瑞薩MCU在汽車儀表及CAN/LIN應(yīng)用中的解決方案

　　瑞薩科技于2003年4月由日立制作所和三菱電機(jī)的半導(dǎo)體部門合并成立，致力于提供移動(dòng)通信、汽車電子以及PC/AV（數(shù)碼家電）領(lǐng)域的半導(dǎo)體解決方案。在全球汽車半導(dǎo)體市場(chǎng)中，瑞薩占有7.1%的市場(chǎng)份額，排名第四位；在日本市場(chǎng)中占據(jù)第一位，市場(chǎng)份額為22.3%。其汽車半導(dǎo)體解決方案包含了安全、信息、動(dòng)力總成、底盤以及車身五個(gè)方面，其中每個(gè)方面都有多種解決方案。

　　汽車儀表解決方案

　　儀表MCU的特點(diǎn)分以下幾個(gè)方面：

　　1. 內(nèi)嵌步進(jìn)電機(jī)PWM控制器：可直接控制和驅(qū)動(dòng)4-6個(gè)步進(jìn)電機(jī)，無需外驅(qū)動(dòng)器IC，因此可以節(jié)省成本和布局空間，具有優(yōu)良的EMI/EMC性能；

　　2. 內(nèi)嵌LCD控制器：28/32段×4公共引腳，可以直接控制LCD，同樣無需外置驅(qū)動(dòng)器IC，因此可以節(jié)省成本和布局空間，具有優(yōu)良的EMI/EMC性能；

　　3. 高速CPU：單指令周期，20 MHz的H8S最小指令執(zhí)行時(shí)間為50ns，而40 MHz的H8SX最小指令執(zhí)行時(shí)間是25ns；

　　4. 強(qiáng)大的定時(shí)器：片上16位定時(shí)器脈沖單元有三個(gè)16位定時(shí)器通道，包括輸入捕捉、輸出比較、PWM和相位計(jì)算。

　　H8S/228X特殊模塊的基本功能，包括三個(gè)部分：定時(shí)器脈沖單元（TPU）；步進(jìn)電機(jī)PWM控制器和LCD控制器。

　　TPU是由3個(gè)16位定時(shí)器通道組成，包括最多8個(gè)脈沖輸入/輸出，可以為每個(gè)通道設(shè)置：比較匹配的波形輸出；輸入捕捉功能；計(jì)數(shù)器清零操作；同步運(yùn)行；定時(shí)器計(jì)數(shù)器能夠同時(shí)寫入；可以比較匹配與輸入捕捉同時(shí)清零；利用同步計(jì)數(shù)器操作實(shí)現(xiàn)寄存器同時(shí)輸入/輸出；與同步運(yùn)行結(jié)合的最大7相位PWM輸出。

　　步進(jìn)電機(jī)PWM功能包括：最大16個(gè)脈沖輸出，其中兩個(gè)10位PWM通道，每個(gè)通道有8個(gè)輸出，可以直接獨(dú)立控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)；0%至100%占空比；5個(gè)操作時(shí)鐘；可以通過16位總線接口進(jìn)行高速訪問；兩個(gè)中斷源；可以設(shè)置模塊停止模式。

　　對(duì)于LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器，其重要功能有：28/32段×4公共引腳；段輸出引腳可用作11個(gè)幀頻的4組端口選擇；A或B波形可以用軟件進(jìn)行選擇；內(nèi)置電源分離電阻；除了待機(jī)模式和模塊停止模式外，還有操作模式顯示。

　　儀表盤應(yīng)用解決方案

　　1.微步進(jìn)電機(jī)解決方案

　　微步進(jìn)電機(jī)成本低，結(jié)構(gòu)簡單，但具有高可靠性，且無需維護(hù)、無需反饋元件。但是經(jīng)常在低速率時(shí)出現(xiàn)共振效應(yīng)，而且隨著速度增加轉(zhuǎn)矩會(huì)降低。圖1顯示了VID步進(jìn)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中左邊是轉(zhuǎn)子，中間是齒輪，右邊是電機(jī)輸出。

