《電子技術(shù)應(yīng)用》
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利用高度集成的8位MCU簡化CAN汽車應(yīng)用

2019-12-16
作者:Edwin Romero
來源:Microchip
關(guān)鍵詞: MCU CAN 汽車應(yīng)用

  控制器局域網(wǎng)(CAN)協(xié)議是在20世紀(jì)80年代中期專為汽車行業(yè)設(shè)計的一種規(guī)范,可在日益增長的互聯(lián)應(yīng)用中減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€復(fù)雜性(重量,、數(shù)量和成本),。

  CAN的優(yōu)勢也被其他市場(包括工廠自動化和醫(yī)療應(yīng)用)接受和吸納,這使其應(yīng)用范圍更加廣泛,,全球每年交付的CAN節(jié)點超過10億個。同樣,每年交付的8位單片機(jī)(MCU)也超過10億個,。如今,雖然這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)有部分重疊,,但今后仍會有大幅增長,。

  CAN繼續(xù)滿足汽車制造商的需求

  傳統(tǒng)的CAN通信以事件為基礎(chǔ),允許單片機(jī)和專用集成電路(ASICS)在應(yīng)用中直接相互通信,,無需主機(jī),。CAN經(jīng)過半導(dǎo)體公司集成后極大降低了成本,并且能夠與更多汽車系統(tǒng)兼容,。自2000年初以來,,8位MCU也引入了CAN協(xié)議。最近,,2015年最先推出的8位MCU設(shè)計方案使用獨立于內(nèi)核的外設(shè)(CIP),,全新的8位MCU系列能夠解決CAN應(yīng)用中的許多系統(tǒng)問題。

  除了成本效益高之外,CAN的成功還可以歸功于:

  §穩(wěn)健性

  §可靠的數(shù)據(jù)傳輸

  §易于實現(xiàn)

  毫無疑問,,除了成本效益極高之外,,8位MCU還具有上述優(yōu)勢。因此,,8位MCU和CAN是用于滿足汽車網(wǎng)絡(luò)需求的完美組合,。

  多年來的實踐足以證明CAN能夠滿足各種控制系統(tǒng)的需求。隨著汽車網(wǎng)絡(luò)需要的各種屬性不斷增加,,包括時間觸發(fā),、容錯和單線實現(xiàn)以及具有靈活數(shù)據(jù)傳輸速率的CAN(CAN FD),CAN規(guī)范也得到擴(kuò)展,。表1顯示的是自30多年前首次推出以來CAN發(fā)生的諸多變化,。

  表1.用于滿足不同汽車需求的CAN版本

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  為了將傳感器和執(zhí)行器聯(lián)網(wǎng)以提高系統(tǒng)舒適度,汽車工程師使用局域互連網(wǎng)絡(luò)(LIN)協(xié)議來降低成本,。但是,,LIN是單線主從式網(wǎng)絡(luò),需要對使用CAN的硬件和軟件進(jìn)行更改,。使用CAN的最新汽車應(yīng)用包括門禁控制,、電池充電/電池管理和診斷設(shè)備。為了實現(xiàn)全部的車輛要求,,尤其是需要從另一個CAN控制系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)的車輛要求,,需要使用8位MCU/CAN。圖1顯示的是將8位MCU/CAN節(jié)點輕松添加到現(xiàn)有CAN總線的示例,。

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  圖1.不同的CAN實現(xiàn)可以共存,,這增加了CAN總線的靈活性

  使用支持CAN的8位MCU滿足低成本網(wǎng)絡(luò)需求

  連接到CAN總線是系統(tǒng)設(shè)計人員需要實現(xiàn)的最低功能,通過增加專門用于滿足其他系統(tǒng)要求的外設(shè),,簡化設(shè)計人員的任務(wù),。這些系統(tǒng)任務(wù)包括感測一個或兩個用于控制目的的參數(shù),、移動電機(jī)或激活電磁線圈或者提供其他功能,。

  使用CIP方法可以降低軟件的復(fù)雜程度,并以較低的時鐘速度提供更快的響應(yīng)時間,,同時降低功耗,。Microchip PIC18 K83系列中豐富的CIP系統(tǒng)類別包括:

  ·智能模擬(包括傳感器接口)

  ·波形控制

  ·時序和測量

  ·邏輯和數(shù)學(xué)

  ·安全和監(jiān)視

  ·通信

  ·低功耗和系統(tǒng)靈活性

  在這些類別中,具體外設(shè)包括:

  ·帶有存儲器掃描的循環(huán)冗余校驗(CRC),,用于確保非易失性存儲器的完整性

  ·直接存儲器訪問(DMA),,用于在沒有CPU參與的情況下進(jìn)行存儲器和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸

  ·窗口看門狗定時器(WWDT),用于觸發(fā)系統(tǒng)復(fù)位

  ·帶計算功能的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC2),,可自動進(jìn)行模擬信號分析,,從而實現(xiàn)實時系統(tǒng)響應(yīng)

  ·互補(bǔ)波形發(fā)生器(CWG),用于使能電機(jī)控制的高效同步開關(guān)

  除了使用CAN 2.0B外,集成CAN控制器還能夠完全兼容以前版本的CAN模塊(CAN 1.2和CAN 2.0A),。該產(chǎn)品的功能包括存儲器訪問分區(qū)(MAP),,用于在數(shù)據(jù)保護(hù)和自舉程序應(yīng)用中為設(shè)計人員提供支持。器件信息區(qū)(DIA),,用于為工廠編程的器件ID和外設(shè)校準(zhǔn)值提供專用存儲空間,。

  由于CAN節(jié)點的主要目標(biāo)是通信,因此8位MCU改進(jìn)了串行通信,,包括支持異步通信和LIN協(xié)議的UART以及更高速的獨立I2C和SPI串行通信接口,。表2顯示了15個CIP以及它們滿足具體系統(tǒng)需求的方式。

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  表2. PIC18 K83系列中獨立于內(nèi)核的外設(shè)可滿足多種系統(tǒng)需求

  過去并沒有考慮過在8位MCU中實施這些片上結(jié)構(gòu),,而正是由于這些結(jié)構(gòu),,現(xiàn)在的8位MCU的性能與許多設(shè)計人員的期望完全不同,提供的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過十年前設(shè)計的MCU,。

  8位MCU的編程方式非常簡單,,與CAN和CIP結(jié)合使用時甚至更加容易。當(dāng)這些8位MCU能夠提供足夠的處理能力時,,特別是針對遠(yuǎn)程節(jié)點的處理能力,,便能夠替代更昂貴且更難編程的16位MCU。而CIP可以提供更多處理能力,,實現(xiàn)更多8位MCU選項,。

  可靈活配置的片上硬件模塊能夠更高效更確定地處理重復(fù)嵌入。事實上,,由于CAN的確定性,,如果MCU陷入循環(huán),使用CIP的CAN仍然可以在內(nèi)核之外繼續(xù)運行,。

  借助最新的8位MCU/CAN + CIP和LIN,,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計人員現(xiàn)在可以為CAN和LIN通信提供更多靈活性和選擇。實際上,,一些典型的8位MCU LIN應(yīng)用現(xiàn)在是潛在的CAN應(yīng)用,。例如,如果模塊需要了解網(wǎng)絡(luò)上的其他數(shù)據(jù)(如車輛速度),,CAN可能是更好的選擇,,或者至少是LIN的備選方案。這對于擋風(fēng)玻璃雨刮非常有用,,可以根據(jù)車輛的速度改變雨刷速度,,而無需CAN到LIN的網(wǎng)關(guān)。另外,,如圖2所示,,使用系統(tǒng)級CIP可以少用一兩個額外的ASIC。

  多年來,汽車中一直使用相同的PWM和互補(bǔ)波形發(fā)生器CIP生成相當(dāng)復(fù)雜的多色LED氣氛照明,。由于MCU沒有應(yīng)用CAN功能,,這些驅(qū)動程序會連接到LIN總線。將該功能與支持CAN功能的高性價比8位MCU相結(jié)合,,可為設(shè)計提供更高的靈活性和簡化的備用方法,。

  雖然市面上大多數(shù)8位MCU都嚴(yán)重依賴內(nèi)核來處理外設(shè)功能,但CIP可實現(xiàn)其他系統(tǒng)設(shè)計可能性,,不會對CPU造成明顯負(fù)擔(dān),,這包括:各種傳感器的高精度接口、高功率LED驅(qū)動器和/或相當(dāng)復(fù)雜的電機(jī)控制水平,。

  可以使用各種開發(fā)工具確定這些和其他可能性中的哪一種適合特定網(wǎng)絡(luò),。例如,MPLAB 代碼配置器(MCC)是一款免費的軟件插件,,可提供圖形界面來配置特定于應(yīng)用的外設(shè)和功能,。借助該工具,系統(tǒng)設(shè)計工程師在完成特定任務(wù)時可以輕松配置基于硬件的外設(shè),,而不必編寫和驗證整個軟件程序,。

  樹立自信的態(tài)度

  對于汽車和工業(yè)應(yīng)用中的總線架構(gòu),系統(tǒng)設(shè)計人員肯定有多種選擇,。作為一種廣受認(rèn)可的總線,,當(dāng)需要為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)增加檢測和/或控制功能時,具有附加功能來滿足不同系統(tǒng)需求的MCU使CAN成為一種出色的選擇,。憑借其獨立于內(nèi)核的外設(shè),,8位MCU/CAN系列可將CAN擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)上更具成本效益的節(jié)點中。

  新型8位MCU/CAN + CIP為新興汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供了靈活,、經(jīng)濟(jì)高效,、簡單而可靠的數(shù)據(jù)傳輸以及訪問控制、電池充電/電池管理和診斷設(shè)備所需的更高性能和系統(tǒng)支持,。

  參考資料

  1.PIC18 K83產(chǎn)品系列:http://www.microchip.com/promo/pic18f-k83

  2.MPLAB代碼配置器(MCC):http://www.microchip.com/mplab/mplab-code-configurator


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