详解基于CAN总线的汽车仪表系统—芯片选型与电路设计 1 汽车电气, 实验室, 稳定性, 可靠性, 元器件

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系统MCU的选型在整个方案设计中至关重要，是主要功能实现的关键元件，并直接关系到外围元器件的配置要求和整体方案的可实现性。系统性能的稳定性、功能需求的可靠性以及市场定位要求和合理的经济性都是在MCU方案选择中必须考虑的。选择的MCU过于昂贵，即使性能良好也会因为价格的原因而失去市场;系统方案满足实验室台架试验，其价格也比较合理，但却不能满足汽车电气设备基本技术条件(QC门禅13一2002)中的振动、高低温、耐酸等试验，这同样会使你的开发方案失去价值。所以在进行开发方案系统设计时，选择适合本系统的MCU是开发方案成功的重要一步。如今，嵌入式应用技术在过去的20年里得到了迅猛的发展，世界上很多单片机公司都根据汽车的特定环境推出了各种不同性能的MCU 。其中在汽车领域内比较领先的有Freeseale、Philips，其他单片机公司如:microchip、atmel、fujitsu、TI、NEC、ST等也相继开发除了适合汽车工作环境的单片机。本系统MCU选择FREESCAI石公司的16位单片MC9512H128。Freescafe(飞思卡尔)半导体公司(原MOTOROLA公司半导体产品部)是世界上最大的单片机供应商。其单片机产品的技术根基可追溯到1974年的8位处理器MC6800和后来的MC6801，使用HMOS工艺，功耗高。最早出现CMOS工艺的单片机是MC14685，后来出现了HCMOS(高速CMOS)工艺的单片机MC68HC05，产量突破了20亿片，是世界上产量最高的单片机。其后又推出了HCS05和HCLDS两个系列的单片机，于2000年后推出了低功耗、低成本、高性能的8位单片机有Hc08、MCSOS、HCn，其系列品种繁多、片内资源丰富，应用范围广泛，可靠性高，抗干扰能力强。其他相关产品见表4一1



随着电子技术的不断发展以及人们对产品应用性能要求的提高，处理位数更高的单片机也得到了迅速的发展，各公司纷纷推出了16位和犯位高性能的单片机。但由于价格，技术等因素的影响，还没有普遍应用，一般在特定环境和有专门需求的场合中应用。FREESCALE公司的16位单片机产品有HC12系列、512系列、He16系列等[35]。

本课题在MCU选型方案方案上做了大量工作，经过了如下程序:首先根据功能需求划分功能模块，然后根据功能模块选择合适型号的MCU，根据各MCU的性能进行配置外围电路，最后通过比较各个方案的综合性能、成本价格、工艺条件后最后确定了以H128为MCU的开发方案，选择了Freescale公司专门为汽车仪表设计的16位单片机Megs12H12s(以后简称HiZs)136]。H12s属于16位单片机中512系列中的一种(512系列单片机根据应用场合的不同分为A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列)。选择H128其最主要的原因就是其片内功能模块的高集成度完全符合本系统结构框图方案的功能需求，无需扩展任何外围电路即可完成系统功能的实现。H128其外围引脚功能如图4一1所示。


