S12 y S12X Figura 8. Chip del S12XE. 12 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

13 2.3 STMicroelectronics ST ofrece una gama de microcontroladores para aplicaciones de automoción de 8, 16 y 32 bits. Este fabricante abarca en la industria del automóvil aplicaciones de información para el conductor y entretenimiento, coches híbridos y soluciones para los mismos, tren de potencia y de transmisión de los vehículos, seguridad y chasis y tronco del coche. Las familias de microcontroladores para automoción se clasifican según el número de bits teniendo en los MCUs de 8 bits las familias STM8A, ST7, ST6 y ST9. Como familia de 16 bits ST ofrece la ST10 y para 32 bits existen las familias SPC56 y ST30. A continuación se van a dar los detalles principales algunas de las familias antes mencionadas: Familia STM8A: STMicroelectronics introdujo la nueva familia de microcontroladores STM8A de 8 bits con memoria Flash dedicados a necesidades específicas en las aplicaciones de automoción. Ofrecen una EEPROM para datos, y software y pins de salida de compatibilidad para una capacidad de memoria de 8Kbytes hasta 256Kbytes y de 24 a 128 pins. Todos los dispositivos operan de 3 a 5.5 V. Estos microcontroladores son particularmente adecuados para aplicaciones que requieren almacenamiento de datos de forma no volátil sino que permanente. El núcleo STM8 que incorporan es tan eficiente que permite la máxima velocidad de ejecución incluso a bajas frecuencias de reloj de la CPU. Esta familia es una solución económica y buena en el creciente mercado de aplicaciones de 8 bit en automoción. b) a) Figura 9. a) Diagrama de bloques STM8A y aplicaciones. b) Microcontroladores de la familia STM8A Familia SPC56xx: La familia SPC56 de microcontroladores de 32 bits se diseñó tomando como base la tecnología Power Arquitecture y la tecnología empotrada flash de ST de 90 nm. El núcleo usado es el e200 o núcleos compatibles con el mismo con un set de periféricos que está optimizado para llevar a cabo aplicaciones eficientes en gestión del motor, chasis del coche, seguridad, cuerpo del coche y panel de instrumentos. El rango de 13 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

14 frecuencias de trabajo va entre 30 y 300 MHz, existen diferentes módulos internos como DSPs, MMUs (unidades de manejod e memoria) y FPUs. Todos los microcontroladores de esta familia han sido diseñados para AUTOSTAR (Automotive Open System Architecture). a) b) c) d) Figura 10. a) Diagrama de bloques de SPC56 para chasis y seguridad. b) Para cuerpo del coche y comodidad. c) Para tren de potencia d) Para tablero y cuadros de mando Familia ST9 La serie ST9 es una familia de microcontroladores de 8 bits de alto rendimiento que ofrecen un uso de memoria eficiente, ejecución programada, soporte para datos a altas velocidades, flexibilidad en entradas y salidas y son fácilmente escalables. Esta serie consta de una memoria flash con características de EEPROM, un concepto patentado por STMicroelectronics, que elimina la necesidad de una memoria EEPROM externa de datos. 14 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

15 Características principales: Núcleo o Núcleo orientado a regitros de 8/16 bits. o 224 registros de propósito general. Memorias o Mamoria Flash de 256 Kbytes o RAM de 8 Kbytes. o EEPROM de 1 Kbyte emulada por software Reloj y suministro de energía o Suministro de energía entre: 4.5/5.5 V o Frecuencia de reloj de 24 Mhz. 80 puertos de entrada/salida totalmente programables. 2.4 Infineon Infineon tiene una gama de microcontroladores diseñados para la industria del automóvil que cubren las siguientes aplicaciones: cuerpo del coche y comodidad, tren de potencia, seguridad, GPS, coches híbridos, coches de gama muy alta y camiones y vehículos destinados a la agricultura. Las familias de microcontroladores de 32 bits para automoción que ofrece son: XC2200 (también para 16 bits) XC2700 y XC2300. Las familia de microcontroladores de 8 bits para automoción que ofrece es XC800 A. Acontinuación se enumeran las características principales para cada una de ellas. Las familias de MCUs XC2200, XC2700 y XC2300 son subfamilias dela familia escalable XC2200 y son las series de la misma que se ofrecen para la industria del automóvil Familia XC2700: Figura 11) Ejemplo de aplicación en el control de motor de la familia XC Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

