汽车方向盘按键控制器系统设计

汽车方向盘按键控制器系统设计汽车方向盘按键控制器系统设计 作者 飞思卡尔半导体中国有限公司 钱华 随着汽车在人们日常生活中的普及以及汽车电子在汽车应用领域价值不断地扩大 越来越多 的舒适性能和 智能 应用被集成进车身电子的领域 飞思卡尔最新的汽车级8位微控制器 MC9S08SC4便是本文所要介绍的主角 该款微控制器是业界使用广泛的飞思卡尔 HCS08系 列汽车级微控制器家族最新的成员 以其低成本 小封装但同时兼具高性能 高可靠性的特 点 适用于众多汽车电子应用领域 例如 简单的灯光控制 按键控制 HVAC LIN 通信 控制器 车内后视镜调光以及简单的继电器和马达控制 如果你正在为你的应用物色一颗高 性能 低成本的汽车级微控制器 但又为电子模块成本和 PCB 面积的限制而苦恼 相信 MC9S08SC4正是你要找的这颗芯片 MC9S08SC4的片上资源及性能 MC9S08SC4作为飞思卡尔 HCS08汽车级8位微控制器家族的成员 设计上延续了 HCS08微 控制器许多的优点 例如总线频率高达20Mhz 的 HCS08内核 高质量汽车级内置 Flash 存储 器可用于 EEPROM 的模拟 芯片上自带的时钟振荡器在全温度和电压范围内可校准至 2 的精度 还包括内部增强型支持 LIN 通信的串口控制器 图1是 MC9S08SC4芯片内部的结 构框图和资源配置 MC9S08SC4的典型应用 人们在选择家用轿车时 对舒适性要求不断提高 因此在整车的设计中舒适性能也受到越来 越广泛地重视 舒适性能已成为购车因素的一项重要指标 因此即使在许多中低端的轿车上 这种需求也随处可见 例如现在汽车的方向盘已经不仅仅是传统的只具备控制方向和喇叭的 功能 在它上面往往会集成用于控制其他功能的按键 例如控制收音机的操作按钮 控制 DVD 或者 CD 播放的操作按钮 手机蓝牙免提 自动巡航控制按钮 甚至还预留了用户可 配置功能的按键 方向盘按键的不同风格体现了每种车型不同的个性 因此按键设计正受到 越来越多车厂的关注 本文所要介绍的 MC9S08SC4微控制器非常适合类似方向盘按键这样应用 能帮助汽车制造 商在不增加高昂成本的情况下获得比竞争者对手较大的差异化优势 MC9S08SC4在键盘的 应用中可作为一个 LIN 通信的 Slave 节点 负责采集来自方向盘按键的各种控制信号 然后 通过 LIN 总线将这些信号传递给车内其他的控制器单元 这些控制包括车身电子控制器 CD 或者 DVD 控制器 蓝牙通信控制器和仪表盘控制器等 图2所示是利用 MC9S08SC4作为方向盘按键控制器的系统框图 简单地表明了整个控制系统 从键盘信号输入端经过逻辑控制最终输出驱动信号这一完整的控制流程 汽车方向盘按键控 制器单元由蓝色框内部组成 虽然整个控制系统的结构相对简单 但是该应用还是有一些设 计上的挑战 汽车方向盘按键控制器系统设计挑战 汽车方向盘按键控制器的设计 主要的挑战在于 方向盘按键控制器在安装的空间上受到限制 由于控制器会被安装在方向盘面板附近的位置 因此需要在设计时尽可能减小 PCB 的面积 以方便地嵌入到方向盘下方狭小的空间 并且 要避免和其它模块例如 ABS 安装的位置发生冲突 方向盘按键控制器在为驾驶员带来操控舒适性和驾驶乐趣的同时 需要承担来自按键发出的 多重的控制命令并将这些命令发送给相应的控制模块 例如各种和 CD DVD 相关的娱乐功 能 定速巡航控制和手机或者电话的免提功能 如果使用线束方式将这些功能分别连接到控 制对象 将增加大量线束的成本和整车的重量 并且大量的线束也将增加布线的复杂程度 因此 通过汽车总线的方式实现模块之间的通信是一种性价比很高的选择 对于成本敏感的应用中 如何尽可能减少外部元器件的个数 以及尽可能利用微控制器提供 的片上资源来实现系统功能是设计关键所在 但这对微控制器本身的性能提出了严峻挑战 对于一颗汽车入门级的微控制器而言尤其如此 MC9S08SC4如何应对系统设计挑战 MC9S08SC4系列微控制器在芯片设计之初便预见到了在类似应用中系统设计锁面临的挑战 以下将介绍 MC9S08SC4是如何逐一克服上述挑战的 MC9S08SC4系列微控制器的封装为16 TSSOP 包括管脚的外形尺寸仅为6 40 5 00mm2 用 于方向盘键盘控制器设计将大幅减少 PCB 面积 另一方面 由于在 MC9S08SC4微控制器内 部自带一个时钟发生器 并且在全温度和全电压范围内 经过校准后能实现最大误差不超过 2 的精度 因此 即使对于该系统中对时钟精度要求最高的应用 LIN 的通信 来说也能够 胜任 基于上述分析 用户可以直接使用内部数字时钟来提供 LIN 通讯和整个系统所需的 时钟信号 从而省去在芯片外部接一个晶振或者时钟振荡器 达到节省 PCB 面积和系统成 本的目的 对于汽车方向盘键盘所要负责的多种控制功能 通过 LIN 总线的方式同样能达到节省线束 成本 减轻重量和便于功能的升级和裁剪的效果 