蓝牙技术在汽车中的应用
(华强电子世界网独家报道) 基于微控制器的系统发展日趋精密，给汽车应用带来了新功能，同时也给这些产品认证工程带来了新挑战。随着 RF 技术（如蓝牙和 Wi-Fi）应用越来越广泛，在解决管理条例遵守和法律责任问题方面带来更高的要求。这些问题包括新技术之间的兼容性、新技术与旧技术之间的冲突以及对安全临界系统安全性的影响。
蓝牙为客户提供了高度透明的附加值，不仅可影响购买决策，而且还可以发挥高成本效率以及为进入汽车行业作好铺垫。这种挑战将以客户为本的技术带入对于可靠性、电磁兼容性／敏感性 (EMC/EMS) 及高品质设计／制造方法要求越来越高的行业。
新技术的出现要求对潜在的产品故障模式进行严密的勘查，这可能涉及到系统间复杂的交互。产品设计工程师现在意识到从产品开发周期一开始乃至安装和使用阶段，务必确定潜在的不遵守管理条例的问题和风险，务必应用有计划的设计和检验措施。在汽车应用中与美国联邦通讯委员会 (FCC)、蓝牙认证组织 (BQB)、美国保险商实验室 (UL) 和欧洲组织等制定了相关的管理条例要求，这些要求与汽车行业中微控制器应用的硬件和软件功能有关。而影响选择合适的微控制器可帮助设计工程师避免过重的开发成本和在产品开发后期纠正错误选择所带来的上市时间影响。最后，本文提供了一项认证检测总结而不是每一机身的单一检测数据，以便避免为了符合汽车应用、FCC 和 BQB 的重复要求而带来的冗余任务。
2.0 微控制器应用中的管理条例要求
在讨论蓝牙特定要求的详细情况之前，先回顾一下汽车行业中对微控制器的一般要求。这些要求包括：
§对汽车和 FCC/CE 认证的 EMC/EMS 要求
§美国保险商实验室 (UL) 规定的电气安全
§汽车特有的品质／安全性检测
2.1 EMC/EMS 要求
自 FCC 宣布不得制造更多的电磁波频谱污染后，人们对电气系统中电磁兼容性的关心一直日渐增加。芯片和系统的设计工程师已遵从汽车／FCC 认证准则，在不降低工作性能的前提下减少了电子系统的电磁辐射。
2.2 数字产品的 EMC 检测要求
在美国和欧洲销售的电气产品的最常见电磁兼容性 (EMC) 检测要求对使用蓝牙连接的产品和不使用蓝牙连接的产品通常都是一致的。此外，基于微控制器的汽车应用和非汽车应用也遵守同样的要求。该检测级别视产品的类型而有所变化。
2.3 EMC 检测软件
美国汽车工程师学会 (SAE) 制订了一种检测方法，它使用标准检测板来测量板卡上安装的芯片的电磁辐射。EMC 检测板和检测软件的组合还可用于执行 FCC 检测。
3.0 美国保险商实验室要求 (UL)
UL 1998 标准是作为一项军事或汽车品质／可靠性文档颁布的。
它的一项重要要求是分析潜在风险并实施跟踪过程，该过程可全程跟踪软件开发周期以便采取措施来处理这些风险。UL 1998 的另一项重要要求是全程对软件开发周期进行检测。除了一般用于软件开发和发行后检测的检测外，该标准还要求进行故障模式和压力检测。当复核产品以验证是否符合标准时，提交检测方案和检测结果以证明与标准相符。
当微控制器成为电气系统的关键控制元素时，它应包括关键架构、硬件／软件特征以便符合管理机构提出的安全性／检测要求。这些要求务必符合软件／硬件的最小开销要求。
对微控制器的要求包括：
§设备架构务必保证所有指令在程序存储器之外执行；该程序存储器包含应用软件和安全／诊断软件。对这些指令的任何修改务必要求具有有计划的外部工作。
§由于微控制器程序存储器中的软件在设备运行中扮演重要的角色，因此指令集中务必包含某一指令以允许在运行时期间执行检验和及CRC 计算。
§单芯片硬件管理功能如 监视器 (看门狗)和“电力减弱”探测提供额外级别的保护。
§端口结构应在不需要进行特殊编程的情况下能够探测端口打开和端口不足。每个 I/O 引脚可同时设定为输出和输入的地址，以提供有效而快捷的诊断能力。
4.0 汽车品质／安全性要求
§现有的非蓝牙微控制器正在大量出货，以供应要求高安全性和品质的安全临界汽车应用。
此外，汽车制造商对微控制器供应商提出了一些品质／可靠性要求。这些重要范围包括：
§扫描检测 － 保证所有晶体管工作正常（达到 99% 以上）。
§电气应力检测 － 在电压高于指定最大工作电压、但低于设备击穿电压下检测设备。
§内置自检 (BIST) － 对编码进行反复试验，以进行不同的单芯片功能检测和客户特定检测。
