基于16位MCU的汽車車身電子控制系統(tǒng)解決方案

隨著汽車車身控制應(yīng)用復(fù)雜性的提高，對(duì)16位微控制器(MCU)的性能要求也越來越高。以前曾用機(jī)械方法控制的門控、座椅調(diào)節(jié)、車內(nèi)照明和空調(diào)系統(tǒng)現(xiàn)在都改成了電子控制。許多半導(dǎo)體廠商包括摩托羅拉公司所提供的大量專用半導(dǎo)體解決方案使這些新的電子控制應(yīng)用成為可能。這些新的解決方案不僅提供了必要的控制功能，還提供了舊機(jī)械系統(tǒng)所不能提供的高級(jí)診斷能力。消費(fèi)者希望新型汽車中的控制系統(tǒng)能及時(shí)對(duì)車內(nèi)發(fā)生的任何系統(tǒng)工作故障發(fā)出報(bào)警信息。

本文介紹摩托羅拉公司的MC9S12DP256 16位MCU和若干個(gè)外圍IC產(chǎn)品，這些產(chǎn)品專為適應(yīng)汽車系統(tǒng)中常見的惡劣環(huán)境而設(shè)計(jì)，此外，還詳細(xì)討論這些產(chǎn)品提供的高級(jí)診斷功能。圖1給出了所用方案的方框圖。

電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)是任何汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最重要的子系統(tǒng)之一。整體功耗、電池反極保護(hù)、汽車跳啟、車輛噪聲和汽車休眠功率都是必須考慮的因素。如果電源設(shè)計(jì)比較糟糕的話再好的系統(tǒng)也不能正常發(fā)揮作用。摩托羅拉公司提供的智能化電源半導(dǎo)體產(chǎn)品能很好地管理電源子系統(tǒng)的所有方面。

摩托羅拉公司的系統(tǒng)級(jí)芯片(SBC)MC33989具有二個(gè)電源整流器，專為MCU和外圍器件提供電源。片上還提供1個(gè)速度為1兆波特的CAN接口、4個(gè)高壓?jiǎn)拘演斎攵艘约跋到y(tǒng)保護(hù)功能。這個(gè)智能化的半導(dǎo)體器件可以提供所有必需的系統(tǒng)電壓，它內(nèi)部有一個(gè)低噪聲的200mA整流器用來給MCU子系統(tǒng)供電。另外，還有一個(gè)控制外部導(dǎo)通晶體管的裝置用來給外圍設(shè)備供電。這個(gè)外部導(dǎo)通晶體管允許調(diào)整二次電源，使之滿足每種特殊應(yīng)用所需的功耗極限要求。二次供電電源還能根據(jù)要求切斷所選外圍設(shè)備的供電，并以此達(dá)到降低功耗的目的。

輸入電源直接來自車載電池。只需加一個(gè)外部二極管就能達(dá)到電池極性保護(hù)的目的。SBC可以在所有過壓條件下完成保護(hù)動(dòng)作。功率MOSFET工藝技術(shù)的應(yīng)用也使本器件在電池電壓低至4.5V時(shí)還能正常工作，當(dāng)電池電壓低至3V時(shí)能輸出電池故障告警信號(hào)。該電源系統(tǒng)還有過溫保護(hù)功能，溫度到160攝氏度時(shí)將進(jìn)行內(nèi)部熱關(guān)斷處理，溫度在130攝氏度時(shí)會(huì)輸出一個(gè)告警信號(hào)。另外，SBC還能提供低功耗的休眠模式，該模式下系統(tǒng)的電流能減小至40μA。

CAN收發(fā)器

除了提供系統(tǒng)電源外，SBC內(nèi)部還集成了一個(gè)1兆波特的CAN收發(fā)器。該收發(fā)器具有主控狀態(tài)超時(shí)檢測(cè)、內(nèi)部熱保護(hù)以及CAN+和CAN-輸入端短路保護(hù)等功能。收發(fā)器內(nèi)部還對(duì)CAN+和CAN-輸入端進(jìn)行了跳啟、電池反接以及短接至電源或地的保護(hù)。

