处理器和先进汽车缓速器理论与试验

处理器是电子控制系统的核心，起着重要的作用，处理器可以是单片机、DSP、ARM等，视具体的应用环境选择不同类型的处理器。在缓速器控制系统中常使用单片机，单片机必须选用汽车级芯片，包括工作温度、抗振条件等均需满足汽车电子标准。介绍两款汽车中常用的单片机类型：一种是ATMEL公司的产品，以AT90CAN128为例；另一种是Freescale公司的产品，以MC9S12XS128为例。

AT90CAN128单片机是Atmel公司的一款汽车电子级芯片，具有如下特点：

1）采用先进的RISC结构、低功耗，在一个时钟周期内执行一条指令，因此可以达到1MIPS/Mhz的性能。

2）存储器。①128K可编程Flash存储器。②4K EEPROM存储器。③4k SRAM存储器。

3）32个通用寄存器，53个I/O接口。

4）实时时钟计数器（RTC）。

5）4个带有比较模式的定时/计数器。

6）外部设备接口。

①1个8位同步定时/计数器（Timer/Counter0）。

②1个8位异步定时/计数器（Timer/Counter2）。

③2个16位同步定时/计数器（Timer/Counter1、3）。

④8通道，10位SAR ADC。

⑤片上模拟比较器。

⑥1个I²C接口。

⑦2个可编程USART接口。

⑧1个主/从式SPI接口。

7）CAN总线接口。1个复合2.0A或2.0B的CAN控制器接口。

8）1个兼容IEEE1149.1标准的JTAG接口（用于在线仿真和程序下载）。

9）6种可编程节电模式。

10）工作电压范围：2.7～5.0V。

11）工作温度范围

①带有后缀“T”的芯片的工作温度为-40～85℃，工业级芯片。

②带有后缀“T1”的芯片的工作温度-40～105℃，Reduced汽车级芯片。

③带有后缀“Z”的芯片的工作温度-40～125℃，汽车级芯片。

12）最大外接同步时钟频率。

①当采用2.7V电源供电时，最大时钟频率为8MHz。

②当采用4.5V供电时，最大时钟频率为16MHz。

13）封装，64引脚TQFP封装和64引脚QFN封装两种。

图9-8为AT90CAN128单片机的引脚，引脚的含义见文献[10]。该款单片机带有CAN总线接口，可以与CAN控制器芯片一起扩展外部总线接口。采用Mob（消息对象）方式进行数据的发送和接收，共有15个Mob，Mob有11位标识符（2.0A协议），也可扩展至29位（2.0B议）；8位数据缓冲（静态分配）；TX、RX帧缓冲或自动响应配置；时间标识。Mob是一个CAN消息帧的描述符，它包括处理一个CAN消息帧的所有信息，所以Mob可以看成一个对象，完整描述一条CAN消息。Mob的编号是从0到14。它们之间相互独立，但在多重比较的时候，低位Mob会获得优先权。

图9-8 AT90CAN128单片机的引脚

AT90CAN128单片机的CAN控制器结构如图9-9所示。

图9-9 AT90CAN128单片机的CAN控制器结构

图9-10给出了AT90CAN128外扩CAN通信接口的电路图，CANRX和CANTX分别与单片机的PD6和PD5连接。

TJA1040是一个符合ISO 11898的高速CAN驱动器，主要用在客车的高速应用环境中。该芯片位于CAN协议控制器和物理总线的中间部分，是二者之间的桥梁，为总线提供差动的发送供能，为CAN控制器提供差动的接收功能，具有如下的技术特点：

1）完全符合ISO 11898标准。

2）速度高（高达1Mb/s）。

3）电磁辐射（EME）非常低。

4）差动接收器具有较宽的共模范围，可抗电磁干扰（EMI）。

5）处于不上电状态的收发器会从总线脱离（零负载）。

6）输入级符合3.3V和5V的器件。

7）如果使用分裂终端，电压源可以稳定隐性总线电平（进一步改善EME）。

8）至少可以连接110个节点。

图9-10 AT90CAN128单片机外扩CAN通信接口的电路图

9）耗电极少的待机模式，具有通过CAN总线唤醒（远程）的功能。

10）发送数据（TXD）显性超时功能。

11）在汽车的瞬态环境下对CAN总线引脚进行保护。

12）防止CAN总线引脚和引脚SPLIT对电源短路和搭铁短路。(www.xing528.com)

13）热保护。

TJA1040芯片具有两种工作模式：正常模式和待机模式。在正常模式下，CANH和CANL可用于发送和接收数据；在待机模式下，发送器和接收器均被禁止，电源引脚上的电流减小到最小，仍具有抗电磁干扰的功能，同时能够监听来自CAN总线上的唤醒命令。TJA1040芯片的内部结构如图9-11所示。

TJA1040芯片引脚的含义如下：

TXD（P1）——数据发送引脚；

GND（P2）——地；

VCC——电源；

RXD——从总线读数据；

SPLIT——共模稳压输出；

CANL——CAN总线低压端；

CANH——CAN总线高压端；

STB——待机模式控制。

TJA1040构成的电路中常使用两个光耦芯片阻止来自总线的高频干扰，但现有的绝大部分光耦芯片的工作温度难以适应-40～125℃的范围要求，所以电路中使用了磁耦芯片ISO721用来代替光耦芯片。ISO721是一种高速汽车级磁耦芯片，工作温度范围-40～125℃，可广泛用于各种工业现场总线环境。该芯片输入端和输出端采用各自独立的电源和地，可以有效避免外部电源对数字电源的干扰。Freescale公司的单片机产品在汽车电子类产品中使用得非常广泛，该公司开发了多个系列的单片机，不同系列产品的性能有所差别，图9-12是Freescale不同系列单片机的关键性能。

图9-11 TJA1040芯片内部结构

图9-12 Freescale不同系列单片机关键性能

MC9S12XS128是该公司单片机产品中的一种，是16位的单片机芯片，具有如下的技术特点：

1）存储器资源

①128k Flash存储器。

②4K/8K数据Flash存储器。

③8K RAM存储器。

2）外部设备接口

①1个16通道12位A/D转换器接口，可配置8/10/12位，转换时间为3μs。

②1个MSCAN接口。

③1个SPI接口，可配置8/16位。

④2个SCI串行通信接口。

3）MSCAN接口

①兼容CAN2.0A和CAN2.0B，最高数据传输率可达1Mb/s。

②5个接收缓冲区，采用先进先出FIFO存储机制。

③3个发送缓冲区，带内部优先级。

a.灵活的、可屏蔽的标志符过滤器（2×32位/4×16位/8×8位）。

b.带集成低通滤波器的唤醒功能。

c.循环模式支持自检操作。

d.只听模式用来监测CAN总线。

e.所有的接收器和发送器错误状态具有独立的中断功能。

图9-13 MC9S12XS128单片机的112引脚分布

f.三种低功耗模式：睡眠、断电和MSCAN使能。

g.MSCAN时钟源可选总线时钟或振荡器时钟。

h.内部定时器用来对发送和接收的报文加时间戳。

i.配置寄存器的全局初始化。

4）总线速度高达40MHz。

5）定时/计数器

①8个16位输入捕捉/输出比较通道。

②1个8位预分频16位精度的计数器。

③1个16位脉冲累加器。

6）电源供电范围：3.135～5V。

7）环境温度范围：-40～125℃。

MC9S12XS128单片机的112引脚分布如图9-13所示。MC9S12XS128单片机的CAN接口扩展可参照图9-10中的电路。