Kinetis EA系列微控制器在汽車儀表中的應(yīng)用

　　中國(guó)汽車市場(chǎng)的繁榮，使得購(gòu)買汽車的門檻逐漸降低。日益擴(kuò)大的購(gòu)車群體也加劇了各品牌車廠之間的競(jìng)爭(zhēng)。這些競(jìng)爭(zhēng)，不僅僅表現(xiàn)在車輛的外觀以及質(zhì)量，價(jià)格也是個(gè)很重要的因素。整車價(jià)格的下降，使得各零配件的價(jià)格也要同步下降，這就對(duì)各個(gè)汽車零配件供應(yīng)商提出了更高的要求：在保證質(zhì)量的前提下，縮減成本。每輛汽車必配的儀表，自然而然的也需要面臨這一挑戰(zhàn)。

　　傳統(tǒng)的汽車儀表，如圖1所示，由步進(jìn)電機(jī)顯示車速、轉(zhuǎn)速、油量和水溫，各種報(bào)警燈分布在整個(gè)儀表的外圍。在儀表盤中心位置，由段碼式或點(diǎn)陣式LCD展示一些綜合性的信息，例如里程、環(huán)境溫度、油耗等。隨著成本的控制，有些儀表把油量和水溫信息也放在LCD里面展示。這樣一個(gè)系統(tǒng)可以滿足基本信息提示的要求。

　　1 汽車儀表的技術(shù)特點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的汽車儀表，主要由步進(jìn)電機(jī)、段碼式或點(diǎn)陣式LCD和一些聲、光報(bào)警信號(hào)構(gòu)成。下面對(duì)于上述技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行逐一分析，以確認(rèn)微控制器(MCU)所需提供的資源。

　　對(duì)于聲、光報(bào)警信號(hào)，一般由PWM和GPIO進(jìn)行驅(qū)動(dòng)即可，若需和外部事件同步，還需增加一些輸入捕獲和定時(shí)器資源。

　　對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，由控制芯片內(nèi)部的雙H橋電路進(jìn)行控制步進(jìn)電機(jī)的正弦相/余弦相，從而實(shí)現(xiàn)精確的位置控制。若使指針具有飄逸效果，則需要增加定時(shí)器及相關(guān)濾波算法，消耗MCU的計(jì)算資源。汽車儀表用的步進(jìn)電機(jī)，每相需要20mA或更大的電流驅(qū)動(dòng)能力，這就需要MCU的電機(jī)驅(qū)動(dòng)引腳具有相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)能力。

　　對(duì)于段碼式LCD，由特殊的控制模塊產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的階梯波形，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)段的亮/滅。段碼式LCD控制模式有1:1，1:2，1:3，1:4等，由芯片內(nèi)部的控制模塊產(chǎn)生，并依據(jù)設(shè)置的頻率進(jìn)行自動(dòng)刷新。段碼式LCD的驅(qū)動(dòng)由前板(FP)和背板(BP)組成，最大可驅(qū)動(dòng)的段數(shù)由FP x BP決定。在背板為4(大多數(shù)驅(qū)動(dòng)芯片所具有的背板數(shù)量)的情況下，段碼式LCD驅(qū)動(dòng)要消耗大量IO口，故MCU一般需要較大的封裝以提供足夠多的IO口數(shù)量。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，段的亮或滅，僅需改變芯片內(nèi)部的某一比特位即可。點(diǎn)陣式LCD一般由SPI或并口進(jìn)行控制，由于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量的增加，MCU需要有較大的存儲(chǔ)空間。

　　隨著汽車內(nèi)部電子單元的增加，待機(jī)功耗也是一個(gè)重要指標(biāo)。市場(chǎng)要求儀表模塊的待機(jī)功耗從3mA逐步減少到1.5mA，甚至為700uA。這對(duì)儀表板上的MCU提出要求：在具有CAN/LIN/GPIO喚醒能力的低功耗模式下，MCU消耗的電流越小越好。

　　綜上分析，一個(gè)合格的傳統(tǒng)汽車儀表控制芯片，需要具有如下特性：由GPIO驅(qū)動(dòng)一些光電報(bào)警電路;PWM實(shí)現(xiàn)發(fā)聲功能及儀表背光一致性的調(diào)節(jié);具有大電流輸出能力的PWM端口實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的直接驅(qū)動(dòng);可輸出階梯波形的引腳以滿足段碼LCD的驅(qū)動(dòng);具有SPI或并口控制點(diǎn)陣LCD;超低的低功耗且滿足可喚醒功能。

　　2 Kinetis EA系列微控制器介紹

　　Kinetis EA系列微控制器是飛思卡爾基于ARM Cortex-M0+^®內(nèi)核的一套經(jīng)濟(jì)高效的汽車級(jí)32位產(chǎn)品。它的工作電壓范圍是2.7~5.5V，運(yùn)行頻率高達(dá)48MHz，可實(shí)現(xiàn)單指令周期訪問(wèn)I/O，片內(nèi)有37.5kHz和1kHz兩種時(shí)鐘源。37.5kHz時(shí)鐘可通過(guò)內(nèi)部鎖相環(huán)倍頻至48MHz，內(nèi)部1kHz的時(shí)鐘源可為MCU在低功耗運(yùn)行狀態(tài)時(shí)提供時(shí)鐘信號(hào)，以降低靜態(tài)功耗。低電壓檢測(cè)模塊、具有獨(dú)立時(shí)鐘源的看門狗模塊和可編程CRC模塊，提高了系統(tǒng)的健壯性。每個(gè)芯片都有一個(gè)80位、全球唯一的識(shí)別碼，增加設(shè)計(jì)的安全性和完整性。Kinetis EA系列微控制器具有豐富的片上資源，最多可以實(shí)現(xiàn)71個(gè)通用輸入/輸出端口(GPIO)，兩個(gè)鍵盤中斷模塊(KBI)，16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)，多達(dá)10通道的脈寬調(diào)制模塊(PWM)，2通道的周期中斷模塊(PIT)，1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘控制器(RTC)，4通道的脈寬測(cè)量模塊(PWT)，2路串行外設(shè)接口(SPI)，2路串行通信接口(SCI)，1路CAN通信接口和2路IIC通信接口。此外，6路PWM和2個(gè)GPIO還具有20mA大電流驅(qū)動(dòng)的特性。它的封裝涵蓋了16TSSOP、24QFN、32/64/80LQFP等，以滿足不同應(yīng)用的需求。另外，Kinetis EA微控制器針還對(duì)汽車應(yīng)用的特點(diǎn)，采用特殊設(shè)計(jì)，增強(qiáng)抗電磁干擾能力以及提高靜電保護(hù)的等級(jí)。