摘要： 隨著eVTOL（電動(dòng)垂直起降航空器）領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展，對(duì)于高性能、高可靠性的垂槳控制監(jiān)控芯片的需求日益迫切。本文旨在深入探討汽車級(jí)MCU（微控制單元）在這一新興領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，以國(guó)科安芯推出的AS32A601芯片為例，從其技術(shù)特性、功能安全、性能表現(xiàn)等多維度進(jìn)行剖析，為eVTOL垂槳控制監(jiān)控芯片的選型提供科學(xué)、客觀的技術(shù)參考，助力該領(lǐng)域芯片選型的優(yōu)化與發(fā)展。

一、引言

eVTOL作為航空與電動(dòng)汽車技術(shù)融合的前沿產(chǎn)物，其飛行安全、運(yùn)行效率高度依賴于精準(zhǔn)的垂槳控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)航空領(lǐng)域芯片選型往往面臨成本高、供貨周期長(zhǎng)等問題，而汽車級(jí)MCU憑借其在性能、可靠性及成本控制方面的優(yōu)勢(shì)，逐漸成為eVTOL垂槳控制監(jiān)控芯片選型的新焦點(diǎn)。深入探究汽車級(jí)MCU在此場(chǎng)景下的適用性，對(duì)于推動(dòng)eVTOL行業(yè)的快速發(fā)展具有重要意義。

二、eVTOL垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)的需求剖析

（一）精準(zhǔn)控制需求

eVTOL的垂槳控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)槳葉轉(zhuǎn)速、槳距等關(guān)鍵參數(shù)的高精度調(diào)節(jié)，以確保飛行姿態(tài)的穩(wěn)定與精準(zhǔn)操控。這要求MCU具備高分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換能力、快速的信號(hào)處理速度以及高精度的脈寬調(diào)制輸出功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)驅(qū)動(dòng)與控制。

（二）實(shí)時(shí)性要求

在飛行過程中，垂槳系統(tǒng)的狀態(tài)不斷變化，MCU必須實(shí)時(shí)采集傳感器數(shù)據(jù)，如槳葉轉(zhuǎn)速傳感器、振動(dòng)傳感器、槳距反饋傳感器等，并迅速做出控制決策。任何延遲都可能導(dǎo)致飛行姿態(tài)異常、動(dòng)力輸出不穩(wěn)定等問題，進(jìn)而影響飛行安全。因此，MCU的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與響應(yīng)能力至關(guān)重要。

（三）功能安全標(biāo)準(zhǔn)

鑒于航空領(lǐng)域的高安全性要求，垂槳控制監(jiān)控芯片需滿足相應(yīng)的功能安全標(biāo)準(zhǔn)。如ISO26262標(biāo)準(zhǔn)在汽車電子領(lǐng)域的成功應(yīng)用，為eVTOL相關(guān)芯片的功能安全設(shè)計(jì)提供了參考。芯片需具備故障診斷、安全冗余機(jī)制等功能，以確保在極端情況下仍能維持基本安全運(yùn)行。

（四）環(huán)境適應(yīng)性

eVTOL在不同環(huán)境條件下運(yùn)行，面臨著溫度變化、電磁干擾、濕度等諸多挑戰(zhàn)。垂槳控制監(jiān)控芯片必須具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，確保在高溫、低溫、高濕以及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作，以保障飛行安全。

三、AS32A601芯片技術(shù)特性深度解析

（一）核心架構(gòu)與性能

AS32A601芯片基于自研E7內(nèi)核，采用32位RISC-V指令集，具備8級(jí)雙發(fā)射流水線、動(dòng)態(tài)分支預(yù)測(cè)等先進(jìn)技術(shù)，最高工作頻率180MHz，可提供804DIMPS/2.68DIMPS/MHz的卓越運(yùn)算性能。其哈佛架構(gòu)的緩存系統(tǒng)（16KiB I-cache和16KiB D-cache）以及64位AXI4總線接口，有效提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，降低系統(tǒng)延時(shí)，為滿足eVTOL垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）存儲(chǔ)系統(tǒng)

芯片內(nèi)置512KiB SRAM（帶ECC校驗(yàn)），并配備16KiB ICache和16KiB DCache（帶ECC校驗(yàn)），同時(shí)擁有512KiB D-Flash（帶ECC校驗(yàn)）和2MiB P-Flash（帶ECC校驗(yàn)）。豐富的存儲(chǔ)資源為垂槳控制監(jiān)控程序的運(yùn)行、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及實(shí)時(shí)處理提供了充足空間，ECC校驗(yàn)功能則有效保障了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的可靠性與完整性，降低了因存儲(chǔ)錯(cuò)誤導(dǎo)致的系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)。

（三）安全機(jī)制

1.內(nèi)核安全設(shè)計(jì)