§Maverick 部件检测 － 消除变形的设备。因此，在出货时应保证每个设备工作性能是一致的。
5.0 在汽车应用中增加蓝牙连接
5.1 蓝牙软件
蓝牙规范定义了在设备未有效通信时可能会涉及到的电源管理模式。这些模式可用于实施各种功率减少策略，如减少或暂停 CPU 时钟、关闭外部设备或关闭无线电收发器。这些机制减少内部开关电流，效果是减少功耗和减少EMI。蓝牙无线设备的功耗是蓝牙芯片集整体功耗的主要组成部分。电源管理模式还可用于仅在需要时才保持无线设备处于全功率状态。（802.11b 系统与其相比较则有些不同，该系统中的无线设备始终保持加电状态，接近已连接的局域网的功耗。）
5.2 蓝牙硬件
汽车应用中鉴定合格的微控制器现在可提供集成的蓝牙支持（指蓝牙基带硬件和协议堆栈软件）。 这为开发符合汽车行业标准的产品提供了低风险、快通道的好处。
5.3 内置 RF 检测模式
蓝牙协议堆栈为 RF 检测提供内置检测模式。有两种方法可进入蓝牙检测模式：
§静态方法 － 蓝牙核心在启用检测模式选项时已初始化，因此在启动时就已进入检测模式。
§动态方法 － 应用软件发送命令，该命令导致蓝牙堆栈进入检测模式。最终应用产品可触发此模式。例如，应用软件可读取开关或按钮。
5.4 检测／鉴定
要帮助嵌入式蓝牙产品通过鉴定检测，蓝牙解决方案的供应商有望提供在基带处理器和蓝牙无线设备上运行的全套嵌入式蓝牙堆栈，作为预检测／预鉴定组件。
要使鉴定合格，必须将组件整合到最终产品或参考设计中，然后通过一组最少的检测（如蓝牙的《鉴定程序参考文档》中所述）。
此外，此参考设计板还需要进行改进，以便符合 FCC 和汽车 EMC/EMS 要求。这意味着最终产品的开发人员不必执行所有检测过程，而预检测组件和最终产品鉴定通常会进行此类检测过程。鉴定／检测单独的蓝牙组件及整合这些组件的参考设计对产品开发人员很有帮助，为他们提供了产品开发和鉴定的可靠起始点。
6.0 管理机构间的重复要求
7.0 蓝牙处理器（微控制器）示例
美国国家半导体公司推出的 CP3BT1x 设备是使用蓝牙连接的汽车级微控制器示例。该 CPU 采用最新版本的 CompactRISC 处理器核心 － 一种高性能的16 位处理器，为嵌入式控制和连接应用设计了 32 位扩展。此外，CP3BT1x 设备提供以下功能：
§256KB 闪存程序存储器
§8KB 闪存数据存储器
§10KB SRAM
§USB 1.1 (CP3BT10) 或 CAN 2.0B (CP3BT13) 接口
§UART
§SPI/Microwire 接口
§ACCESS 总线接口（I2C 兼容）
§编解码器接口
§具有控制和捕获寄存器的定时器
§37 (CP3BT10) 或 40 (CP3BT13) GPIO 引脚
§100 引脚 LQFP 和 48引脚芯片比例（7 × 7 毫米）封装
§功率／性能比是 0.5 mA/MHz。
§非常低的功耗（频率 12 MHz，电流在 2.5V 条件下仅为 6 mA）
§12 MHz 运行频率（在单芯片上增大为 24 MHz）提供足够的 CPU 带宽，来运行蓝牙协议堆栈和应用程序任务。
美国国家半导体公司提供了完整的预检测／预鉴定蓝牙堆栈，其中包括低级别和高级别协议层。这套完整的堆栈执行为应用代码提供了充足的芯片程序存储器。美国国家半导体公司为该技术的各方面提供一站式应用支持，这些方面包括：芯片、开发工具、嵌入式蓝牙软件和 µC/OS-II 操作系统。
8.0 小结
将汽车电子仪器连接到本地蓝牙网络的好处日益明显，并且很快成为有购买意向的客户所青睐的标准特征。但是，汽车行业对可靠性和兼容性有特殊的要求，超出了正常的家庭和办公标准。新无线技术的引进为复杂的系统进行交互创造了新的可能性，因此用于保证无干扰的检测标准的重要性日益突出。汽车应用中鉴定合格的微控制器现在可提供集成的蓝牙硬件和无线产品，它们为开发符合汽车行业标准的产品提供了低风险、快通道的好处。
作者: Abdul Aleaf,美国国家半导体应用产品经理
蓝牙为客户提供了高度透明的附加值，不仅可影响购买决策，而且还可以发挥高成本效率以及为进入汽车行业作好铺垫。这种挑战将以客户为本的技术带入对于可靠性、电磁兼容性／敏感性 (EMC/EMS) 及高品质设计／制造方法要求越来越高的行业。
