詳解基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)儀表系統—芯片選型與電路設計

系統MCU的選型在整個(gè)方案設計中至關(guān)重要，是主要功能實(shí)現的關(guān)鍵元件，并直接關(guān)系到外圍元器件的配置要求和整體方案的可實(shí)現性。系統性能的穩定性、功能需求的可靠性以及市場(chǎng)定位要求和合理的經(jīng)濟性都是在MCU方案選擇中必須考慮的。選擇的MCU過(guò)于昂貴，即使性能良好也會(huì )因為價(jià)格的原因而失去市場(chǎng);系統方案滿(mǎn)足實(shí)驗室臺架試驗，其價(jià)格也比較合理，但卻不能滿(mǎn)足汽車(chē)電氣設備基本技術(shù)條件(QC門(mén)禪13一2002)中的振動(dòng)、高低溫、耐酸等試驗，這同樣會(huì )使你的開(kāi)發(fā)方案失去價(jià)值。所以在進(jìn)行開(kāi)發(fā)方案系統設計時(shí)，選擇適合本系統的MCU是開(kāi)發(fā)方案成功的重要一步。如今，嵌入式應用技術(shù)在過(guò)去的20年里得到了迅猛的發(fā)展，世界上很多單片機公司都根據汽車(chē)的特定環(huán)境推出了各種不同性能的MCU 。其中在汽車(chē)領(lǐng)域內比較領(lǐng)先的有Freeseale、Philips，其他單片機公司如:microchip、atmel、fujitsu、TI、NEC、ST等也相繼開(kāi)發(fā)除了適合汽車(chē)工作環(huán)境的單片機。本系統MCU選擇FREESCAI石公司的16位單片MC9512H128。Freescafe(飛思卡爾)半導體公司(原MOTOROLA公司半導體產(chǎn)品部)是世界上最大的單片機供應商。其單片機產(chǎn)品的技術(shù)根基可追溯到1974年的8位處理器MC6800和后來(lái)的MC6801，使用HMOS工藝，功耗高。最早出現CMOS工藝的單片機是MC14685，后來(lái)出現了HCMOS(高速CMOS)工藝的單片機MC68HC05，產(chǎn)量突破了20億片，是世界上產(chǎn)量最高的單片機。其后又推出了HCS05和HCLDS兩個(gè)系列的單片機，于2000年后推出了低功耗、低成本、高性能的8位單片機有Hc08、MCSOS、HCn，其系列品種繁多、片內資源豐富，應用范圍廣泛，可靠性高，抗干擾能力強。其他相關(guān)產(chǎn)品見(jiàn)表4一1

隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們對產(chǎn)品應用性能要求的提高，處理位數更高的單片機也得到了迅速的發(fā)展，各公司紛紛推出了16位和犯位高性能的單片機。但由于價(jià)格，技術(shù)等因素的影響，還沒(méi)有普遍應用，一般在特定環(huán)境和有專(zhuān)門(mén)需求的場(chǎng)合中應用。FREESCALE公司的16位單片機產(chǎn)品有HC12系列、512系列、He16系列等[35]。

本課題在MCU選型方案方案上做了大量工作，經(jīng)過(guò)了如下程序:首先根據功能需求劃分功能模塊，然后根據功能模塊選擇合適型號的MCU，根據各MCU的性能進(jìn)行配置外圍電路，最后通過(guò)比較各個(gè)方案的綜合性能、成本價(jià)格、工藝條件后最后確定了以H128為MCU的開(kāi)發(fā)方案，選擇了Freescale公司專(zhuān)門(mén)為汽車(chē)儀表設計的16位單片機Megs12H12s(以后簡(jiǎn)稱(chēng)HiZs)136]。H12s屬于16位單片機中512系列中的一種(512系列單片機根據應用場(chǎng)合的不同分為A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列)。選擇H128其最主要的原因就是其片內功能模塊的高集成度完全符合本系統結構框圖方案的功能需求，無(wú)需擴展任何外圍電路即可完成系統功能的實(shí)現。H128其外圍引腳功能如圖4一1所示。