針對(duì)內(nèi)核類設(shè)備，采用延遲鎖步方法，通過兩個(gè)相同的處理單元并行運(yùn)行，實(shí)時(shí)比較運(yùn)算結(jié)果，及時(shí)檢測(cè)并糾正可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，確保內(nèi)核操作的可靠性與安全性，為整個(gè)垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供核心保障。

2.存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)路徑安全

存儲(chǔ)器及存儲(chǔ)器和外設(shè)數(shù)據(jù)路徑采用端到端ECC保護(hù)機(jī)制。從數(shù)據(jù)源頭到傳輸過程再到存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，全方位保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性，有效抵御因外部干擾或硬件故障導(dǎo)致的數(shù)據(jù)損壞，避免因數(shù)據(jù)錯(cuò)誤引發(fā)的控制失誤，提升系統(tǒng)的安全性能。

3.時(shí)鐘與電源監(jiān)控

多個(gè)分立的CMU（時(shí)鐘監(jiān)測(cè)模塊）對(duì)時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦檢測(cè)到時(shí)鐘異常，如外部晶振時(shí)鐘不穩(wěn)定，可自動(dòng)切換至內(nèi)部高頻振蕩器（FIRC），并觸發(fā)中斷通知應(yīng)用程序，確保系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定供應(yīng)。PMU（電源管理模塊）與ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）協(xié)同工作，對(duì)電源電壓進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，具備低電壓檢測(cè)和復(fù)位功能（LVD/LVR）、高電壓檢測(cè)功能（HVD），防止因電源波動(dòng)對(duì)芯片及系統(tǒng)造成的損害，保障垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

4.外設(shè)安全

外設(shè)安全設(shè)計(jì)考慮多外設(shè)同時(shí)訪問同一單元的潛在風(fēng)險(xiǎn)，硬件層面提供連接至不同外設(shè)橋的IO模塊，增強(qiáng)被監(jiān)控和監(jiān)控資源之間的獨(dú)立性。同時(shí)，通過MBIST（存儲(chǔ)器內(nèi)置自測(cè)試）和LBIST（邏輯內(nèi)置自測(cè)試）等機(jī)制，預(yù)防功能邏輯和安全機(jī)制中的潛在故障累積，定期檢查安全機(jī)制的可用性及每個(gè)錯(cuò)誤反應(yīng)路徑的功能，確保外設(shè)在垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)中的安全可靠運(yùn)行。

5.故障收集與處理

故障收集單元負(fù)責(zé)全面收集系統(tǒng)中的各類故障信息，包括ECC校正與檢測(cè)、軟件配置驗(yàn)證錯(cuò)誤等，并向FCU（Fault Control Unit，故障控制單元）報(bào)告。FCU根據(jù)故障類型和嚴(yán)重程度，采取相應(yīng)的處理措施，如系統(tǒng)復(fù)位、進(jìn)入安全模式等，有效防止故障的進(jìn)一步擴(kuò)大，保障飛行安全。

（四）電源管理模式

具備4種電源管理模式：RUN、SRUN、SLEEP、DEEPSLEEP。在滿足垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的前提下，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)載和工作狀態(tài)靈活切換電源模式，降低功耗。例如，在飛行巡航階段，系統(tǒng)負(fù)載相對(duì)較低，可切換至SRUN模式，適當(dāng)降低CPU運(yùn)行速度，減少能源消耗；而在待機(jī)或停機(jī)狀態(tài)下，可進(jìn)入DEEP SLEEP模式，僅維持基本的備份域設(shè)備運(yùn)行，最大程度節(jié)省能量，延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，提高eVTOL的能源利用效率。

（五）通信接口

提供豐富的通信接口，包括6路SPI、4路CAN（支持CANFD）、4路USART、1個(gè)以太網(wǎng)（MAC）模塊以及4路I2C。這些接口能夠滿足垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)與多種傳感器、執(zhí)行器以及其他控制單元之間的高效通信需求。例如，通過CAN總線可實(shí)現(xiàn)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電池管理系統(tǒng)等關(guān)鍵部件的穩(wěn)定通信，確保控制指令的準(zhǔn)確傳輸和系統(tǒng)信息的實(shí)時(shí)交互；利用以太網(wǎng)接口可方便地接入機(jī)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控與數(shù)據(jù)上傳功能，為eVTOL的智能化運(yùn)營(yíng)管理提供支持。

四、AS32A601芯片在eVTOL垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用適配性分析

（一）性能適配

AS32A601芯片的高性能內(nèi)核與豐富存儲(chǔ)資源能夠高效運(yùn)行復(fù)雜的垂槳控制算法，如槳葉轉(zhuǎn)速的PID控制、槳距的精確調(diào)節(jié)等。其快速的信號(hào)處理能力和高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換、脈寬調(diào)制功能，確保對(duì)垂槳系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)與控制，滿足eVTOL對(duì)飛行穩(wěn)定性和操控性的嚴(yán)格要求。