MC9512H128单片机的功能正好能满足仪表系统的需求，其内部集成的每个功能模块都在本仪表中使用到，并有部分接口预留，可以作为功能扩展和产品升级使用。H128内部丰富的集成资源、成本价格相对便宜，专门针对汽车环境进行功能开发能满足汽车电子耐温、振动、耐酸等多项试验，使得系统性能稳定，工作可靠。H128单片机在使用和运行上具有以下特点:
1.低功率消耗:通过编程的方法对输入时钟进行分频，避开了功耗更大的高频电路，总线速率为4MHz时，通过4分频，只需使用16MHz晶体。此外，还具有认AIT和STOP模式进一步降低功耗。它还可以使用低频率晶体(例如32K)的节能方式，通过PLL倍频后供MCU使用。程序可控制PLL在满足要求的前提下尽量降低时钟速率，自动平衡性能与功耗之间的关系。
2.兼容性:CPU12完全兼容HCn的源程序，多数指令汇编后生成相同的目标代码，它的程序设计模型与中断相应的堆栈操作顺序与HCll完全相同。此外CPU12增加了不少新的指令。
3.提高速度:CPU12是16位的处理器，ALU在某些运算中为20位。MCgs12内部所有数据总线为16位，外部总线可扩展为16位工作方式，也可以扩展为8位工作方式，这样可用8位的存储器件构成低成本的应用系统。即使选择了这种8位的工作方式，CPU12仍然按16位方式操作，智能总线接口自动将其分成两次8位操作，期间暂时冻结CPu。其次，CPU12具有一个类似流水线的指令队列，用于缓冲指令代码。CPU开始执行任何一条指令时，除了8位操作码以外，至少另外两个字节的目标代码对CPU可见。这意味着对于多数指令来讲，开始执行时，所需代码已经进入CPU，可在单个周期内完成，而无需等待取指令操作。取指令操作固定按照16位进行，与指令代码长度无关，因此不要求代码长度是偶数字节，从而提高了代码效率。CPU12的指令队列逻辑和微代码使对齐的和非对齐的指令执行时间完全相同。
4.片内集成128KB的闪速存储器(FLASH)和 6KBRAM及ZKB的EZPRoM。近年来，随着闪速存储器在微控制器片内的应用走向成熟，微控制器的开发、应用又迎来了一次新的飞跃。FLASH是一种非易失性存储介质，读取它的内容同RAM的读取一样方便，而对它的写操作却比EZPROM还要快。同时，在系统掉电后，FLASH中的内容仍能可靠保持不变。FLASH的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于FLASH可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。6KB的RAM使得CPU能适应大多数中高级系统的需求。
5.应用锁相技术提高了系统的电磁兼容性在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高(通常为几兆赫兹至几十兆赫兹)而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、线路板布局带来了很多不便。MCgs12的时钟发生系统中巧妙地使用了锁相技术，因而可在外接几十千赫的外部晶振情况下，通过软件编程产生几兆的系统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。
6.模糊运算指令:HCS12CPU中有特殊的四条模糊逻辑指令，利用他们可以计算隶属度函数、加权或非加权的规则推理以及用于加权平均解模糊算法的输出求和、权值求和。利用这些指令，可以在大约50个字节代码长度内构成一个完整的模糊推理核心，执行时间仅60us(16MHz晶振)。
7.背景开发模式:简单的背景开发模式(使用在线仿真器或评估板)使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便。
8.硬件断点:如果程序位于ROM中，调试过程需要使用硬件断点逻辑。HCS12可以提供两个普通断点，或者一个包括16位地址、16位数据及读写信号的条件断点。断点处理方案包括在匹配地址前停止CPU或者产生软件中断SWI。双地址断点模式下，通过SWI可以为ROM中的程序作两个软件补丁。
例如在初始化阶段对断点逻辑进行设置，使它在遇到错误地址时产生SWI，SWI服务历程可以调用安排在EEPROM中的补丁程序，替代受损的指令序列，最后跳转到错误指令序列后面继续运行。
H128集成了丰富的外围资源除包括闪速存储器FLASH和内部RAM以外，该芯片还集成多种功能模块。其各功能模块分别与外围电路接口对应，每个功能模块都对应一个系统功能需求，并与外围电路和元器件相对应，是选型的重要参考因素。主要集成的功能模块:
》26位的epuzZ内核 (starCore);
》单线BDM调试模块;
》具有可选16位或8位总线扩展能力;
》集成CAN控制器，带2路CAN控制接口，支持CAN2.OA旧协议;
》’8路10位精度的习D转换通道;
》2路PWM(脉宽调制)输出;
》6KB的RAM，128KB的FLASH，ZKB的片内EEPROM;
》内部集成的供单片机核心部分工作的SV电源;
》丰富的刀O资源，最多可利用的刀0引脚达61个;
》16位主计数器，7位分频计数器;
》可驱动32个前极和4个背极LCD;
》包括同步串行设备接口(SPI)和一步串行通信接口(Scl);
》6路步进电机驱动模块。