MC9512H128單片機的功能正好能滿(mǎn)足儀表系統的需求，其內部集成的每個(gè)功能模塊都在本儀表中使用到，并有部分接口預留，可以作為功能擴展和產(chǎn)品升級使用。H128內部豐富的集成資源、成本價(jià)格相對便宜，專(zhuān)門(mén)針對汽車(chē)環(huán)境進(jìn)行功能開(kāi)發(fā)能滿(mǎn)足汽車(chē)電子耐溫、振動(dòng)、耐酸等多項試驗，使得系統性能穩定，工作可靠。H128單片機在使用和運行上具有以下特點(diǎn):

1.低功率消耗:通過(guò)編程的方法對輸入時(shí)鐘進(jìn)行分頻，避開(kāi)了功耗更大的高頻電路，總線(xiàn)速率為4MHz時(shí)，通過(guò)4分頻，只需使用16MHz晶體。此外，還具有認AIT和STOP模式進(jìn)一步降低功耗。它還可以使用低頻率晶體(例如32K)的節能方式，通過(guò)PLL倍頻后供MCU使用。程序可控制PLL在滿(mǎn)足要求的前提下盡量降低時(shí)鐘速率，自動(dòng)平衡性能與功耗之間的關(guān)系。

2.兼容性:CPU12完全兼容HCn的源程序，多數指令匯編后生成相同的目標代碼，它的程序設計模型與中斷相應的堆棧操作順序與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位的處理器，ALU在某些運算中為20位。MCgs12內部所有數據總線(xiàn)為16位，外部總線(xiàn)可擴展為16位工作方式，也可以擴展為8位工作方式，這樣可用8位的存儲器件構成低成本的應用系統。即使選擇了這種8位的工作方式，CPU12仍然按16位方式操作，智能總線(xiàn)接口自動(dòng)將其分成兩次8位操作，期間暫時(shí)凍結CPu。其次，CPU12具有一個(gè)類(lèi)似流水線(xiàn)的指令隊列，用于緩沖指令代碼。CPU開(kāi)始執行任何一條指令時(shí)，除了8位操作碼以外，至少另外兩個(gè)字節的目標代碼對CPU可見(jiàn)。這意味著(zhù)對于多數指令來(lái)講，開(kāi)始執行時(shí)，所需代碼已經(jīng)進(jìn)入CPU，可在單個(gè)周期內完成，而無(wú)需等待取指令操作。取指令操作固定按照16位進(jìn)行，與指令代碼長(cháng)度無(wú)關(guān)，因此不要求代碼長(cháng)度是偶數字節，從而提高了代碼效率。CPU12的指令隊列邏輯和微代碼使對齊的和非對齊的指令執行時(shí)間完全相同。

4.片內集成128KB的閃速存儲器(FLASH)和 6KBRAM及ZKB的EZPRoM。近年來(lái)，隨著(zhù)閃速存儲器在微控制器片內的應用走向成熟，微控制器的開(kāi)發(fā)、應用又迎來(lái)了一次新的飛躍。FLASH是一種非易失性存儲介質(zhì)，讀取它的內容同RAM的讀取一樣方便，而對它的寫(xiě)操作卻比EZPROM還要快。同時(shí)，在系統掉電后，FLASH中的內容仍能可靠保持不變。FLASH的主要優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單、集成密度大、成本低。由于FLASH可以局部擦除，且寫(xiě)入、擦除次數可達數萬(wàn)次以上，從而使開(kāi)發(fā)微控制器不再需要昂貴的仿真器。6KB的RAM使得CPU能適應大多數中高級系統的需求。

5.應用鎖相技術(shù)提高了系統的電磁兼容性在以往不使用鎖相環(huán)的微控制器應用系統中，晶振電路由于其工作頻率比較高(通常為幾兆赫茲至幾十兆赫茲)而成為一個(gè)很大的干擾源，這一問(wèn)題給系統設計、線(xiàn)路板布局帶來(lái)了很多不便。MCgs12的時(shí)鐘發(fā)生系統中巧妙地使用了鎖相技術(shù)，因而可在外接幾十千赫的外部晶振情況下，通過(guò)軟件編程產(chǎn)生幾兆的系統時(shí)鐘，從而降低了對外輻射干擾，提高了系統的穩定性。

6.模糊運算指令:HCS12CPU中有特殊的四條模糊邏輯指令，利用他們可以計算隸屬度函數、加權或非加權的規則推理以及用于加權平均解模糊算法的輸出求和、權值求和。利用這些指令，可以在大約50個(gè)字節代碼長(cháng)度內構成一個(gè)完整的模糊推理核心，執行時(shí)間僅60us(16MHz晶振)。

7.背景開(kāi)發(fā)模式:簡(jiǎn)單的背景開(kāi)發(fā)模式(使用在線(xiàn)仿真器或評估板)使得開(kāi)發(fā)成本進(jìn)一步降低，也使得現場(chǎng)開(kāi)發(fā)和系統升級變得比較方便。

8.硬件斷點(diǎn):如果程序位于ROM中，調試過(guò)程需要使用硬件斷點(diǎn)邏輯。HCS12可以提供兩個(gè)普通斷點(diǎn)，或者一個(gè)包括16位地址、16位數據及讀寫(xiě)信號的條件斷點(diǎn)。斷點(diǎn)處理方案包括在匹配地址前停止CPU或者產(chǎn)生軟件中斷SWI。雙地址斷點(diǎn)模式下，通過(guò)SWI可以為ROM中的程序作兩個(gè)軟件補丁。

例如在初始化階段對斷點(diǎn)邏輯進(jìn)行設置，使它在遇到錯誤地址時(shí)產(chǎn)生SWI，SWI服務(wù)歷程可以調用安排在EEPROM中的補丁程序，替代受損的指令序列，最后跳轉到錯誤指令序列后面繼續運行。

H128集成了豐富的外圍資源除包括閃速存儲器FLASH和內部RAM以外，該芯片還集成多種功能模塊。其各功能模塊分別與外圍電路接口對應，每個(gè)功能模塊都對應一個(gè)系統功能需求，并與外圍電路和元器件相對應，是選型的重要參考因素。主要集成的功能模塊:
》26位的epuzZ內核 (starCore);
》單線(xiàn)BDM調試模塊;
》具有可選16位或8位總線(xiàn)擴展能力;
》集成CAN控制器，帶2路CAN控制接口，支持CAN2.OA舊協(xié)議;
》’8路10位精度的習D轉換通道;
》2路PWM(脈寬調制)輸出;
》6KB的RAM，128KB的FLASH，ZKB的片內EEPROM;
》內部集成的供單片機核心部分工作的SV電源;
》豐富的刀O資源，最多可利用的刀0引腳達61個(gè);
》16位主計數器，7位分頻計數器;
》可驅動(dòng)32個(gè)前極和4個(gè)背極LCD;
》包括同步串行設備接口(SPI)和一步串行通信接口(Scl);
》6路步進(jìn)電機驅動(dòng)模塊。

4.1.1MSCAN控制器

H128片內具有可擴展的控制器區域網(wǎng)絡(luò )MSCAN(Motorolascalablecontrofler areanetwort)模塊，是為16位MCU設計的通用CAN通信模塊，它和CAN2.0川2.0B完全兼容，實(shí)現CAN控制器的功能。MSCAN控制器和發(fā)動(dòng)機、變速箱等底盤(pán)動(dòng)力傳動(dòng)裝置的CAN總線(xiàn)節點(diǎn)相連，實(shí)現CAN總線(xiàn)數據的接收與發(fā)送工作卿l。H128中有兩路CAN總線(xiàn)接口，分別為RXCANO、TXCANO和RXCANI、TXCANI。其中CANO口可定義為CAN通信接口，也可定義為J1850通信接口，CANI除了定義為cAN端口外也可定義為IZc端口。雙路CAN接口使得儀表不僅作為CAN總線(xiàn)上的一個(gè)節點(diǎn)，同樣也可以作為一個(gè)中繼器，實(shí)現不同網(wǎng)絡(luò )協(xié)議之間的互連。MSCAN模塊結構圖如 。

MSCAN模塊具有如下特點(diǎn):
1)模塊化設計結構;
2)符合CAN2.OA/B標準:支持標準幀和擴展數據幀，最多8個(gè)BYTE的數據長(cháng)度，支持遠程請求幀，高達IMbps的可編程通信速率;
3)4個(gè)具有先進(jìn)先出FIFO(first· infirstout)結構的緩沖區;
4)3個(gè)具有局部?jì)?yōu)先級的發(fā)送器;
5)靈活設置可屏蔽標識符 (maskableidentifierfilter)的工作方式，可以配置2個(gè)32位過(guò)濾碼(適用于擴展模式)、4個(gè)16位過(guò)濾碼或6個(gè)8位過(guò)濾碼;
6)具有內置低通濾波的遠端喚醒功能;
7)可編程為方便調試的自環(huán)工作模式，即自發(fā)、自收;
8)MSCAN模塊提供了使用方便的自鋇叮模式，用戶(hù)可以在不加任何外圍電路的情況下，是CAN的發(fā)送和接收兩個(gè)引腳在芯片內部相連，用戶(hù)可以編程測試CAN模塊的正常使用。MSCAN模塊通過(guò)引腳CANT和CANR和驅動(dòng)器連接，在 CAN總線(xiàn)上，CANT輸出引腳代表的CAN總線(xiàn)上的邏輯電平，0表示顯性狀態(tài)，輸出1表示隱性狀態(tài)。

4.1.A/D轉換模塊

H128內置一個(gè)8路10位線(xiàn)性逐次逼近A/D轉換模塊，該模塊特性如下:
1)10位數字量轉換僅需75;
2)采樣緩沖放大器
3)可編程采樣時(shí)間
4)數據左/右對齊方式，無(wú)符號/有符號結果
5)外部觸發(fā)轉換通道
6)轉換完成中斷
7)模擬/數字量復用通道;
8)1一8位順序轉換長(cháng)度
9)多通道掃描，連續轉化模式
A/D模塊內部可分為三個(gè)部分:IP總線(xiàn)接口、轉換模式控制寄存器/寄存器列表、自定義模擬量。IP總線(xiàn)接口負責該模塊與總線(xiàn)的連接，實(shí)現A/D模塊和通用I/O的目的。轉換模式控制寄存器列表中有控制該模塊的所有寄存器，自定義模擬量負責模擬量到數字量的轉換。A/D轉換模塊沒(méi)有分頻機制，最大轉換時(shí)鐘頻率為 ZMHZ，最小轉換時(shí)鐘為5OOKHZ，所以必須是經(jīng)過(guò)分頻后的轉換始終頻率處于兩者之間，可能得不到正確的結果。轉換時(shí)間可用以下公式來(lái)計算:

4.1.3串行外設接口SPI

在一個(gè)單片機系統中，MCU除了進(jìn)行控制數據傳送外，還需要與外圍器件進(jìn)行數據交換。雖然并行接口傳輸速率比串行接口要快，但其占用了太多的硬件資源，而且連線(xiàn)復雜。所以為了簡(jiǎn)化系統，現在各廠(chǎng)家推出的芯片中大多都帶有串行數據接口。

SPI(serialperipheralinterfaee)是一種高速高效率的同步串行技術(shù)，這種接口技術(shù)主要用于MCU與外部接口芯片交換數據，這在Freesca1e(原Motorola)單片機中已經(jīng)是一個(gè)標準模塊，也逐漸成為一種工業(yè)接口標準。SPI接口常用于主從分布系統，一個(gè)標準的SPI系統包括一個(gè)MCU和幾個(gè)不同的外部設備。SPI使用4條線(xiàn)，具體為:

1)串行時(shí)鐘線(xiàn) SCLK(SerialCloCk)。SCLK是主機與從機之間數據傳輸的同步信號。對于主機來(lái)說(shuō)，SCLK是時(shí)鐘輸出引腳，而對于從機來(lái)說(shuō)，SCLK就是時(shí)鐘輸出引腳。
2)主機輸入、從機輸出數據線(xiàn) MISO(masterin/slaveout).MISO是SPI模塊的兩根串行數據之一，在全雙工操作模式下，SPI主機的MISO被連接到從機的MISO，這樣，數據由從機傳到主機。僅在SPI設備配置成主機模式時(shí)，才可以由M工50接受數據。
3)主機輸出、從機輸入數據線(xiàn) MOSI(Masterout/slavein)。MOSI是Spl模塊的另外一根串行數據線(xiàn)。
4)低電平有效的從機選擇線(xiàn) 55(slaveseleet)。55在主機和從機模式中具有不用的功能。從機模式下，SS是依次數據傳輸開(kāi)始前允許SPI工作的片選信號;主機模式下，SS可以置位 MODF標志位，保證一個(gè)系統只有一個(gè)SPI作為主機。SPI工作原理如同一個(gè)16位的分布式移位寄存器，一半在單片機里面，一半在外設中。當SPI工作時(shí)，通過(guò)串行時(shí)鐘線(xiàn)的同步信號，循環(huán)移位8位，從而實(shí)現單片機與外設的數據交換。工作原理如圖4一3所示:

4.1.4PWM脈寬調制模塊

PWM(pulsewidthmodulate)即脈寬調制，脈寬調制波是一種可用程序來(lái)控制波形占空比、周期、相位的波形。H128單片機內部集成了2路PWM輸出通道，在精度要求不高的情況下，PWM模塊可以當作單片機的D/A口模塊使用，從而降低系統成本Isl]。本系統正是利用了這一特性來(lái)改變儀表背光燈的明暗度，其原理如圖4一4:

HCs12增強型定時(shí)器和HC12定時(shí)器一樣，有8個(gè)輸出比較瑜入捕捉通道，通過(guò)選擇n0s寄存器的Iosx位可以在輸出比較和輸入捕捉的功能之間切換(見(jiàn)圖4一5和圖4一6)。

普通輸入通道中帶有一個(gè)捕捉寄存器用來(lái)記錄管腳上電平變化時(shí)自由計數器的鎖存值。在帶緩沖的輸入捕捉通道中，除了帶有捕捉寄存器之外，還有一個(gè)保持寄存器，可以在不中斷的條件下連續記錄兩次自由計數器的值。脈沖累加器與定時(shí)器中4個(gè)帶緩沖的通道相連，通過(guò)檢測相應管腳上的有效邊緣來(lái)記錄脈沖的個(gè)數。相鄰的兩個(gè)8位脈沖累加計數器可以聯(lián)成為一個(gè)16位的脈沖計數器，用戶(hù)可以選擇4個(gè)8位或者2個(gè)16位累加計數器。定時(shí)器最常見(jiàn)的用法是用于內部定時(shí)和外部脈沖計數，脈沖累加器有兩種工作模式:鎖存方式和隊列方式。

鎖存方式:當模數計數器減為0、向模數計數器寫(xiě)入$儀刃0或寫(xiě)強制鎖存位ICLA時(shí)，脈沖累加計數器將鎖存到相應通道的保持寄存器中，并將累加計數器清零。

隊列方式:當讀取某通道保持寄存器的值時(shí)，相應的脈沖累加器的值將被寫(xiě)入該保持寄存器中并將脈沖累加器清零。

4.1.6.LCD接口模塊

H128內部帶有筆段式LCD驅動(dòng)模塊，可以驅動(dòng)32個(gè)前極和4個(gè)背極，所有產(chǎn)生的波形均由片內的充電泵提供，不需采用外部元器件腳l。有4個(gè)1/0端口BPO一BP3專(zhuān)門(mén)用來(lái)驅動(dòng)背極，其他32個(gè)前極驅動(dòng)引腳為復用端口，從FPO一FP27，PT4一PT7。當LCD驅動(dòng)模塊禁止時(shí)，LCD顯示將被關(guān)閉，所有的前極和后極驅動(dòng)電壓都為VDD，梯形電阻結構也將不在和VDD相連，以此來(lái)降低功耗。一般根據需要多少背極驅動(dòng)來(lái)設置LCD輸出波形的占空比，可以有三種設置方法:

