瑞萨MCU在汽车仪表及CAN/LIN应用中的解决方案

　　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。

　　问答选编

　　问：瑞萨单片机与Freescal、Infineon、等公司的产品相比,在性能、成本、开发方便性、供货方面有何优势？

　　答：针对汽车市场，Renesas MCU有很高的市场占有率。Dashboard MCU 相对以上公司而言，我们提供了高性价的专用MCU。我们可以提供两种仪表参考方案，加速客户的开发。

　　问：汽车产品的EMC性能要求较高，Renesas MCU的EMC 性能如何?在使用时需要采用什么措施?

　　答：瑞萨汽车领域的产品均是汽车级的产品，不仅包括汽车级的温度范围，还包括汽车级的质量标准。瑞萨汽车仪表MCU的EMC都有相关的应用测试数据，性能很好。

　　问：瑞萨仪表盘提供了哪些车行信息，有哪些独特之处？16位及32位MCU分别对应哪类应用？

　　答：汽车仪表一般指示发动机转速、车速、水温、油表等。瑞萨汽车仪表应用方面有H8S/228x系列，为16位单片机,针对通用市场，4表，LCD段式显示；还有高端产品H8SX/1544系列产品，为32位单片机，双通道CAN，高端显示。

　　瑞萨H8S/228x系列单片机控制汽车仪表方面的优势和特点主要有：

　　A、专用步进电机控制PWM模块，可以直接控制4个步进电机；

　　B、 LCD控制器/驱动器，可以直接控制段式LCD屏，28seg×4com，32seg×4com；

　　C、强大的定时器单元；

　　D、高速CPU；

　　E、多种省电模式；

　　F、汽车级芯片。

　　问：CAN和LIN分别用于什么地方?

　　答：LIN应用于速度低、可靠性要求不高的场合，如应用于车身辅助系统：后视镜，电动车窗，门锁，电动座椅等。CAN速度可靠性都比较高，可应用于汽车、工业领域等多种场合。

　　问：瑞萨的CAN芯片是否可以侦测CAN的总线错误?

　　答：可以，并且可指出发生错误的类型。

　　问：在CAN/LIN的网络中，对构成网络的连接器有哪些要求？

　　答：CAN在不同领域中的应用，由不同的国际标准支持其物理层。如DS-102标准中应用DB9连接器。

　　问：MCU中使用5V驱动电机，这对指针的稳定性控制好不好？

　　答：瑞萨具有仪表领域专用的单片机，其具有的电机控制PWM模块可以直接控制步进电机，不需要外部驱动器，能够为用户节约空间和成本。使用瑞萨单片机的专用步进电机PWM控制单元可以很好的控制仪表指针的转动，具有稳定性、平滑性等性能，涉及到软件控制算法，瑞萨可以提供相关方案及建议。

　　问：瑞萨单片机在低功耗方面为何不支持掉电模式，是否基于稳定性方面的考虑？

　　答：瑞萨H8S/228x系列单片机有多种低功耗模式，高速模式、中速模式、软硬件睡眠模式等，可以独立关闭单片机的各个外围设备模块。H8S/2280睡眠时的功耗，典型值为2μA，可以满足应用需求。

　　问：汽车点火对MCU会产生怎样的影响？如何消除汽车 点火对MCU产生的影响？

　　答：汽车点火会产生强大的干扰讯号，瑞萨MCU有良好的抗干扰能力，加上布板时对干扰的考虑，足以应付这些干扰对MCU的影响。

　　问：瑞萨汽车音响是否支持视频播放?具体应用了哪些芯片？

　　答： 有专门的16位MCU控制汽车视频系统。主要是应用了SH4/4A 。

　　问：瑞萨汽车导航系统是否具有智能语音导航功能？精确度有多高？

　　答：瑞萨提供汽车导航系统专用的32位SH4AMCU，其强大功能足以提供语音功能。

　　问：MCU中提供的LCD驱动模块，是否只是一组并行接口?

　　答：瑞萨汽车仪表MCU的LCD模块包括LCD控制器/驱动器，可以直接驱动段式LCD屏。

　　问：如何选择H8S/2282，H8SX/1544 或 r8c于车载应用?

　　答：H8S/2282 针对基本仪表需求市场；H8SX/1544针对高端市场，R8C 主要对车身市场。

　　问：汽车中的CAN 总线抗干扰、误码率实际效果如何？

　　答：正常的应用中低于4.7*10e-11。

　　问：瑞萨H8S228X是否有在线仿真器支持？

　　答：瑞萨H8S/228x采用E6000仿真器，为全实时仿真工具，使用简单方便。关于瑞萨开发环境，瑞萨拥有自主的C编译器，支持C语言、汇编语言、C++语言开发。瑞萨拥有仿真器、在线调试器等工具。也可以支持第三方编译器和调试工具。

　　问：瑞萨在协助客户开发CAN/LIN应用产品方面，能否提供代码/库之类的支持？

　　答：CAN：由于应用环境比较复杂，提供样例程序，用户根据需要修改。LIN：标准库由瑞萨第三方party提供。

　　问：怎样保证A/D转换尽量可靠？瑞萨MCU集成了多少A/D接口？

　　答：为了保证A/D转化的精度，有必要对内部的CAP进行完全充电，但是如果转换的目标阻抗太大，充放电将花费不少时间，转化数据也不太准确，需尽量减少阻抗。同时在A/D口加上小电容也可以稳定。