16 Esta familia de microprocesadores ha sido diseñada para el tren de potencia de los automóviles. Está conformada por MCUs de 32 bits y permitirá hacer sistemas muy efectivos para el control del motor orientados a ciclomotores. Esta familia está basada principalmente en el núcleo C166SV2 con una frecuencia de reloj de 100 MHz. Integra periféricos clave como meoria, regulador de voltaje e interfaz para reducir el coste del sistema. Además todo el software desarrollado para los controladores C166 puede ser fácilmente reutilizado en esta familia. Características principales: La memoria flash va de 128 a 1600 Kbytes. La memoria RAM va de 16 a 138 Kbytes. Los interfaces serie pueden ser de 4 a 8. Figura 12. Diagrama de bloques de la familia XC Familia XC2300: Esta familia ha sido diseñada aplicaciones de seguridad en el automóvil tales como el airbag o dirección asistida. Sus microcontroladores son de 32 bits con un amplio set de periféricos que ayudan al rendimiento del sistema y con vistas a sistemas de seguridad futuros. Características principales: La memoria flash va de 128 a 1600 Kbytes. La memoria RAM va de 10 a 138 Kbytes. Los interfaces serie pueden ser de 2 a Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

17 Figura 13. Diagrama de bloques de la familia XC2300 Figura 14. Ejemplo de aplicación en airbag de la familia XC Familia XC2200: Esta familia ha sido pensada para aplicaciones de interior del automóvil y puertas de enlace. Está diseñada con la tecnología de 130 nm de Infineon y ofrece un aumento del rendimiento a un precio competitivo. El hardware está diseñado y elaborado de forma independiente al desarrollo del software. Soporta aplicaciones para puertas de enlace de tamaño pequeño y medio integradas en controladores internos. Características principales: La memoria flash va de 128 a 1600 Kbytes. La memoria RAM va de 10 a 138 Kbytes. Los interfaces serie pueden ser de 2 a Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

18 Figura 15. Diagrama de bloques de la familia XC2200 Figura 16. Ejemplo de aplicación en airbag de la familia XC Familia XC800 A: Diseñada para aplicaciones del tablero de mandos del automóvil, de seguridad y de tren de potencia. 18 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

19 2.5 FUJITSU Las familias de microprocesadores que ofrece Fujitsu para la automociónse presentan a continuación según su aplicación: Aplicación Microcontrolador Tablero y puerta de enlace Car Audio ABS y control de estabilidad EPS Panel de aire acondicionado Dirección asistida y sensores de dirección Control interno del automóvil Airbag y Detección de pasajeros F2MC-16LX Sí Sí No No No No No F2MC-16FX Sí Sí Sí Sí Sí Sí Sí FR60lite Sí Sí No Sí No Sí No FR Sí No Sí No No Sí Sí Tabla 2. Aplicaciones en la automoción de las familias de MCUs de FUJITSU Familia F2MC-16FX: Combina las ventajas de las arquitecturas de 32 y 16 bits ya que tiene de la arquitectura de 16 bits el código C y sus beneficios en eficiencia y de la de 32 bits tiene el pipeline de instrucciones, algo muy usual en aplicaciones RISC. Las instrucciones terminan en menor tiempo con un consumo menor de potencia. Características principales: Reloj de 56 MHz. Suministro de energía de 3/5.5 V. Funciones de seguridad para la memoria flash Familia MB91460: Basada en la familia FR (32 bits) es sucesora de la serie MB91360G. Características principales: Núcleo FR70 que opera a 700 MHz. Flash empotrada de 2Mbytes con sectores de 64 y 48 Kbytes. Arquitectura caché para optimizar el acceso a la memoria flash. 19 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC

20 3. BIBLIOGRAFÍA ence.html 6b2dfc ntroller.htm tions/automotive/ 20 Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Telecomunicación ULPGC