新技术的出现要求对潜在的产品故障模式进行严密的勘查，这可能涉及到系统间复杂的交互。产品设计工程师现在意识到从产品开发周期一开始乃至安装和使用阶段，务必确定潜在的不遵守管理条例的问题和风险，务必应用有计划的设计和检验措施。在汽车应用中与美国联邦通讯委员会 (FCC)、蓝牙认证组织 (BQB)、美国保险商实验室 (UL) 和欧洲组织等制定了相关的管理条例要求，这些要求与汽车行业中微控制器应用的硬件和软件功能有关。而影响选择合适的微控制器可帮助设计工程师避免过重的开发成本和在产品开发后期纠正错误选择所带来的上市时间影响。最后，本文提供了一项认证检测总结而不是每一机身的单一检测数据，以便避免为了符合汽车应用、FCC 和 BQB 的重复要求而带来的冗余任务。
2.0 微控制器应用中的管理条例要求
在讨论蓝牙特定要求的详细情况之前，先回顾一下汽车行业中对微控制器的一般要求。这些要求包括：
§对汽车和 FCC/CE 认证的 EMC/EMS 要求
§美国保险商实验室 (UL) 规定的电气安全
§汽车特有的品质／安全性检测
2.1 EMC/EMS 要求
自 FCC 宣布不得制造更多的电磁波频谱污染后，人们对电气系统中电磁兼容性的关心一直日渐增加。芯片和系统的设计工程师已遵从汽车／FCC 认证准则，在不降低工作性能的前提下减少了电子系统的电磁辐射。
2.2 数字产品的 EMC 检测要求
在美国和欧洲销售的电气产品的最常见电磁兼容性 (EMC) 检测要求对使用蓝牙连接的产品和不使用蓝牙连接的产品通常都是一致的。此外，基于微控制器的汽车应用和非汽车应用也遵守同样的要求。该检测级别视产品的类型而有所变化。
2.3 EMC 检测软件
美国汽车工程师学会 (SAE) 制订了一种检测方法，它使用标准检测板来测量板卡上安装的芯片的电磁辐射。EMC 检测板和检测软件的组合还可用于执行 FCC 检测。
3.0 美国保险商实验室要求 (UL)
UL 1998 标准是作为一项军事或汽车品质／可靠性文档颁布的。
它的一项重要要求是分析潜在风险并实施跟踪过程，该过程可全程跟踪软件开发周期以便采取措施来处理这些风险。UL 1998 的另一项重要要求是全程对软件开发周期进行检测。除了一般用于软件开发和发行后检测的检测外，该标准还要求进行故障模式和压力检测。当复核产品以验证是否符合标准时，提交检测方案和检测结果以证明与标准相符。
当微控制器成为电气系统的关键控制元素时，它应包括关键架构、硬件／软件特征以便符合管理机构提出的安全性／检测要求。这些要求务必符合软件／硬件的最小开销要求。
对微控制器的要求包括：
§设备架构务必保证所有指令在程序存储器之外执行；该程序存储器包含应用软件和安全／诊断软件。对这些指令的任何修改务必要求具有有计划的外部工作。
§由于微控制器程序存储器中的软件在设备运行中扮演重要的角色，因此指令集中务必包含某一指令以允许在运行时期间执行检验和及CRC 计算。
§单芯片硬件管理功能如 监视器 (看门狗)和“电力减弱”探测提供额外级别的保护。
§端口结构应在不需要进行特殊编程的情况下能够探测端口打开和端口不足。每个 I/O 引脚可同时设定为输出和输入的地址，以提供有效而快捷的诊断能力。
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图 1. I/O 图
4.0 汽车品质／安全性要求
§现有的非蓝牙微控制器正在大量出货，以供应要求高安全性和品质的安全临界汽车应用。
此外，汽车制造商对微控制器供应商提出了一些品质／可靠性要求。这些重要范围包括：
§扫描检测 － 保证所有晶体管工作正常（达到 99% 以上）。
§电气应力检测 － 在电压高于指定最大工作电压、但低于设备击穿电压下检测设备。
§内置自检 (BIST) － 对编码进行反复试验，以进行不同的单芯片功能检测和客户特定检测。
§Maverick 部件检测 － 消除变形的设备。因此，在出货时应保证每个设备工作性能是一致的。
5.0 在汽车应用中增加蓝牙连接
5.1 蓝牙软件
蓝牙规范定义了在设备未有效通信时可能会涉及到的电源管理模式。这些模式可用于实施各种功率减少策略，如减少或暂停 CPU 时钟、关闭外部设备或关闭无线电收发器。这些机制减少内部开关电流，效果是减少功耗和减少EMI。蓝牙无线设备的功耗是蓝牙芯片集整体功耗的主要组成部分。电源管理模式还可用于仅在需要时才保持无线设备处于全功率状态。（802.11b 系统与其相比较则有些不同，该系统中的无线设备始终保持加电状态，接近已连接的局域网的功耗。）