　　2. 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式

　　電機(jī)驅(qū)動(dòng)模式有分步驅(qū)動(dòng)模式和微步驅(qū)動(dòng)模式。圖2所示的是分步驅(qū)動(dòng)的時(shí)序圖，可以看到一個(gè)周期由六步組成，脈沖序列從左向右時(shí)，指針順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)；反之，如果脈沖序列從右向左時(shí)指針逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。圖3所示的是微步驅(qū)動(dòng)模式時(shí)序圖，其中藍(lán)色線代表左線圈的電流，紅色線代表右線圈的電流。一個(gè)周期共有 24個(gè)微步組成，線圈上的電流波形近似于正弦波型。

　　瑞薩儀表盤解決方案

　　圖4所示的是瑞薩H8S/228X儀表盤解決方案框圖，其中左邊的是電壓輸入，包括燃料、溫度等等；還有脈沖輸入，包括轉(zhuǎn)速表和速度，框圖中給出了各個(gè)功能模塊。圖的右邊是4步進(jìn)電機(jī)、PWM調(diào)光器、CAN和LCD。

　　圖5所示為H8SX/1544儀表盤解決方案的框圖。框圖的左邊是電壓輸入，包括燃料、溫度等；還有脈沖輸入，包括轉(zhuǎn)速表和速度、E2PROM和PC?？驁D給出了各個(gè)功能模塊；圖的右邊是4步進(jìn)電機(jī)、揚(yáng)聲器、2步進(jìn)電機(jī)、PWM調(diào)光器、CAN1、CAN2和LCD。

　　H8S/228X的開發(fā)工具軟件包括編譯器、匯編程序和連接程序，還有調(diào)試器和模擬器；硬件包括仿真器、JTAG仿真器、評(píng)估板和CPU板。

　　HEW是瑞薩自主開發(fā)、支持自己MCU的開發(fā)環(huán)境，功能包括：代碼和調(diào)試支持，全面的仿真能力，自動(dòng)產(chǎn)生啟動(dòng)代碼，帶有彩色鍵盤功能的集成編輯器，根據(jù)功能可以利用圖形顯示執(zhí)行周期數(shù)，全面的斷點(diǎn)功能，可視調(diào)試功能，包括圖形和波形顯示，并且可集成的第三方工具。

　　E6000仿真器具有零等待狀態(tài)實(shí)時(shí)仿真功能，它具有256個(gè)PC斷點(diǎn)，總時(shí)間或相關(guān)執(zhí)行時(shí)間的分辨率可以達(dá)到20ns至16us；此外還有多種目標(biāo)時(shí)鐘可以選擇。

　　CAN/LIN車身解決方案

　　車身模塊共包括八個(gè)部分：中央車身控制器/網(wǎng)關(guān)（BCM；CEM）、包括車門模塊、柱式集成模塊（CIM；MRSM）、加熱、通風(fēng)和空調(diào)（HVAC）、座椅模塊（SCS）、前燈、雨刷以及無鑰門禁。M16C系列車身平臺(tái)有三個(gè)系列：32位的M32C架構(gòu)模塊、16位的M16C架構(gòu)模塊，還有8位的R8C架構(gòu)模塊。這些系列引腳兼容，軟硬件兼容，外設(shè)兼容。瑞薩的車身低端MCU產(chǎn)品包括16位MCU，20至32MHz，20引腳到100引腳。針對(duì)中國市場(chǎng)推廣R8C/20/21/22/23; R8C/28/29;M16C/28/29。高/中端車身高M(jìn)CU產(chǎn)品包括16/32位MCU， 1到4 個(gè)CAN。

　　R8C/Tiny系列的產(chǎn)品命名為M16C系列代表（M16C平臺(tái)）；CPU是R8C；產(chǎn)品命名：R8C/Tiny，其中R代表瑞薩，8代表內(nèi)部外設(shè)總線寬度（CPU：16位），C代表小型（沿用M16C系列命名），/代表沿用M16C系列命名，Tiny代表最少引腳的單片機(jī)和片上小型閃存。

　　用于R&C/22組、R&C/23組MCU的CAN（控制局域網(wǎng)絡(luò)）模塊是一個(gè)執(zhí)行CAN 2.0B協(xié)議的通信控制器。R&C/22組、R&C/23組包含一個(gè)完整CAN模塊，可以發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)（11位）ID和擴(kuò)展（29位） ID格式的信息。

　　硬件LIN的主節(jié)點(diǎn)模式具有：產(chǎn)生同步中斷、檢測(cè)總線沖突的功能；從節(jié)點(diǎn)模式具有檢測(cè)同步中斷、測(cè)量同步場(chǎng)、控制輸入到UART0的同步中斷和同步場(chǎng)信號(hào)、檢測(cè)總線沖突的功能。

　　圖7所示的是CAN/LIN解決方案，共有3個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)。

　　問答選編

　　問：瑞薩單片機(jī)與Freescal、Infineon、等公司的產(chǎn)品相比,在性能、成本、開發(fā)方便性、供貨方面有何優(yōu)勢(shì)？

　　答：針對(duì)汽車市場(chǎng)，Renesas MCU有很高的市場(chǎng)占有率。Dashboard MCU 相對(duì)以上公司而言，我們提供了高性價(jià)的專用MCU。我們可以提供兩種儀表參考方案，加速客戶的開發(fā)。

　　問：汽車產(chǎn)品的EMC性能要求較高，Renesas MCU的EMC 性能如何?在使用時(shí)需要采用什么措施?

　　答：瑞薩汽車領(lǐng)域的產(chǎn)品均是汽車級(jí)的產(chǎn)品，不僅包括汽車級(jí)的溫度范圍，還包括汽車級(jí)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。瑞薩汽車儀表MCU的EMC都有相關(guān)的應(yīng)用測(cè)試數(shù)據(jù)，性能很好。

　　問：瑞薩儀表盤提供了哪些車行信息，有哪些獨(dú)特之處？16位及32位MCU分別對(duì)應(yīng)哪類應(yīng)用？

　　答：汽車儀表一般指示發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車速、水溫、油表等。瑞薩汽車儀表應(yīng)用方面有H8S/228x系列，為16位單片機(jī),針對(duì)通用市場(chǎng)，4表，LCD段式顯示；還有高端產(chǎn)品H8SX/1544系列產(chǎn)品，為32位單片機(jī)，雙通道CAN，高端顯示。

　　瑞薩H8S/228x系列單片機(jī)控制汽車儀表方面的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)主要有：

　　A、專用步進(jìn)電機(jī)控制PWM模塊，可以直接控制4個(gè)步進(jìn)電機(jī)；

　　B、 LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器，可以直接控制段式LCD屏，28seg×4com，32seg×4com；

　　C、強(qiáng)大的定時(shí)器單元；

　　D、高速CPU；

　　E、多種省電模式；

　　F、汽車級(jí)芯片。

　　問：CAN和LIN分別用于什么地方?

　　答：LIN應(yīng)用于速度低、可靠性要求不高的場(chǎng)合，如應(yīng)用于車身輔助系統(tǒng)：后視鏡，電動(dòng)車窗，門鎖，電動(dòng)座椅等。CAN速度可靠性都比較高，可應(yīng)用于汽車、工業(yè)領(lǐng)域等多種場(chǎng)合。

　　問：瑞薩的CAN芯片是否可以偵測(cè)CAN的總線錯(cuò)誤?

　　答：可以，并且可指出發(fā)生錯(cuò)誤的類型。

　　問：在CAN/LIN的網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的連接器有哪些要求？

　　答：CAN在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用，由不同的國際標(biāo)準(zhǔn)支持其物理層。如DS-102標(biāo)準(zhǔn)中應(yīng)用DB9連接器。

　　問：MCU中使用5V驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這對(duì)指針的穩(wěn)定性控制好不好？

　　答：瑞薩具有儀表領(lǐng)域?qū)Ｓ玫膯纹瑱C(jī)，其具有的電機(jī)控制PWM模塊可以直接控制步進(jìn)電機(jī)，不需要外部驅(qū)動(dòng)器，能夠?yàn)橛脩艄?jié)約空間和成本。使用瑞薩單片機(jī)的專用步進(jìn)電機(jī)PWM控制單元可以很好的控制儀表指針的轉(zhuǎn)動(dòng)，具有穩(wěn)定性、平滑性等性能，涉及到軟件控制算法，瑞薩可以提供相關(guān)方案及建議。

　　問：瑞薩單片機(jī)在低功耗方面為何不支持掉電模式，是否基于穩(wěn)定性方面的考慮？

　　答：瑞薩H8S/228x系列單片機(jī)有多種低功耗模式，高速模式、中速模式、軟硬件睡眠模式等，可以獨(dú)立關(guān)閉單片機(jī)的各個(gè)外圍設(shè)備模塊。H8S/2280睡眠時(shí)的功耗，典型值為2μA，可以滿足應(yīng)用需求。

　　問：汽車點(diǎn)火對(duì)MCU會(huì)產(chǎn)生怎樣的影響？如何消除汽車 點(diǎn)火對(duì)MCU產(chǎn)生的影響？

　　答：汽車點(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的干擾訊號(hào)，瑞薩MCU有良好的抗干擾能力，加上布板時(shí)對(duì)干擾的考慮，足以應(yīng)付這些干擾對(duì)MCU的影響。

　　問：瑞薩汽車音響是否支持視頻播放?具體應(yīng)用了哪些芯片？

　　答： 有專門的16位MCU控制汽車視頻系統(tǒng)。主要是應(yīng)用了SH4/4A 。

　　問：瑞薩汽車導(dǎo)航系統(tǒng)是否具有智能語音導(dǎo)航功能？精確度有多高？

　　答：瑞薩提供汽車導(dǎo)航系統(tǒng)專用的32位SH4AMCU，其強(qiáng)大功能足以提供語音功能。

　　問：MCU中提供的LCD驅(qū)動(dòng)模塊，是否只是一組并行接口?

　　答：瑞薩汽車儀表MCU的LCD模塊包括LCD控制器/驅(qū)動(dòng)器，可以直接驅(qū)動(dòng)段式LCD屏。

　　問：如何選擇H8S/2282，H8SX/1544 或 r8c于車載應(yīng)用?

　　答：H8S/2282 針對(duì)基本儀表需求市場(chǎng)；H8SX/1544針對(duì)高端市場(chǎng)，R8C 主要對(duì)車身市場(chǎng)。

　　問：汽車中的CAN 總線抗干擾、誤碼率實(shí)際效果如何？

　　答：正常的應(yīng)用中低于4.7*10e-11。

　　問：瑞薩H8S228X是否有在線仿真器支持？

　　答：瑞薩H8S/228x采用E6000仿真器，為全實(shí)時(shí)仿真工具，使用簡單方便。關(guān)于瑞薩開發(fā)環(huán)境，瑞薩擁有自主的C編譯器，支持C語言、匯編語言、C++語言開發(fā)。瑞薩擁有仿真器、在線調(diào)試器等工具。也可以支持第三方編譯器和調(diào)試工具。

　　問：瑞薩在協(xié)助客戶開發(fā)CAN/LIN應(yīng)用產(chǎn)品方面，能否提供代碼/庫之類的支持？

　　答：CAN：由于應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜，提供樣例程序，用戶根據(jù)需要修改。LIN：標(biāo)準(zhǔn)庫由瑞薩第三方party提供。

　　問：怎樣保證A/D轉(zhuǎn)換盡量可靠？瑞薩MCU集成了多少A/D接口？

　　答：為了保證A/D轉(zhuǎn)化的精度，有必要對(duì)內(nèi)部的CAP進(jìn)行完全充電，但是如果轉(zhuǎn)換的目標(biāo)阻抗太大，充放電將花費(fèi)不少時(shí)間，轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)也不太準(zhǔn)確，需盡量減少阻抗。同時(shí)在A/D口加上小電容也可以穩(wěn)定。