LIN 作为一种低成本 高可靠性的汽车总 线系统 在车身电子系统中得到广泛的应用 虽然 LIN 控制器可以使用普通的串行口控制 器 UART 实现 但是 MC9S08SC4上的串行口控制器 SCI 模块不仅能实现 UART 的功能 而 且还集成了和 LIN 通信相关的某些硬件特性 例如对于 LIN 通信中非常特殊的 Break 域的 产生和检测过程 这种硬件集成的 LIN 通信的功能 相比使用普通 UART 控制器可帮助用 户降低 LIN 通信软件设计复杂度 加快产品研发周期和上市时间 图3所示是 LIN 通信数据帧结构图 其中位于最左边的 Break 域是由 LIN 总线系统中的 Master 节点发送 用于表明一帧数据开始的标志 相应的 LIN 总线系统的 Slave 任务需要正 确识别 Break 域之后才能完成相应的 LIN 通信过程 在每一次 LIN 总线通信开始阶段 都 必须由 Master 节点来产生一个 Break 域 才能发起一次 LIN 的通讯 如果这个过程可以通 过硬件来完成 那么将大大降低 CPU 的工作负荷 反之 Slave 任务对于 Break 域判别过程 也同样存在这种差别 根据 LIN 通信协议规定 Break 域由至少连续13位的显性电平信号组成 它也是在整个 LIN 的数据帧结构中唯一不遵循如图4所示的字节结构形式的域 因此 对于标准的串行通信控 制器 UART 产生和识别 Break 域 必须借助于软件和其他的硬件手段才能完成 这是软件设 计的一大挑战 例如 当 Master 产生 Break 信号时 需要 UART 借助一个定时器通道 产 生一段至少13个比特长度的时间 然后通过软件控制相应的 Tx 端口在这段定时时间内输出 显性电平 才能完成一个 Break 域的产生 与之相对应 如果普通串行通信控制器 UART 作 为 Slave 节点 当它需要检测 Break 域时 完成这个过程同样需要借助额外的硬件和软件手 段完成 但是 对于 MC9S08SC4微控制器上的串行口控制器 SCI 如果 MC9S08SC4作为 Master 节 点产生 Break 域的过程 只需要通过操作 SCI 中的相应控制寄存器中的 SBK 位便能产生 反之 当它作为 Slave 节点时 既可以通过查询状态寄存器中的 LBKDIF 标志的方式 也可 以通过中断的方式自动识别 LIN 总线上是否有 Break 域 LIN 通信的 Break 域的产生和识别 在 MC9S08SC4中 对于用户而言只需通过操作相关的寄存器实现 然后实际的操作过程则 是通过 SCI 控制器的硬件在后台完成 相对于不具备这些硬件特性的普通串行通信控制器 MC9S08SC4在实现 LIN 通信的软件和硬件上都为用户带来了很多优势 在汽车方向盘按键控制系统中 某些数据例如系统掉电之前最后的音量信息或者定速巡航的 速度信息 都需要在下一次上电之后恢复 这个问题的常用解决方法是在控制系统中增加一 片 EEPROM 来保存相应的数据 但是这种方案带来了增加 PCB 面积和成本的双重压力 因 此目前嵌入式系统中对于存储量在几十个字节范围之内的掉电数据保存 都是通过微控制器 系统中片上的 Flash 模拟 EEPROM 的方式来实现的 但并非所有微控制器中的 Flash 都能够用于模拟 EEPROM 的操作 因为 Flash 模拟 EEPROM 的操作和 Flash 存储器的内部结构以及参数特性都有密切的关系 利用 Flash 存储 器模拟 EEPROM 的操作 要求 Flash 存储器必须具备以下几个特性 对于 Flash 存储器的编 程和擦除操作不需要外部的高电压支持 即微控制器内部能直接产生高压以支持编程和擦除 的操作过程 Flash 存储器需要支持较高的重复编程和擦除操作周期 当然这个参数和整个 系统的需求密切相关 即在整个方向盘按键控制器的生命周期中所需要保存的参数数量和保 存的次数密切相关 系统运行的过程中动态地保存参数到 Flash 要求 Flash 控制器本身能够 提供相应的寄存器接口 以便用户能通过软件的方式完成编程和擦除操作 对于上述三个要求 MC9S08SC4的 Flash 存储器都能满足 在 MC9S08SC4的 Flash 控制器 内部自带高压泵以支持编程和擦除操作所需要的电压 对于 Flash 编程和擦除的周期问题 例如假设在方向盘按键控制器系统中需要对32个字节的数据做掉电保存 若利用4k 字节 Flash 中的1k 用于 EEPROM 模拟 那么在最差的情况下可以支持320 000次掉电保存 通常 情况下可以支持高达3 200 000次的掉电保存 当然 根据不同的应用估算的结果不同 这需 要客户根据具体应用合理地选择保存策略来达到尽可能多的掉电保存次数 表1给出了 MC9S08SC4微控制器中 Flash 存储器的主要性能参数 本文小结 本文通过介绍汽车方向盘按键控制器的应用 揭示在系统设计中可能面