5.2 蓝牙硬件
汽车应用中鉴定合格的微控制器现在可提供集成的蓝牙支持（指蓝牙基带硬件和协议堆栈软件）。 这为开发符合汽车行业标准的产品提供了低风险、快通道的好处。
5.3 内置 RF 检测模式
蓝牙协议堆栈为 RF 检测提供内置检测模式。有两种方法可进入蓝牙检测模式：
§静态方法 － 蓝牙核心在启用检测模式选项时已初始化，因此在启动时就已进入检测模式。
§动态方法 － 应用软件发送命令，该命令导致蓝牙堆栈进入检测模式。最终应用产品可触发此模式。例如，应用软件可读取开关或按钮。
5.4 检测／鉴定
要帮助嵌入式蓝牙产品通过鉴定检测，蓝牙解决方案的供应商有望提供在基带处理器和蓝牙无线设备上运行的全套嵌入式蓝牙堆栈，作为预检测／预鉴定组件。
要使鉴定合格，必须将组件整合到最终产品或参考设计中，然后通过一组最少的检测（如蓝牙的《鉴定程序参考文档》中所述）。
此外，此参考设计板还需要进行改进，以便符合 FCC 和汽车 EMC/EMS 要求。这意味着最终产品的开发人员不必执行所有检测过程，而预检测组件和最终产品鉴定通常会进行此类检测过程。鉴定／检测单独的蓝牙组件及整合这些组件的参考设计对产品开发人员很有帮助，为他们提供了产品开发和鉴定的可靠起始点。
6.0 管理机构间的重复要求
表 1. EMC 检测要求
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表 2. RF 检测要求
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表 3. 检测硬件／软件
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Table 4. 软件质量、错误恢复和诊断
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7.0 蓝牙处理器（微控制器）示例
美国国家半导体公司推出的 CP3BT1x 设备是使用蓝牙连接的汽车级微控制器示例。该 CPU 采用最新版本的 CompactRISC 处理器核心 － 一种高性能的16 位处理器，为嵌入式控制和连接应用设计了 32 位扩展。此外，CP3BT1x 设备提供以下功能：
§256KB 闪存程序存储器
§8KB 闪存数据存储器
§10KB SRAM
§USB 1.1 (CP3BT10) 或 CAN 2.0B (CP3BT13) 接口
§UART
§SPI/Microwire 接口
§ACCESS 总线接口（I2C 兼容）
§编解码器接口
§具有控制和捕获寄存器的定时器
§37 (CP3BT10) 或 40 (CP3BT13) GPIO 引脚
§100 引脚 LQFP 和 48引脚芯片比例（7 × 7 毫米）封装
§功率／性能比是 0.5 mA/MHz。
§非常低的功耗（频率 12 MHz，电流在 2.5V 条件下仅为 6 mA）
§12 MHz 运行频率（在单芯片上增大为 24 MHz）提供足够的 CPU 带宽，来运行蓝牙协议堆栈和应用程序任务。
美国国家半导体公司提供了完整的预检测／预鉴定蓝牙堆栈，其中包括低级别和高级别协议层。这套完整的堆栈执行为应用代码提供了充足的芯片程序存储器。美国国家半导体公司为该技术的各方面提供一站式应用支持，这些方面包括：芯片、开发工具、嵌入式蓝牙软件和 µC/OS-II 操作系统。
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图 2. CP3BT13 框图
8.0 小结
将汽车电子仪器连接到本地蓝牙网络的好处日益明显，并且很快成为有购买意向的客户所青睐的标准特征。但是，汽车行业对可靠性和兼容性有特殊的要求，超出了正常的家庭和办公标准。新无线技术的引进为复杂的系统进行交互创造了新的可能性，因此用于保证无干扰的检测标准的重要性日益突出。汽车应用中鉴定合格的微控制器现在可提供集成的蓝牙硬件和无线产品，它们为开发符合汽车行业标准的产品提供了低风险、快通道的好处。
作者: Abdul Aleaf,美国国家半导体应用产品经理
(编辑:何景)