瑞萨MCU在汽车仪表及CAN/LIN应用中的解决方案
2008-11-07 15:50:47
来源：《半导体器件应用》2008年11月刊
瑞萨科技于2003年4月由日立制作所和三菱电机的半导体部门合并成立，致力于提供移动通信、汽车电子以及PC/AV（数码家电）领域的半导体解决方案。在全球汽车半导体市场中，瑞萨占有7.1%的市场份额，排名第四位；在日本市场中占据第一位，市场份额为22.3%。其汽车半导体解决方案包含了安全、信息、动力总成、底盘以及车身五个方面，其中每个方面都有多种解决方案。
汽车仪表解决方案
仪表MCU的特点分以下几个方面：
1. 内嵌步进电机PWM控制器：可直接控制和驱动4-6个步进电机，无需外驱动器IC，因此可以节省成本和布局空间，具有优良的EMI/EMC性能；
2. 内嵌LCD控制器：28/32段×4公共引脚，可以直接控制LCD，同样无需外置驱动器IC，因此可以节省成本和布局空间，具有优良的EMI/EMC性能；
3. 高速CPU：单指令周期，20 MHz的H8S最小指令执行时间为50ns，而40 MHz的H8SX最小指令执行时间是25ns；
4. 强大的定时器：片上16位定时器脉冲单元有三个16位定时器通道，包括输入捕捉、输出比较、PWM和相位计算。
H8S/228X特殊模块的基本功能，包括三个部分：定时器脉冲单元（TPU）；步进电机PWM控制器和LCD控制器。
TPU是由3个16位定时器通道组成，包括最多8个脉冲输入/输出，可以为每个通道设置：比较匹配的波形输出；输入捕捉功能；计数器清零操作；同步运行；定时器计数器能够同时写入；可以比较匹配与输入捕捉同时清零；利用同步计数器操作实现寄存器同时输入/输出；与同步运行结合的最大7相位PWM输出。
步进电机PWM功能包括：最大16个脉冲输出，其中两个10位PWM通道，每个通道有8个输出，可以直接独立控制4个步进电机；0%至100%占空比；5个操作时钟；可以通过16位总线接口进行高速访问；两个中断源；可以设置模块停止模式。
对于LCD控制器/驱动器，其重要功能有：28/32段×4公共引脚；段输出引脚可用作11个帧频的4组端口选择；A或B波形可以用软件进行选择；内置电源分离电阻；除了待机模式和模块停止模式外，还有操作模式显示。
仪表盘应用解决方案
1. 微步进电机解决方案
微步进电机成本低，结构简单，但具有高可靠性，且无需维护、无需反馈元件。但是经常在低速率时出现共振效应，而且随着速度增加转矩会降低。图1显示了VID步进电机的内部结构，其中左边是转子，中间是齿轮，右边是电机输出。
2. 电机驱动模式
电机驱动模式有分步驱动模式和微步驱动模式。图2所示的是分步驱动的时序图，可以看到一个周期由六步组成，脉冲序列从左向右时，指针顺时针方向转动；反之，如果脉冲序列从右向左时指针逆时针方向转动。图3所示的是微步驱动模式时序图，其中蓝色线代表左线圈的电流，红色线代表右线圈的电流。一个周期共有24个微步组成，线圈上的电流波形近似于正弦波型。
瑞萨仪表盘解决方案
图4所示的是瑞萨H8S/228X仪表盘解决方案框图，其中左边的是电压输入，包括燃料、温度等等；还有脉冲输入，包括转速表和速度，框图中给出了各个功能模块。图的右边是4步进电机、PWM调光器、CAN和LCD。
图5所示为H8SX/1544仪表盘解决方案的框图。框图的左边是电压输入，包括燃料、温度等；还有脉冲输入，包括转速表和速度、E2PROM和PC。框图给出了各个功能模块；图的右边是4步进电机、扬声器、2步进电机、PWM调光器、CAN1、CAN2和LCD。
H8S/228X的开发工具软件包括编译器、汇编程序和连接程序，还有调试器和模拟器；硬件包括仿真器、JTAG仿真器、评估板和CPU板。
HEW是瑞萨自主开发、支持自己MCU的开发环境，功能包括：代码和调试支持，全面的仿真能力，自动产生启动代码，带有彩色键盘功能的集成编辑器，根据功能可以利用图形显示执行周期数，全面的断点功能，可视调试功能，包括图形和波形显示，并且可集成的第三方工具。
E6000仿真器具有零等待状态实时仿真功能，它具有256个PC断点，总时间或相关执行时间的分辨率可以达到20ns至16us；此外还有多种目标时钟可以选择。
CAN/LIN车身解决方案
车身模块共包括八个部分：中央车身控制器/网关（BCM；CEM）、包括车门模块、柱式集成模块（CIM；MRSM）、加热、通风和空调（HVAC）、座椅模块（SCS）、前灯、雨刷以及无钥门禁。M16C系列车身平台有三个系列：32位的M32C架构模块、16位的M16C架构模块，还有8位的R8C架构模块。这些系列引脚兼容，软硬件兼容，外设兼容。瑞萨的车身低端MCU产品包括16位MCU，20至32MHz，20引脚 到100引脚。针对中国市场推广R8C/20/21/22/23；R8C/28/29；M16C/28/29。高/中端车身高MCU产品包括16/32位MCU， 1到4 个CAN。
R8C/Tiny系列的产品命名为M16C系列代表（M16C平台）；CPU是R8C；产品命名：R8C/Tiny，其中R代表瑞萨，8代表内部外设总线宽度（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代表最少引脚的单片机和片上小型闪存。
用于R&C/22组、R&C/23组MCU的CAN（控制局域网络）模块是一个执行CAN 2.0B协议的通信控制器。R&C/22组、R&C/23组包含一个完整CAN模块，可以发送和接收标准（11位）ID和扩展（29位）ID格式的信息。
硬件LIN的主节点模式具有：产生同步中断、检测总线冲突的功能；从节点模式具有检测同步中断、测量同步场、控制输入到UART0的同步中断和同步场信号、检测总线冲突的功能。
图7所示的是CAN/LIN解决方案，共有3个CAN节点。
汽车仪表解决方案
仪表MCU的特点分以下几个方面：
1. 内嵌步进电机PWM控制器：可直接控制和驱动4-6个步进电机，无需外驱动器IC，因此可以节省成本和布局空间，具有优良的EMI/EMC性能；
2. 内嵌LCD控制器：28/32段×4公共引脚，可以直接控制LCD，同样无需外置驱动器IC，因此可以节省成本和布局空间，具有优良的EMI/EMC性能；
3. 高速CPU：单指令周期，20 MHz的H8S最小指令执行时间为50ns，而40 MHz的H8SX最小指令执行时间是25ns；
4. 强大的定时器：片上16位定时器脉冲单元有三个16位定时器通道，包括输入捕捉、输出比较、PWM和相位计算。
H8S/228X特殊模块的基本功能，包括三个部分：定时器脉冲单元（TPU）；步进电机PWM控制器和LCD控制器。
TPU是由3个16位定时器通道组成，包括最多8个脉冲输入/输出，可以为每个通道设置：比较匹配的波形输出；输入捕捉功能；计数器清零操作；同步运行；定时器计数器能够同时写入；可以比较匹配与输入捕捉同时清零；利用同步计数器操作实现寄存器同时输入/输出；与同步运行结合的最大7相位PWM输出。
步进电机PWM功能包括：最大16个脉冲输出，其中两个10位PWM通道，每个通道有8个输出，可以直接独立控制4个步进电机；0%至100%占空比；5个操作时钟；可以通过16位总线接口进行高速访问；两个中断源；可以设置模块停止模式。
对于LCD控制器/驱动器，其重要功能有：28/32段×4公共引脚；段输出引脚可用作11个帧频的4组端口选择；A或B波形可以用软件进行选择；内置电源分离电阻；除了待机模式和模块停止模式外，还有操作模式显示。
仪表盘应用解决方案
1. 微步进电机解决方案
微步进电机成本低，结构简单，但具有高可靠性，且无需维护、无需反馈元件。但是经常在低速率时出现共振效应，而且随着速度增加转矩会降低。图1显示了VID步进电机的内部结构，其中左边是转子，中间是齿轮，右边是电机输出。
2. 电机驱动模式
电机驱动模式有分步驱动模式和微步驱动模式。图2所示的是分步驱动的时序图，可以看到一个周期由六步组成，脉冲序列从左向右时，指针顺时针方向转动；反之，如果脉冲序列从右向左时指针逆时针方向转动。图3所示的是微步驱动模式时序图，其中蓝色线代表左线圈的电流，红色线代表右线圈的电流。一个周期共有24个微步组成，线圈上的电流波形近似于正弦波型。
瑞萨仪表盘解决方案
图4所示的是瑞萨H8S/228X仪表盘解决方案框图，其中左边的是电压输入，包括燃料、温度等等；还有脉冲输入，包括转速表和速度，框图中给出了各个功能模块。图的右边是4步进电机、PWM调光器、CAN和LCD。
图5所示为H8SX/1544仪表盘解决方案的框图。框图的左边是电压输入，包括燃料、温度等；还有脉冲输入，包括转速表和速度、E2PROM和PC。框图给出了各个功能模块；图的右边是4步进电机、扬声器、2步进电机、PWM调光器、CAN1、CAN2和LCD。
H8S/228X的开发工具软件包括编译器、汇编程序和连接程序，还有调试器和模拟器；硬件包括仿真器、JTAG仿真器、评估板和CPU板。
HEW是瑞萨自主开发、支持自己MCU的开发环境，功能包括：代码和调试支持，全面的仿真能力，自动产生启动代码，带有彩色键盘功能的集成编辑器，根据功能可以利用图形显示执行周期数，全面的断点功能，可视调试功能，包括图形和波形显示，并且可集成的第三方工具。
E6000仿真器具有零等待状态实时仿真功能，它具有256个PC断点，总时间或相关执行时间的分辨率可以达到20ns至16us；此外还有多种目标时钟可以选择。
CAN/LIN车身解决方案
车身模块共包括八个部分：中央车身控制器/网关（BCM；CEM）、包括车门模块、柱式集成模块（CIM；MRSM）、加热、通风和空调（HVAC）、座椅模块（SCS）、前灯、雨刷以及无钥门禁。M16C系列车身平台有三个系列：32位的M32C架构模块、16位的M16C架构模块，还有8位的R8C架构模块。这些系列引脚兼容，软硬件兼容，外设兼容。瑞萨的车身低端MCU产品包括16位MCU，20至32MHz，20引脚 到100引脚。针对中国市场推广R8C/20/21/22/23；R8C/28/29；M16C/28/29。高/中端车身高MCU产品包括16/32位MCU， 1到4 个CAN。
R8C/Tiny系列的产品命名为M16C系列代表（M16C平台）；CPU是R8C；产品命名：R8C/Tiny，其中R代表瑞萨，8代表内部外设总线宽度（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代表最少引脚的单片机和片上小型闪存。
用于R&C/22组、R&C/23组MCU的CAN（控制局域网络）模块是一个执行CAN 2.0B协议的通信控制器。R&C/22组、R&C/23组包含一个完整CAN模块，可以发送和接收标准（11位）ID和扩展（29位）ID格式的信息。
硬件LIN的主节点模式具有：产生同步中断、检测总线冲突的功能；从节点模式具有检测同步中断、测量同步场、控制输入到UART0的同步中断和同步场信号、检测总线冲突的功能。
图7所示的是CAN/LIN解决方案，共有3个CAN节点。
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