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，然后通過LIN總線將這些信號傳遞給車內(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)從鍵盤信號輸入端經(jīng)過邏輯控制最終輸出驅(qū)動(dòng)信號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。但這對微控制器本身的性能提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對于一顆汽車入門級的微控制器而言尤其如此。

　　MC9S08SC4如何應(yīng)對系統(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，即使對于該系統(tǒng)中對時(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?，用戶可以直接使用內(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，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，對于標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)的一大挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)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)識別LIN總線上是否有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PCB的面積和安裝位置有限制，對控制系統(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位汽車級微控制器MC9S08SC4是理想的選擇。