飛思卡爾微控制器MC9S08SC4的汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器技術(shù)應用

隨著(zhù)汽車(chē)在人們日常生活中的普及以及汽車(chē)電子在汽車(chē)應用領(lǐng)域價(jià)值不斷地擴大，越來(lái)越多的舒適性能和“智能”應用被集成進(jìn)車(chē)身電子的領(lǐng)域。飛思卡爾最新的汽車(chē)級8位微控制器MC9S08SC4便是本文所要介紹的主角，該款微控制器是業(yè)界使用廣泛的飛思卡爾HCS08系列汽車(chē)級微控制器家族最新的成員，以其低成本、小封裝但同時(shí)兼具高性能、高可靠性的特點(diǎn)，適用于眾多汽車(chē)電子應用領(lǐng)域，例如：簡(jiǎn)單的燈光控制、按鍵控制、HVAC、LIN通信控制器、車(chē)內后視鏡調光以及簡(jiǎn)單的繼電器和馬達控制。如果你正在為你的應用物色一顆高性能、低成本的汽車(chē)級微控制器，但又為電子模塊成本和PCB面積的限制而苦惱，相信MC9S08SC4正是你要找的這顆芯片。

MC9S08SC4的片上資源及性能

MC9S08SC4作為飛思卡爾HCS08汽車(chē)級8位微控制器家族的成員，設計上延續了HCS08微控制器許多的優(yōu)點(diǎn)，例如總線(xiàn)頻率高達20Mhz的HCS08內核，高質(zhì)量汽車(chē)級內置Flash存儲器可用于EEPROM的模擬，芯片上自帶的時(shí)鐘振蕩器在全溫度和電壓范圍內可校準至±2%的精度，還包括內部增強型支持LIN通信的串口控制器。圖1是MC9S08SC4芯片內部的結構框圖和資源配置。

MC9S08SC4的典型應用

人們在選擇家用轎車(chē)時(shí)，對舒適性要求不斷提高，因此在整車(chē)的設計中舒適性能也受到越來(lái)越廣泛地重視，舒適性能已成為購車(chē)因素的一項重要指標。因此即使在許多中低端的轎車(chē)上這種需求也隨處可見(jiàn)，例如現在汽車(chē)的方向盤(pán)已經(jīng)不僅僅是傳統的只具備控制方向和喇叭的功能，在它上面往往會(huì )集成用于控制其他功能的按鍵，例如控制收音機的操作按鈕、控制DVD或者CD播放的操作按鈕、手機藍牙免提、自動(dòng)巡航控制按鈕，甚至還預留了用戶(hù)可配置功能的按鍵。方向盤(pán)按鍵的不同風(fēng)格體現了每種車(chē)型不同的個(gè)性，因此按鍵設計正受到越來(lái)越多車(chē)廠(chǎng)的關(guān)注。

本文所要介紹的MC9S08SC4微控制器非常適合類(lèi)似方向盤(pán)按鍵這樣應用，能幫助汽車(chē)制造商在不增加高昂成本的情況下獲得比競爭者對手較大的差異化優(yōu)勢。MC9S08SC4在鍵盤(pán)的應用中可作為一個(gè)LIN通信的Slave節點(diǎn)，負責采集來(lái)自方向盤(pán)按鍵的各種控制信號，然后通過(guò)LIN總線(xiàn)將這些信號傳遞給車(chē)內其他的控制器單元，這些控制包括車(chē)身電子控制器、CD或者DVD控制器、藍牙通信控制器和儀表盤(pán)控制器等。

圖2所示是利用MC9S08SC4作為方向盤(pán)按鍵控制器的系統框圖，簡(jiǎn)單地表明了整個(gè)控制系統從鍵盤(pán)信號輸入端經(jīng)過(guò)邏輯控制最終輸出驅動(dòng)信號這一完整的控制流程。汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器單元由藍色框內部組成，雖然整個(gè)控制系統的結構相對簡(jiǎn)單，但是該應用還是有一些設計上的挑戰。

汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器系統設計挑戰

汽車(chē)方向盤(pán)按鍵控制器的設計，主要的挑戰在于：

方向盤(pán)按鍵控制器在安裝的空間上受到限制，由于控制器會(huì )被安裝在方向盤(pán)面板附近的位置，因此需要在設計時(shí)盡可能減小PCB的面積，以方便地嵌入到方向盤(pán)下方狹小的空間，并且要避免和其它模塊例如ABS安裝的位置發(fā)生沖突。

方向盤(pán)按鍵控制器在為駕駛員帶來(lái)操控舒適性和駕駛樂(lè )趣的同時(shí)，需要承擔來(lái)自按鍵發(fā)出的多重的控制命令并將這些命令發(fā)送給相應的控制模塊，例如各種和CD/DVD相關(guān)的娛樂(lè )功能，定速巡航控制和手機或者電話(huà)的免提功能，如果使用線(xiàn)束方式將這些功能分別連接到控制對象，將增加大量線(xiàn)束的成本和整車(chē)的重量，并且大量的線(xiàn)束也將增加布線(xiàn)的復雜程度，因此，通過(guò)汽車(chē)總線(xiàn)的方式實(shí)現模塊之間的通信是一種性?xún)r(jià)比很高的選擇。

