Kinetis EA系列微控制器在汽車(chē)儀表中的應用

　　中國汽車(chē)市場(chǎng)的繁榮，使得購買(mǎi)汽車(chē)的門(mén)檻逐漸降低。日益擴大的購車(chē)群體也加劇了各品牌車(chē)廠(chǎng)之間的競爭。這些競爭，不僅僅表現在車(chē)輛的外觀(guān)以及質(zhì)量，價(jià)格也是個(gè)很重要的因素。整車(chē)價(jià)格的下降，使得各零配件的價(jià)格也要同步下降，這就對各個(gè)汽車(chē)零配件供應商提出了更高的要求：在保證質(zhì)量的前提下，縮減成本。每輛汽車(chē)必配的儀表，自然而然的也需要面臨這一挑戰。

　　傳統的汽車(chē)儀表，如圖1所示，由步進(jìn)電機顯示車(chē)速、轉速、油量和水溫，各種報警燈分布在整個(gè)儀表的外圍。在儀表盤(pán)中心位置，由段碼式或點(diǎn)陣式LCD展示一些綜合性的信息，例如里程、環(huán)境溫度、油耗等。隨著(zhù)成本的控制，有些儀表把油量和水溫信息也放在LCD里面展示。這樣一個(gè)系統可以滿(mǎn)足基本信息提示的要求。

　　1 汽車(chē)儀表的技術(shù)特點(diǎn)

　　傳統的汽車(chē)儀表，主要由步進(jìn)電機、段碼式或點(diǎn)陣式LCD和一些聲、光報警信號構成。下面對于上述技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，以確認微控制器(MCU)所需提供的資源。

　　對于聲、光報警信號，一般由PWM和GPIO進(jìn)行驅動(dòng)即可，若需和外部事件同步，還需增加一些輸入捕獲和定時(shí)器資源。

　　對于步進(jìn)電機，由控制芯片內部的雙H橋電路進(jìn)行控制步進(jìn)電機的正弦相/余弦相，從而實(shí)現精確的位置控制。若使指針具有飄逸效果，則需要增加定時(shí)器及相關(guān)濾波算法，消耗MCU的計算資源。汽車(chē)儀表用的步進(jìn)電機，每相需要20mA或更大的電流驅動(dòng)能力，這就需要MCU的電機驅動(dòng)引腳具有相應的驅動(dòng)能力。

　　對于段碼式LCD，由特殊的控制模塊產(chǎn)生對應的階梯波形，如圖2所示，實(shí)現段的亮/滅。段碼式LCD控制模式有1:1，1:2，1:3，1:4等，由芯片內部的控制模塊產(chǎn)生，并依據設置的頻率進(jìn)行自動(dòng)刷新。段碼式LCD的驅動(dòng)由前板(FP)和背板(BP)組成，最大可驅動(dòng)的段數由FP x BP決定。在背板為4(大多數驅動(dòng)芯片所具有的背板數量)的情況下，段碼式LCD驅動(dòng)要消耗大量IO口，故MCU一般需要較大的封裝以提供足夠多的IO口數量。對于用戶(hù)來(lái)說(shuō)，段的亮或滅，僅需改變芯片內部的某一比特位即可。點(diǎn)陣式LCD一般由SPI或并口進(jìn)行控制，由于存儲數據量的增加，MCU需要有較大的存儲空間。

　　隨著(zhù)汽車(chē)內部電子單元的增加，待機功耗也是一個(gè)重要指標。市場(chǎng)要求儀表模塊的待機功耗從3mA逐步減少到1.5mA，甚至為700uA。這對儀表板上的MCU提出要求：在具有CAN/LIN/GPIO喚醒能力的低功耗模式下，MCU消耗的電流越小越好。

　　綜上分析，一個(gè)合格的傳統汽車(chē)儀表控制芯片，需要具有如下特性：由GPIO驅動(dòng)一些光電報警電路;PWM實(shí)現發(fā)聲功能及儀表背光一致性的調節;具有大電流輸出能力的PWM端口實(shí)現步進(jìn)電機的直接驅動(dòng);可輸出階梯波形的引腳以滿(mǎn)足段碼LCD的驅動(dòng);具有SPI或并口控制點(diǎn)陣LCD;超低的低功耗且滿(mǎn)足可喚醒功能。

　　2 Kinetis EA系列微控制器介紹

　　Kinetis EA系列微控制器是飛思卡爾基于A(yíng)RM Cortex-M0+^®內核的一套經(jīng)濟高效的汽車(chē)級32位產(chǎn)品。它的工作電壓范圍是2.7~5.5V，運行頻率高達48MHz，可實(shí)現單指令周期訪(fǎng)問(wèn)I/O，片內有37.5kHz和1kHz兩種時(shí)鐘源。37.5kHz時(shí)鐘可通過(guò)內部鎖相環(huán)倍頻至48MHz，內部1kHz的時(shí)鐘源可為MCU在低功耗運行狀態(tài)時(shí)提供時(shí)鐘信號，以降低靜態(tài)功耗。低電壓檢測模塊、具有獨立時(shí)鐘源的看門(mén)狗模塊和可編程CRC模塊，提高了系統的健壯性。每個(gè)芯片都有一個(gè)80位、全球唯一的識別碼，增加設計的安全性和完整性。Kinetis EA系列微控制器具有豐富的片上資源，最多可以實(shí)現71個(gè)通用輸入/輸出端口(GPIO)，兩個(gè)鍵盤(pán)中斷模塊(KBI)，16通道模數轉換模塊(ADC)，多達10通道的脈寬調制模塊(PWM)，2通道的周期中斷模塊(PIT)，1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器(RTC)，4通道的脈寬測量模塊(PWT)，2路串行外設接口(SPI)，2路串行通信接口(SCI)，1路CAN通信接口和2路IIC通信接口。此外，6路PWM和2個(gè)GPIO還具有20mA大電流驅動(dòng)的特性。它的封裝涵蓋了16TSSOP、24QFN、32/64/80LQFP等，以滿(mǎn)足不同應用的需求。另外，Kinetis EA微控制器針還對汽車(chē)應用的特點(diǎn)，采用特殊設計，增強抗電磁干擾能力以及提高靜電保護的等級。