（二）功能安全適配

芯片全面的功能安全設(shè)計(jì)，從內(nèi)核、存儲(chǔ)、時(shí)鐘、電源到外設(shè)，構(gòu)建了多層級(jí)的安全防護(hù)體系。符合汽車級(jí)功能安全I(xiàn)SO26262 ASIL-B等級(jí)的要求，能夠有效應(yīng)對(duì)eVTOL垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)所面臨的各種安全挑戰(zhàn)，為飛行安全提供可靠保障。例如，在面對(duì)外部電磁干擾導(dǎo)致的時(shí)鐘異常或存儲(chǔ)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)，其自動(dòng)切換機(jī)制和ECC校驗(yàn)功能可迅速響應(yīng)并糾正錯(cuò)誤，維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。

（三）環(huán)境適應(yīng)性適配

經(jīng)過嚴(yán)格測(cè)試與驗(yàn)證，AS32A601芯片在寬溫度范圍（符合AEC-Q100 grade1認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)：-40℃~125℃）、高濕度以及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下仍能穩(wěn)定工作。其抗輻射能力（SEU≥75Mev.cm2/mg或10??次/器件.天，SEL≥75Mev.cm2/mg）也使其在航空領(lǐng)域的復(fù)雜輻射環(huán)境下具備良好的適應(yīng)性，降低了因環(huán)境因素導(dǎo)致的系統(tǒng)故障風(fēng)險(xiǎn)，確保eVTOL在各種復(fù)雜環(huán)境下的飛行安全。

（四）成本效益適配

相較于傳統(tǒng)航空領(lǐng)域?qū)Ｓ眯酒珹S32A601芯片憑借其汽車級(jí)量產(chǎn)規(guī)模的成本優(yōu)勢(shì)，在滿足eVTOL垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)性能與安全要求的同時(shí)，顯著降低了芯片采購(gòu)成本以及系統(tǒng)整體研發(fā)成本。這對(duì)于推動(dòng)eVTOL技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用與普及具有重要意義，有助于提高eVTOL產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

五、其他潛在應(yīng)用領(lǐng)域拓展分析

（一）工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域

在工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景中，如機(jī)器人控制（關(guān)節(jié)控制、通信管理控制）、工業(yè)通用控制系統(tǒng)、自動(dòng)化控制系統(tǒng)（平臺(tái)升降機(jī)控制）等，AS32A601芯片的高性能、高可靠性以及豐富接口特性能夠滿足復(fù)雜的工業(yè)控制需求。其精準(zhǔn)的電機(jī)控制能力可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)的高精度運(yùn)動(dòng)控制，保障工業(yè)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定與高效；在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，芯片的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與通信能力有助于實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的協(xié)同運(yùn)行與智能監(jiān)控，提升工業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

（二）商業(yè)航天領(lǐng)域

對(duì)于商業(yè)航天中的運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)系統(tǒng)等應(yīng)用，AS32A601芯片的企業(yè)宇航級(jí)版本（AS32S601ZIT2）憑借其卓越的抗輻射性能（SEU≥75Mev.cm2/mg或10??次/器件.天，SEL≥75Mev.cm2/mg）以及高可靠性設(shè)計(jì)，可為航天器的姿態(tài)控制、軌道調(diào)整等關(guān)鍵任務(wù)提供穩(wěn)定可靠的核心控制芯片解決方案，推動(dòng)商業(yè)航天技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新。

六、結(jié)論與展望

綜上所述，AS32A601汽車級(jí)MCU憑借其卓越的性能、全面的功能安全設(shè)計(jì)、良好的環(huán)境適應(yīng)性以及成本效益優(yōu)勢(shì)，在eVTOL垂槳控制監(jiān)控芯片選型中展現(xiàn)出巨大的潛力。其在技術(shù)層面的諸多優(yōu)勢(shì)能夠有效滿足eVTOL對(duì)垂槳控制監(jiān)控系統(tǒng)的高精度、實(shí)時(shí)性、高可靠性等要求，為eVTOL技術(shù)的快速發(fā)展與商業(yè)化應(yīng)用提供了有力支持。

展望未來，隨著eVTOL行業(yè)的持續(xù)發(fā)展以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車級(jí)MCU在eVTOL垂槳控制監(jiān)控領(lǐng)域及其他相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷深化與拓展。進(jìn)一步優(yōu)化芯片的性能、功能安全以及與eVTOL系統(tǒng)的適配性，加強(qiáng)芯片廠商與航空、工業(yè)自動(dòng)化、商業(yè)航天等領(lǐng)域企業(yè)的合作與交流，將有助于推動(dòng)汽車級(jí)MCU在這些新興領(lǐng)域發(fā)揮更為重要的作用，為相關(guān)行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展注入新的動(dòng)力，共同開創(chuàng)智能交通與航空航天領(lǐng)域的美好未來。

審核編輯 黃宇