對于成本敏感的應用中，如何盡可能減少外部元器件的個(gè)數，以及盡可能利用微控制器提供的片上資源來(lái)實(shí)現系統功能是設計關(guān)鍵所在。但這對微控制器本身的性能提出了嚴峻挑戰，對于一顆汽車(chē)入門(mén)級的微控制器而言尤其如此。

MC9S08SC4如何應對系統設計挑戰

MC9S08SC4系列微控制器在芯片設計之初便預見(jiàn)到了在類(lèi)似應用中系統設計鎖面臨的挑戰，以下將介紹MC9S08SC4是如何逐一克服上述挑戰的。

MC9S08SC4系列微控制器的封裝為16-TSSOP，包括管腳的外形尺寸僅為6.40×5.00mm2，用于方向盤(pán)鍵盤(pán)控制器設計將大幅減少PCB面積。另一方面，由于在MC9S08SC4微控制器內部自帶一個(gè)時(shí)鐘發(fā)生器，并且在全溫度和全電壓范圍內，經(jīng)過(guò)校準后能實(shí)現最大誤差不超過(guò)±2%的精度，因此，即使對于該系統中對時(shí)鐘精度要求最高的應用(LIN的通信)來(lái)說(shuō)也能夠勝任?；谏鲜龇治?，用戶(hù)可以直接使用內部數字時(shí)鐘來(lái)提供LIN通訊和整個(gè)系統所需的時(shí)鐘信號，從而省去在芯片外部接一個(gè)晶振或者時(shí)鐘振蕩器，達到節省PCB 面積和系統成本的目的。

對于汽車(chē)方向盤(pán)鍵盤(pán)所要負責的多種控制功能，通過(guò)LIN總線(xiàn)的方式同樣能達到節省線(xiàn)束成本、減輕重量和便于功能的升級和裁剪的效果。LIN作為一種低成本、高可靠性的汽車(chē)總線(xiàn)系統，在車(chē)身電子系統中得到廣泛的應用，雖然LIN控制器可以使用普通的串行口控制器UART實(shí)現，但是MC9S08SC4上的串行口控制器SCI模塊不僅能實(shí)現UART的功能，而且還集成了和LIN通信相關(guān)的某些硬件特性，例如對于LIN通信中非常特殊的Break域的產(chǎn)生和檢測過(guò)程，這種硬件集成的LIN通信的功能，相比使用普通UART控制器可幫助用戶(hù)降低LIN通信軟件設計復雜度，加快產(chǎn)品研發(fā)周期和上市時(shí)間。

圖3所示是LIN通信數據幀結構圖，其中位于最左邊的Break域是由LIN總線(xiàn)系統中的Master節點(diǎn)發(fā)送，用于表明一幀數據開(kāi)始的標志，相應的LIN總線(xiàn)系統的Slave任務(wù)需要正確識別Break域之后才能完成相應的LIN通信過(guò)程。在每一次LIN總線(xiàn)通信開(kāi)始階段，都必須由Master節點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)Break域，才能發(fā)起一次LIN的通訊，如果這個(gè)過(guò)程可以通過(guò)硬件來(lái)完成，那么將大大降低CPU的工作負荷；反之，Slave任務(wù)對于Break域判別過(guò)程也同樣存在這種差別。

根據LIN通信協(xié)議規定，Break域由至少連續13位的顯性電平信號組成，它也是在整個(gè)LIN的數據幀結構中唯一不遵循如圖4所示的字節結構形式的域。因此，對于標準的串行通信控制器UART產(chǎn)生和識別Break域，必須借助于軟件和其他的硬件手段才能完成，這是軟件設計的一大挑戰。例如，當Master產(chǎn)生Break信號時(shí)，需要UART借助一個(gè)定時(shí)器通道，產(chǎn)生一段至少13個(gè)比特長(cháng)度的時(shí)間，然后通過(guò)軟件控制相應的Tx端口在這段定時(shí)時(shí)間內輸出顯性電平，才能完成一個(gè)Break域的產(chǎn)生。與之相對應，如果普通串行通信控制器UART作為Slave節點(diǎn)，當它需要檢測Break域時(shí)，完成這個(gè)過(guò)程同樣需要借助額外的硬件和軟件手段完成。

但是，對于MC9S08SC4微控制器上的串行口控制器SCI，如果MC9S08SC4作為Master節點(diǎn)產(chǎn)生Break域的過(guò)程，只需要通過(guò)操作SCI中的相應控制寄存器中的SBK位便能產(chǎn)生；反之，當它作為Slave節點(diǎn)時(shí)，既可以通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)寄存器中的LBKDIF標志的方式，也可以通過(guò)中斷的方式自動(dòng)識別LIN總線(xiàn)上是否有Break域。LIN通信的Break域的產(chǎn)生和識別在MC9S08SC4中，對于用戶(hù)而言只需通過(guò)操作相關(guān)的寄存器實(shí)現，然后實(shí)際的操作過(guò)程則是通過(guò)SCI控制器的硬件在后臺完成，相對于不具備這些硬件特性的普通串行通信控制器，MC9S08SC4在實(shí)現LIN通信的軟件和硬件上都為用戶(hù)帶來(lái)了很多優(yōu)勢。