4.1.1MSCAN控制器
H128片内具有可扩展的控制器区域网络MSCAN(Motorolascalablecontrofler areanetwort)模块，是为16位MCU设计的通用CAN通信模块，它和CAN2.0川2.0B完全兼容，实现CAN控制器的功能。MSCAN控制器和发动机、变速箱等底盘动力传动装置的CAN总线节点相连，实现CAN总线数据的接收与发送工作卿l。H128中有两路CAN总线接口，分别为RXCANO、TXCANO和RXCANI、TXCANI。其中CANO口可定义为CAN通信接口，也可定义为J1850通信接口，CANI除了定义为cAN端口外也可定义为IZc端口。双路CAN接口使得仪表不仅作为CAN总线上的一个节点，同样也可以作为一个中继器，实现不同网络协议之间的互连。MSCAN模块结构图如 。

MSCAN模块具有如下特点:
1)模块化设计结构;
2)符合CAN2.OA/B标准:支持标准帧和扩展数据帧，最多8个BYTE的数据长度，支持远程请求帧，高达IMbps的可编程通信速率;
3)4个具有先进先出FIFO(first·  infirstout)结构的缓冲区;
4)3个具有局部优先级的发送器;
5)灵活设置可屏蔽标识符  (maskableidentifierfilter)的工作方式，可以配置2个32位过滤码(适用于扩展模式)、4个16位过滤码或6个8位过滤码;
6)具有内置低通滤波的远端唤醒功能;
7)可编程为方便调试的自环工作模式，即自发、自收;
8)MSCAN模块提供了使用方便的自钡叮模式，用户可以在不加任何外围电路的情况下，是CAN的发送和接收两个引脚在芯片内部相连，用户可以编程测试CAN模块的正常使用。MSCAN模块通过引脚CANT和CANR和驱动器连接，在 CAN总线上，CANT输出引脚代表的CAN总线上的逻辑电平，0表示显性状态，输出1表示隐性状态。

4.1.A/D转换模块
H128内置一个8路10位线性逐次逼近A/D转换模块，该模块特性如下:
1)10位数字量转换仅需75;
2)采样缓冲放大器
3)可编程采样时间
4)数据左/右对齐方式，无符号/有符号结果
5)外部触发转换通道
6)转换完成中断
7)模拟/数字量复用通道;
8)1一8位顺序转换长度
9)多通道扫描，连续转化模式
A/D模块内部可分为三个部分:IP总线接口、转换模式控制寄存器/寄存器列表、自定义模拟量。IP总线接口负责该模块与总线的连接，实现A/D模块和通用I/O的目的。转换模式控制寄存器列表中有控制该模块的所有寄存器，自定义模拟量负责模拟量到数字量的转换。A/D转换模块没有分频机制，最大转换时钟频率为 ZMHZ，最小转换时钟为5OOKHZ，所以必须是经过分频后的转换始终频率处于两者之间，可能得不到正确的结果。转换时间可用以下公式来计算:




4.1.4PWM脉宽调制模块
PWM(pulsewidthmodulate)即脉宽调制，脉宽调制波是一种可用程序来控制波形占空比、周期、相位的波形。H128单片机内部集成了2路PWM输出通道，在精度要求不高的情况下，PWM模块可以当作单片机的D/A口模块使用，从而降低系统成本Isl]。本系统正是利用了这一特性来改变仪表背光灯的明暗度，其原理如图4一4: