飛思卡爾單片機在汽車電子中的應(yīng)用

劉永春，王秋花

（中國重汽集團技術(shù)發(fā)展中心汽車電子設(shè)計部，山東 濟南 250002）

隨著汽車電子化和智能化的高速發(fā)展，單片機在汽車電子中發(fā)揮著越來越重要的作用。在汽車動力系統(tǒng)中的燃油噴射控制、安全系統(tǒng)中的制動防抱死控制、后處理系統(tǒng)中的尿素噴射控制、汽車門控系統(tǒng)等，無不大量采用單片機作為核心控制器件。飛思卡爾半導(dǎo)體供應(yīng)商推出的8位、16位和32位系列單片機，能夠滿足車輛各個控制方面的應(yīng)用需求，被廣泛應(yīng)用于汽車電子控制單元中，其中16位單片機MC9S12XEP100則以強大的功能和性能優(yōu)勢廣泛受到人們的青睞。

1 結(jié)構(gòu)

MC9S12XE系列是專用于汽車電子領(lǐng)域的高性能雙核微控制器MCU，它享有低成本、低功耗、卓越的EMC性能和高效的代碼等優(yōu)勢，可以滿足客戶對設(shè)計靈活性和平臺兼容性的需求。該系列包括6種型號，閃速存儲器容量從128 KB～1 024 KB不等，封裝從80引腳～208引腳不等。設(shè)計員可以靈活選擇不同容量的存儲器、封裝、價格等，以滿足不同應(yīng)用的需求。

MC9S12XEP100（以下簡稱XEP100）片內(nèi)總線時鐘可高達50MHz，片內(nèi)資源非常豐富，同時集成了許多標準的模塊，主要包括16個12位精度的AD轉(zhuǎn)換模塊、8個異步串行通信接口SCI、3路同步串行通信接口SPI、8通道脈寬調(diào)制模塊PWM、8個16位增強型捕捉定時器ECT、兼容CAN2.0A／B協(xié)議的5個CAN接口模塊、一個內(nèi)部IIC總線模塊及豐富的IO端驅(qū)動器、片內(nèi)擁有64 KB的隨機存儲器RAM、1024KB的閃速存儲器Flash、4 KB的電可擦寫可編程只讀存儲器EEPROM，能夠滿足汽車級芯片溫度范圍和各種復(fù)雜環(huán)境的要求。

2 功能特點

MC9S12XE系列單片機于2009年9月推向市場，經(jīng)過幾年的市場考驗，其應(yīng)用已日趨成熟化。飛思卡爾公司為確保此系列單片機產(chǎn)品供貨的長期性和穩(wěn)定性，提供了業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的長期市場供貨計劃，保證最短15年的供貨期和一流的技術(shù)支持，并在國內(nèi)設(shè)有生產(chǎn)廠，目前市場售價60元左右。

MC9S12XE系列單片機主要有五大特點。

1）單片機內(nèi)部采用了增強型XGATE協(xié)處理器模塊，允許高速數(shù)據(jù)自主地在單片機外設(shè)和內(nèi)部RAM、I／O端口之間進行數(shù)據(jù)傳輸與處理。XGATE內(nèi)置有一個16位的精簡指令集內(nèi)核，可以對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行預(yù)處理并執(zhí)行復(fù)雜的通信協(xié)議，易于用C語言進行編程。XGATE可以顯著降低CPU的負荷，使CPU能夠集中資源運行關(guān)鍵的系統(tǒng)活動，從而提高了單片機的數(shù)據(jù)處理能力。

2）S12XE系列包括一個存儲器保護單元 （MPU），用于防止軟件中的系統(tǒng)錯誤。這個MPU解決了不同模塊之間的錯誤交互導(dǎo)致的潛在問題，這項特性在汽車設(shè)計中非常關(guān)鍵，因為它有助于最大程度地控制汽車中系統(tǒng)故障的擴散。

3）單片機片內(nèi)集成了可達1024KB的閃速存儲器Flash。近年來，隨著Flash在單片機片內(nèi)的應(yīng)用走向成熟，單片機的開發(fā)和應(yīng)用又迎來了一次新的飛躍。Flash是一種非易失性存儲介質(zhì)，讀取它的內(nèi)容同RAM的讀取一樣方便，而對它的寫操作卻比EEPROM還要快。在系統(tǒng)掉電后，F(xiàn)lash中的內(nèi)容仍能可靠保持不變。Flash的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且寫入、擦除次數(shù)可達數(shù)萬次以上，從而使開發(fā)微控制器不再需要昂貴的仿真器。

4）簡單的背景開發(fā)模式 （BDM）：PC主機→BDM調(diào)試器→目標板，使得開發(fā)成本進一步降低，也使得現(xiàn)場開發(fā)和系統(tǒng)升級變得比較方便。6針BDM接口的引腳定義見表1。

表1 BDM接口引腳定義

5）應(yīng)用鎖相環(huán)技術(shù)提高了系統(tǒng)的電磁兼容性。在以往不使用鎖相環(huán)的微控制器應(yīng)用系統(tǒng)中，晶振電路由于其工作頻率比較高 （通常為幾兆赫茲至幾十兆赫茲）而成為一個很大的干擾源，這一問題給系統(tǒng)設(shè)計、線路板布局帶來了很多不便。MC9S12XE系列單片機在時鐘發(fā)生系統(tǒng)中巧妙地使用了鎖相環(huán)技術(shù)，因而可在幾兆赫茲的外部晶振情況下，通過軟件編程產(chǎn)生上百兆的系統(tǒng)時鐘，從而降低了對外輻射干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 在汽車電子中的應(yīng)用

現(xiàn)以一個典型的后處理系統(tǒng)電控單元的設(shè)計開發(fā)為例，說明XEP100在汽車電子領(lǐng)域的應(yīng)用，圖1為后處理電控單元的系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)基于模塊化的設(shè)計思想，主要從電源模塊、信號輸入調(diào)理模塊、中央處理模塊、通信模塊、尿素泵的驅(qū)動模塊、尿素噴嘴的驅(qū)動模塊、尿素泵管箱加熱的驅(qū)動模塊、故障診斷模塊而設(shè)計。中央處理模塊采用了飛思卡爾16位單片機XEP100作為核心處理器，主要功能是根據(jù)從CAN總線上獲得的發(fā)動機的實時工況、數(shù)字信號 （包括鑰匙開關(guān)、蓄電池的電源開關(guān)等）和模擬信號 （包括尿素溫度、尿素液位、尿素壓力、催化器前溫等）由單片機XEP100進行精確的邏輯運算，來控制尿素溶液的噴射時刻和噴射量，尿素溶液被噴射到排氣管中與發(fā)動機尾氣進行化學(xué)反應(yīng)，從而起到凈化尾氣的作用。

電源模塊需要把蓄電池電壓24V轉(zhuǎn)換為5V的直流電壓，為單片機等集成芯片及傳感器提供5 V電源。中央處理模塊是由中央處理器、晶振電路、復(fù)位電路、程序刷寫電路和外圍接口電路組成，它是整個控制器DCU的核心，也是單片機XEP100工作必不可少的最小模塊單元。CAN通信模塊實現(xiàn)與發(fā)動機控制器ECU、儀表控制器信息的交互，通過CAN總線實現(xiàn)參數(shù)的在線標定調(diào)試、程序的刷寫。信號調(diào)理模塊主要用于處理模擬信號和鑰匙開關(guān)等數(shù)字信號，模擬信號需要經(jīng)過一系列的調(diào)理電路處理成0～5V的電壓信號給單片機的AD端口，再由單片機進行AD轉(zhuǎn)換，數(shù)字信號經(jīng)過一系列的調(diào)理電路給單片機的IO口。尿素泵的驅(qū)動模塊中采用了infineon公司的電機控制芯片，它內(nèi)部集成了H橋電路，用來驅(qū)動泵內(nèi)的電機，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)；對噴嘴、尿素箱加熱、尿素泵加熱、尿素管加熱的驅(qū)動采用了安森美公司的MOSFET功率驅(qū)動芯片，對執(zhí)行器的診斷可通過SPI接口與單片機通信，實時讀取故障信息。

該后處理系統(tǒng)的電控單元被應(yīng)用在重汽國Ⅳ重型柴油車輛上，主要包括A7車型和HOWO車型，以滿足重型柴油機國Ⅳ排放法規(guī)的需要。經(jīng)過長期的試驗驗證，證明以單片機XEP100為主控芯片的電控單元具有非常好的穩(wěn)定性和可靠性，并贏得了良好的市場反映。

4 結(jié)束語

單片機XEP100的應(yīng)用并不復(fù)雜。對于一般簡單的應(yīng)用硬件，只需增加少量的外圍電路即可實現(xiàn)；對于相對復(fù)雜的系統(tǒng)，進行外圍電路的擴展也極為方便。特別是在汽車電子領(lǐng)域，XEP100憑借著豐富的片內(nèi)資源、強大的功能、卓越的性能優(yōu)勢及較高的性價比，給硬件設(shè)計及軟件編程提供了極大的方便。我們可以預(yù)見：汽車電子工業(yè)的迅猛發(fā)展，必將給這種高性價比的微控制器帶來更為廣泛的應(yīng)用和發(fā)展空間。