1)靜態(tài)占空比—僅使用BPO
2)1/3占空比—使用BPO、BPI和BPZ
3)1/4占空比—使用BPO、BPI、BPZ和BP3

當LCD驅動(dòng)模塊使能后，背極引腳就會(huì )按照設定好的占空比輸出背極波形。背極波形是周期的。

4.1.7步進(jìn)電機接口模塊

H128內部集成了6個(gè)步專(zhuān)注電機驅動(dòng)模塊，無(wú)須在外圍電路增加步進(jìn)電機驅動(dòng)芯片，是目前為止集成在芯片上驅動(dòng)步進(jìn)電機最多的汽車(chē)儀表芯片之一。其片內有單獨的步進(jìn)電機電源驅動(dòng)模塊，每路驅動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機。對應的引腳分別為PUO一PU7，PVO一PV7，PWO一Pw7，通過(guò)改變各引腳中的電平高低和頻率來(lái)驅動(dòng)步進(jìn)電機按方向和速度運轉。

4.1.8內部時(shí)鐘生成模塊和實(shí)時(shí)時(shí)鐘

HCS12系列毗U具有內部時(shí)鐘生成模塊ICG.，可以不利用外部器件就可以為MCU產(chǎn)生穩定的時(shí)鐘源，精度可達到士3.5%。內部時(shí)鐘發(fā)生器具有可編程的時(shí)鐘輸出，同時(shí)可以選擇外部時(shí)鐘發(fā)生器，通過(guò)軟件可選擇總線(xiàn)時(shí)鐘為內部或者外部時(shí)鐘。HCS12系列MCU還具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊，它可以提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘與日歷功能，并具有年、月和日自動(dòng)調整的作用，此外還可產(chǎn)生鬧鐘中斷、周期性中斷和0.015秒表記時(shí)中斷。還可以根據閏年自動(dòng)調整日歷功能，其他中斷包括報警中斷、周期性中斷和一個(gè)記時(shí)定時(shí)器。

4.1.9與其他開(kāi)發(fā)方案的比較

由于51單片機在我國的普及與廣泛應用，大多數的項目工程師都對51單片機的結構和性能非常熟悉。采用51單片機作為MCU，然后增加一個(gè)CAN控制器(如sJA10加)也可以組成一個(gè)CAN的節點(diǎn)，即51單片機+CAN控制器的模式。采用這種方式的特點(diǎn)是其結構簡(jiǎn)單易懂，開(kāi)發(fā)費用比較低廉，大多數學(xué)生也可以有條件進(jìn)行CAN節點(diǎn)的開(kāi)發(fā)。其缺點(diǎn)是51單片機沒(méi)有經(jīng)過(guò)汽車(chē)上相關(guān)環(huán)境性能的試驗，對于突發(fā)性的環(huán)境，會(huì )出現錯誤;同時(shí)，51單片機的珊口資源相對較少，需要擴充相當數量的外圍電路，如多通道周D轉換芯片，步進(jìn)電機的驅動(dòng)芯片，LCD的驅動(dòng)芯片等等，致使外圍電路結構復雜，工藝難度增加，性能也會(huì )相對降低，價(jià)格成本也比較昂貴腳]。也有部分在汽車(chē)儀表上使用的芯片如MICR0eHxP的PxC16F946系列PHILIPS的P8X591系列，FUJISTU公司的MB9()F系列的和Tl公司的TMS32OLF系列等，針對本方案的功能需求，也都存在著(zhù)資源相對不足的問(wèn)題。