4個(gè)高壓?jiǎn)拘演斎攵耸蛊骷邆淞藦?qiáng)大的喚醒功能。這些喚醒輸入端的最大耐壓能達(dá)40V。輸入端的上拉源能在芯片上產(chǎn)生。由于只需用上拉源就能隨時(shí)檢測(cè)開關(guān)輸入的變化，因此能較好地降低功耗。該器件還具有周期性喚醒功能。另外，SBC還提供了針對(duì)MCU的復(fù)位調(diào)節(jié)與低壓檢測(cè)功能。

多開關(guān)檢測(cè)接口

由于需要特殊的觸點(diǎn)濕性電流(wetting currents)和電路故障檢測(cè)功能，汽車電子設(shè)備需要高復(fù)雜度的輸入傳感電路來檢測(cè)開關(guān)狀態(tài)。摩托羅拉公司的多開關(guān)檢測(cè)接口(MSDI)器件MC33993正是為此而設(shè)計(jì)的。

需要大量開關(guān)接口的系統(tǒng)具有許多分立元件，而這些分立元件會(huì)占用標(biāo)準(zhǔn)印刷線路板上的大量空間，并且必須進(jìn)行焊點(diǎn)連接完整性檢測(cè)。而集成化方案能減少焊點(diǎn)數(shù)量，占用的空間也少，并能提供更寬的工作電壓，因此具有更大的靈活性。MSDI器件執(zhí)行的就是開關(guān)檢測(cè)功能，最多能檢測(cè)22個(gè)開關(guān)觸點(diǎn)的開閉狀態(tài)，這些檢測(cè)到的開閉狀態(tài)再通過一條高速串行鏈路傳送給MCU。在輸入端只需加一個(gè)合適的靜電放電電容就能實(shí)現(xiàn)對(duì)瞬態(tài)干擾的保護(hù)。同樣，所有輸入端都具備電池反接、跳啟和負(fù)載拆卸保護(hù)功能。

MSDI還具有可選的濕性電流。這些內(nèi)部電流源極大地減少了系統(tǒng)部件數(shù)量，并使金屬或橡膠開關(guān)的使用成為可能。用于檢測(cè)金屬開關(guān)的大濕性電流能在檢測(cè)過程中有選擇的使用，從而達(dá)到降低功耗的目的。利用內(nèi)部電流源可以將輸入端作為輕型負(fù)載的供電電源使用，如傳感器、LED或MOSFET門等負(fù)載。這種方法進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能，使這些輸入端在不需要開關(guān)檢測(cè)的情況下能作其它用途。

高阻抗的模擬電路特別容易受到來自電路板上其它信號(hào)噪聲的影響?？s短模擬信號(hào)路徑，并允許器件對(duì)信號(hào)進(jìn)行緩沖可以減少這種影響。MC33993具有強(qiáng)大的模擬接口功能。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，這種方法能減少系統(tǒng)布線和故障模式。另外MC33993還集成了22比1的模擬復(fù)接器來提升器件性能。通道選擇是通過一條高速串行鏈路實(shí)現(xiàn)的。該器件不僅能提供先進(jìn)的開關(guān)診斷功能，還允許使用模擬傳感器接口和梯形阻抗接口。

MCU輸出電路不能直接驅(qū)動(dòng)汽車負(fù)載，還需要燈、繼電器、馬達(dá)、量程表和LED驅(qū)動(dòng)器等集成電路。這些特殊的輸入接口器件同樣也提供保護(hù)與錯(cuò)誤檢測(cè)功能。

輸出系統(tǒng)

在電源系統(tǒng)與輸入調(diào)整確認(rèn)后就必須考慮輸出系統(tǒng)。許多汽車負(fù)載不能被MCU或低電流接口器件直接驅(qū)動(dòng)，包括馬達(dá)和燈。繼電器或機(jī)械式開關(guān)是當(dāng)今汽車車身控制結(jié)構(gòu)中主要的大電流開關(guān)器件。由于電磁系統(tǒng)成本低，設(shè)計(jì)成熟，不少系統(tǒng)結(jié)構(gòu)師仍樂于選用。然而使用電磁系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很多問題，例如：

1. 機(jī)械觸點(diǎn)的有限壽命限制了繼電器的開關(guān)頻率。由于觸點(diǎn)在打開或閉合的時(shí)候具有一定的慣性，在穩(wěn)定到下一個(gè)狀態(tài)前會(huì)有一定程度的跳動(dòng)。這一跳動(dòng)限制了最大的工作頻率，如果超過這一頻率繼電器的壽命將大大縮短。

2. 電磁系統(tǒng)不具備診斷功能。在惡劣的汽車環(huán)境中，這些器件的可靠性是個(gè)大問題。

利用專為這類負(fù)載設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)器可以方便地把這些負(fù)載集成到系統(tǒng)中去。摩托羅拉公司提供的具有4個(gè)高端與8個(gè)低端的MC33888開關(guān)就是專為驅(qū)動(dòng)汽車負(fù)載設(shè)計(jì)的。這種器件能直接控制4個(gè)功率達(dá)60W的高端負(fù)載和8個(gè)小電流(2.5W)的低端負(fù)載。MC33888器件還內(nèi)建了處理與白熾燈有關(guān)的浪涌電流的功能。從圖2可以看出由白熾燈引起的浪涌電流能達(dá)到正常工作電流的10到15倍，這會(huì)給沒有這些大浪涌電流處理電路的系統(tǒng)帶來很大的問題。對(duì)這類負(fù)載的最常見措施是觸發(fā)過流保護(hù)電路來切斷這些負(fù)載。

MC33888很好地解決了這個(gè)問題，它采用了一個(gè)啟動(dòng)定時(shí)器，允許白熾燈在過流保護(hù)電路工作前進(jìn)行預(yù)熱。過流保護(hù)電路的啟動(dòng)需要檢測(cè)調(diào)節(jié)輸出驅(qū)動(dòng)器到器件可接受電平的狀態(tài)和脈寬信號(hào)。圖3給出了過流保護(hù)的動(dòng)作波形。完整的電池反極保護(hù)、負(fù)載傾卸保護(hù)和低功耗特性都有助于降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，并減少外部元器件的數(shù)量。診斷功能包括負(fù)載開路檢測(cè)、短路檢測(cè)和過溫檢測(cè)。作為附加的保護(hù)功能，該器件還內(nèi)建了一個(gè)看門狗定時(shí)器，當(dāng)器件與MCU之間的通信發(fā)生中斷時(shí)可以用來關(guān)閉器件。對(duì)該器件的控制是通過一個(gè)高速串行接口實(shí)現(xiàn)的，因此大大減少了所需的MCU引腳數(shù)量。

電子馬達(dá)控制

最后一個(gè)需要考慮的問題是電子馬達(dá)控制。MC33887馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器能很好地完成這一任務(wù)，它是一個(gè)完整的H型橋式驅(qū)動(dòng)器。該器件具有大于5A的連續(xù)電流驅(qū)動(dòng)能力，因此非常適合用于鎖定馬達(dá)、天線馬達(dá)或雨刷泵。MC33887還具有高端電流傳感反饋功能。高端電流傳感反饋功能可根據(jù)實(shí)時(shí)的馬達(dá)電流反饋修正馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)頻率和負(fù)載循環(huán)。就象燈驅(qū)動(dòng)器那樣，當(dāng)檢測(cè)到過流狀態(tài)時(shí)它能自動(dòng)對(duì)輸出進(jìn)行脈寬調(diào)制。

MC33887器件能夠完全控制H橋激活方向和負(fù)載的中斷控制。

嵌入式仿真器

專門設(shè)計(jì)用于復(fù)雜的汽車電子應(yīng)用的MC33993、MC33887和MC33888器件提供了具有先進(jìn)性能和診斷功能的解決方案。

復(fù)雜的多引腳MCU常會(huì)引起開發(fā)問題。MC9S12DP256提供了一個(gè)單線的后臺(tái)調(diào)試接口，可以方便地在汽車環(huán)境中實(shí)現(xiàn)廣泛的調(diào)試工作，并且不會(huì)遇到使用傳統(tǒng)電路嵌入式仿真器時(shí)常見的困難。這一接口還能用來在生產(chǎn)線末端進(jìn)行主要閃存的編程，甚至可以用來在車內(nèi)執(zhí)行再編程操作。

現(xiàn)代的汽車微控制器常采用閃存來存儲(chǔ)主操作程序。編程閃存的最佳方法是在最終組裝后把主程序編程進(jìn)完整的電子控制模塊中，與在模塊組裝前通過第三方把主程序編程進(jìn)MCU相比，這種方法能有效地避免風(fēng)險(xiǎn)和延時(shí)。通過簡(jiǎn)單的串行接口將主程序編程進(jìn)MCU是在模塊組裝后完成的，一般是在最終測(cè)試過程中執(zhí)行的。一些制造商采用便宜的獨(dú)立編程器完成這一操作，而另外一些廠商則將編程操作集成在生產(chǎn)線末端的測(cè)試設(shè)備中。

摩托羅拉的相關(guān)器件則提供一個(gè)單線的后臺(tái)調(diào)試接口用來實(shí)現(xiàn)閃存編程、檢驗(yàn)和一般的調(diào)試操作。在設(shè)備正常工作時(shí)，串行通信引腳在復(fù)位時(shí)是被拉高的，因此后臺(tái)系統(tǒng)不被激活。當(dāng)有編程器或調(diào)試系統(tǒng)連接到這個(gè)引腳時(shí)，該引腳在復(fù)位時(shí)會(huì)被拉到低電平，從而迫使MCU進(jìn)入激活的后臺(tái)模式，而不是去啟動(dòng)應(yīng)用程序。為了方便調(diào)試，可以在設(shè)備正常工作時(shí)將一個(gè)主機(jī)系統(tǒng)連接到目標(biāo)MCU系統(tǒng)，從而在不干擾設(shè)備運(yùn)行的條件下實(shí)現(xiàn)對(duì)閃存或寄存器內(nèi)容的監(jiān)測(cè)。所連接的調(diào)試系統(tǒng)也能取代MCU的控制來讀寫CPU寄存器、設(shè)置硬件斷點(diǎn)或跟蹤單條指令。

傳統(tǒng)的電路嵌入式仿真器與目標(biāo)系統(tǒng)之間通常需要30到40個(gè)連接，而上述后臺(tái)調(diào)試接口只需要2到4個(gè)連接。單根BKGD通信信號(hào)和公共地是必須的。增加復(fù)位信號(hào)能使主機(jī)更容易地強(qiáng)迫和控制系統(tǒng)復(fù)位，在某些情況下增加VDD能允許調(diào)試夾具從目標(biāo)系統(tǒng)中“竊取”電源。這種簡(jiǎn)單的接口為汽車電子設(shè)計(jì)師提供了對(duì)安裝在運(yùn)動(dòng)汽車電子控制模塊中的MCU的調(diào)試訪問能力。當(dāng)汽車在正常路況下行進(jìn)時(shí)許多問題只能經(jīng)過調(diào)試才能發(fā)現(xiàn)。

內(nèi)存編程

與閃存編程相關(guān)的最重要因素是速度與方便性。編程速度取決于閃存單元的編程時(shí)間以及從編程器到目標(biāo)MCU的數(shù)據(jù)傳輸速度，當(dāng)然還有一些其它因素，如編程前擦除陣列的時(shí)間，用于驗(yàn)證編程操作成功與否的時(shí)間。MC9S12DP256編程任意16位字的時(shí)間是45ms，但一個(gè)突發(fā)編程操作允許對(duì)同一排32字閃存中的任意附加字以20ms的速度編程。理論上采用單線后臺(tái)調(diào)試接口可以在27ms內(nèi)傳送一個(gè)字的信息，這要比閃存的實(shí)際編程時(shí)間稍微慢一些。實(shí)際編程還需要額外的任務(wù)開銷，如驗(yàn)證開銷。獨(dú)立編程器工具SCBDMPGMR12能在稍少于10s的時(shí)間內(nèi)完成256KB閃存的擦除、編程和驗(yàn)證操作。

驗(yàn)證是產(chǎn)生開銷的重要因素之一。重傳所有的數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)字對(duì)字的驗(yàn)證將使編程時(shí)間加倍。一個(gè)快速的辦法是在數(shù)據(jù)編程進(jìn)閃存時(shí)進(jìn)行CRC計(jì)算，然后在整個(gè)閃存編程完成后重讀閃存內(nèi)容來驗(yàn)證CRC值。這一操作完全能以總線速度進(jìn)行，而且無需重傳數(shù)據(jù)。

將數(shù)據(jù)到目標(biāo)的傳送分離出來，使它在數(shù)據(jù)編程進(jìn)閃存前完成也會(huì)使編程時(shí)間加倍。較好的方法是數(shù)據(jù)傳送與編程操作并行展開。一般來說，要先把編程算法發(fā)送到目標(biāo)MCU，從而便于管理收到的數(shù)據(jù)并把數(shù)據(jù)送入RAM緩沖器，然后控制擦除與編程操作。該編程算法利用二個(gè)數(shù)據(jù)緩沖器來接收將被編程進(jìn)閃存的數(shù)據(jù)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)緩沖器裝滿數(shù)據(jù)后，編程算法就開始把這些數(shù)據(jù)編程進(jìn)閃存，同時(shí)新的數(shù)據(jù)被裝載到第二個(gè)緩沖器。后臺(tái)接口可以用來接收數(shù)據(jù)并把它們寫入RAM，這一操作不會(huì)干擾目標(biāo)CPU的工作，因?yàn)镃PU是從另外一個(gè)緩沖器讀取數(shù)據(jù)并編程進(jìn)閃存的。

MC9S12DP256中的閃存被分成4個(gè)獨(dú)立的64KB塊，因此可以獨(dú)立地對(duì)這4個(gè)塊執(zhí)行擦除與編程操作。在基于后臺(tái)調(diào)試的閃存編程情況下，由于數(shù)據(jù)傳送速度要稍慢于閃存的平均字編程速度，因此試圖交織進(jìn)行獨(dú)立陣列的編程操作是不切實(shí)際的，不過對(duì)所有4個(gè)塊并行執(zhí)行批量擦除操作則是可行的。

后臺(tái)訪問給首次閃存編程提供了極其便利的途徑，但一些用戶仍希望采用其它系統(tǒng)總線如CAN總線、J1850總線或串行接口總線來完成所有的現(xiàn)場(chǎng)再編程操作。在主應(yīng)用程序中包含合適的啟動(dòng)裝載(bootloader)程序能方便地做到這一點(diǎn)。為了對(duì)來自于成品汽車中某根總線的某些特殊代碼作出響應(yīng)，啟動(dòng)裝載程序應(yīng)能擦除閃存并接受新的編程數(shù)據(jù)。

作者：

Jim William

8/16位MCU事業(yè)部的應(yīng)用經(jīng)理

Jim Sibigtroth

8/16位產(chǎn)品事業(yè)部設(shè)計(jì)工程師

摩托羅拉半導(dǎo)體產(chǎn)品部