基于MC9S08SC4芯片的汽車方向盤按鍵控制器設(shè)計(jì)

　　飛思卡爾最新的汽車級(jí)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系列汽車級(jí)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)，適用于眾多汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域，例如：簡單的燈光控制、按鍵控制、HVAC、LIN通信控制器、車內(nèi)后視鏡調(diào)光以及簡單的繼電器和馬達(dá)控制。如果你正在為你的應(yīng)用物色一顆高性能、低成本的汽車級(jí)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汽車級(jí)8位微控制器家族的成員，設(shè)計(jì)上延續(xù)了HCS08微控制器許多的優(yōu)點(diǎn)，例如總線頻率高達(dá)20Mhz的HCS08內(nèi)核，高質(zhì)量汽車級(jí)內(nèi)置Flash存儲(chǔ)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(nèi)可校準(zhǔn)至±2%的精度，還包括內(nèi)部增強(qiáng)型支持LIN通信的串口控制器。圖1是MC9S08SC4芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)框圖和資源配置。

　　MC9S08SC4的典型應(yīng)用

　　人們在選擇家用轎車時(shí)，對(duì)舒適性要求不斷提高，因此在整車的設(shè)計(jì)中舒適性能也受到越來越廣泛地重視，舒適性能已成為購車因素的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此即使在許多中低端的轎車上這種需求也隨處可見，例如現(xiàn)在汽車的方向盤已經(jīng)不僅僅是傳統(tǒng)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(jī)的操作按鈕、控制DVD或者CD播放的操作按鈕、手機(jī)藍(lán)牙免提、自動(dòng)巡航控制按鈕，甚至還預(yù)留了用戶可配置功能的按鍵。方向盤按鍵的不同風(fēng)格體現(xiàn)了每種車型不同的個(gè)性，因此按鍵設(shè)計(jì)正受到越來越多車廠的關(guān)注。

　　本文所要介紹的MC9S08SC4微控制器非常適合類似方向盤按鍵這樣應(yīng)用，能幫助汽車制造商在不增加高昂成本的情況下獲得比競爭者對(duì)手較大的差異化優(yōu)勢。MC9S08SC4在鍵盤的應(yīng)用中可作為一個(gè)LIN通信的Slave節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)采集來自方向盤按鍵的各種控制信號(hào)，然后通過LIN總線將這些信號(hào)傳遞給車內(nèi)其他的控制器單元，這些控制包括車身電子控制器、CD或者DVD控制器、藍(lán)牙通信控制器和儀表盤控制器等。

　　圖2所示是利用MC9S08SC4作為方向盤按鍵控制器的系統(tǒng)框圖，簡單地表明了整個(gè)控制系統(tǒng)從鍵盤信號(hào)輸入端經(jīng)過邏輯控制最終輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)這一完整的控制流程。汽車方向盤按鍵控制器單元由藍(lán)色框內(nèi)部組成，雖然整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，但是該應(yīng)用還是有一些設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。

　　汽車方向盤按鍵控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　汽車方向盤按鍵控制器的設(shè)計(jì)，主要的挑戰(zhàn)在于：

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

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

　　對(duì)于成本敏感的應(yīng)用中，如何盡可能減少外部元器件的個(gè)數(shù)，以及盡可能利用微控制器提供的片上資源來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能是設(shè)計(jì)關(guān)鍵所在。但這對(duì)微控制器本身的性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對(duì)于一顆汽車入門級(jí)的微控制器而言尤其如此。

　　MC9S08SC4如何應(yīng)對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　MC9S08SC4系列微控制器在芯片設(shè)計(jì)之初便預(yù)見到了在類似應(yīng)用中系統(tǒng)設(shè)計(jì)鎖面臨的挑戰(zhàn)，以下將介紹MC9S08SC4是如何逐一克服上述挑戰(zhàn)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，用于方向盤鍵盤控制器設(shè)計(jì)將大幅減少PCB面積。另一方面，由于在MC9S08SC4微控制器內(nèi)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(nèi)，經(jīng)過校準(zhǔn)后能實(shí)現(xiàn)最大誤差不超過±2%的精度，因此，即使對(duì)于該系統(tǒng)中對(duì)時(shí)鐘精度要求最高的應(yīng)用(LIN的通信)來說也能夠勝任?；谏鲜龇治觯脩艨梢灾苯邮褂脙?nèi)部數(shù)字時(shí)鐘來提供LIN通訊和整個(gè)系統(tǒng)所需的時(shí)鐘信號(hào)，從而省去在芯片外部接一個(gè)晶振或者時(shí)鐘振蕩器，達(dá)到節(jié)省PCB 面積和系統(tǒng)成本的目的。

　　對(duì)于汽車方向盤鍵盤所要負(fù)責(zé)的多種控制功能，通過LIN總線的方式同樣能達(dá)到節(jié)省線束成本、減輕重量和便于功能的升級(jí)和裁剪的效果。LIN作為一種低成本、高可靠性的汽車總線系統(tǒng)，在車身電子系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用，雖然LIN控制器可以使用普通的串行口控制器UART實(shí)現(xiàn)，但是MC9S08SC4上的串行口控制器SCI模塊不僅能實(shí)現(xiàn)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(duì)于LIN通信中非常特殊的Break域的產(chǎn)生和檢測過程，這種硬件集成的LIN通信的功能，相比使用普通UART控制器可幫助用戶降低LIN通信軟件設(shè)計(jì)復(fù)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(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)圖，其中位于最左邊的Break域是由LIN總線系統(tǒng)中的Master節(jié)點(diǎn)發(fā)送，用于表明一幀數(shù)據(jù)開始的標(biāo)志，相應(yīng)的LIN總線系統(tǒng)的Slave任務(wù)需要正確識(shí)別Break域之后才能完成相應(yīng)的LIN通信過程。在每一次LIN總線通信開始階段，都必須由Master節(jié)點(diǎn)來產(chǎn)生一個(gè)Break域，才能發(fā)起一次LIN的通訊，如果這個(gè)過程可以通過硬件來完成，那么將大大降低CPU的工作負(fù)荷;反之，Slave任務(wù)對(duì)于Break域判別過程也同樣存在這種差別。

　　根據(jù)LIN通信協(xié)議規(guī)定，Break域由至少連續(xù)13位的顯性電平信號(hào)組成，它也是在整個(gè)LIN的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)中唯一不遵循如圖4所示的字節(jié)結(jié)構(gòu)形式的域。因此，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的串行通信控制器UART產(chǎn)生和識(shí)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(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)Master產(chǎn)生Break信號(hào)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)比特長度的時(shí)間，然后通過軟件控制相應(yīng)的Tx端口在這段定時(shí)時(shí)間內(nèi)輸出顯性電平，才能完成一個(gè)Break域的產(chǎn)生。與之相對(duì)應(yīng)，如果普通串行通信控制器UART作為Slave節(jié)點(diǎn)，當(dāng)它需要檢測Break域時(shí)，完成這個(gè)過程同樣需要借助額外的硬件和軟件手段完成。

　　但是，對(duì)于MC9S08SC4微控制器上的串行口控制器SCI，如果MC9S08SC4作為Master節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生Break域的過程，只需要通過操作SCI中的相應(yīng)控制寄存器中的SBK位便能產(chǎn)生;反之，當(dāng)它作為Slave節(jié)點(diǎn)時(shí)，既可以通過查詢狀態(tài)寄存器中的LBKDIF標(biāo)志的方式，也可以通過中斷的方式自動(dòng)識(shí)別LIN總線上是否有Break域。LIN通信的Break域的產(chǎn)生和識(shí)別在MC9S08SC4中，對(duì)于用戶而言只需通過操作相關(guān)的寄存器實(shí)現(xiàn)，然后實(shí)際的操作過程則是通過SCI控制器的硬件在后臺(tái)完成，相對(duì)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(xiàn)LIN通信的軟件和硬件上都為用戶帶來了很多優(yōu)勢。

　　在汽車方向盤按鍵控制系統(tǒng)中，某些數(shù)據(jù)例如系統(tǒng)掉電之前最后的音量信息或者定速巡航的速度信息，都需要在下一次上電之后恢復(fù)，這個(gè)問題的常用解決方法是在控制系統(tǒng)中增加一片EEPROM來保存相應(yīng)的數(shù)據(jù)，但是這種方案帶來了增加PCB面積和成本的雙重壓力，因此目前嵌入式系統(tǒng)中對(duì)于存儲(chǔ)量在幾十個(gè)字節(jié)范圍之內(nèi)的掉電數(shù)據(jù)保存，都是通過微控制器系統(tǒng)中片上的Flash模擬EEPROM的方式來實(shí)現(xiàn)的。

　　但并非所有微控制器中的Flash都能夠用于模擬EEPROM的操作，因?yàn)镕lash模擬EEPROM的操作和Flash存儲(chǔ)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及參數(shù)特性都有密切的關(guān)系。利用Flash存儲(chǔ)器模擬EEPROM的操作，要求Flash存儲(chǔ)器必須具備以下幾個(gè)特性：對(duì)于Flash存儲(chǔ)器的編程和擦除操作不需要外部的高電壓支持，即微控制器內(nèi)部能直接產(chǎn)生高壓以支持編程和擦除的操作過程。Flash存儲(chǔ)器需要支持較高的重復(fù)編程和擦除操作周期。當(dāng)然這個(gè)參數(shù)和整個(gè)系統(tǒng)的需求密切相關(guān)，即在整個(gè)方向盤按鍵控制器的生命周期中所需要保存的參數(shù)數(shù)量和保存的次數(shù)密切相關(guān)。系統(tǒng)運(yùn)行的過程中動(dòng)態(tài)地保存參數(shù)到Flash，要求Flash控制器本身能夠提供相應(yīng)的寄存器接口，以便用戶能通過軟件的方式完成編程和擦除操作。

　　對(duì)于上述三個(gè)要求，MC9S08SC4的Flash存儲(chǔ)器都能滿足，在MC9S08SC4的Flash控制器內(nèi)部自帶高壓泵以支持編程和擦除操作所需要的電壓;對(duì)于Flash編程和擦除的周期問題，例如假設(shè)在方向盤按鍵控制器系統(tǒng)中需要對(duì)32個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)做掉電保存，若利用4k字節(jié)Flash中的1k用于EEPROM模擬，那么在最差的情況下可以支持320,000次掉電保存，通常情況下可以支持高達(dá)3,200,000次的掉電保存。當(dāng)然，根據(jù)不同的應(yīng)用估算的結(jié)果不同，這需要客戶根據(jù)具體應(yīng)用合理地選擇保存策略來達(dá)到盡可能多的掉電保存次數(shù)。表1給出了MC9S08SC4微控制器中Flash存儲(chǔ)器的主要性能參數(shù)。

　　本文小結(jié)

　　本文通過介紹汽車方向盤按鍵控制器的應(yīng)用，揭示在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可能面臨的主要挑戰(zhàn)，并闡述MC9S08SC4作為主控制器通過發(fā)揮芯片本身的優(yōu)勢，如何克服面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。因此，在汽車電子系統(tǒng)中，類似于方向盤按鍵控制器這種應(yīng)用，不需要微控制器具備很復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和很高的實(shí)時(shí)性處理能力，但是對(duì)PCB的面積和安裝位置有限制，對(duì)控制系統(tǒng)成本敏感，需要系統(tǒng)能通過LIN總線具備擴(kuò)展性能以及需要具備汽車級(jí)的產(chǎn)品可靠性的應(yīng)用場合，來自飛思卡爾半導(dǎo)體的8位汽車級(jí)微控制器MC9S08SC4是理想的選擇。