Kinetis EA系列微控制器在汽車儀表中的應用

　　中國汽車市場的繁榮，使得購買汽車的門檻逐漸降低。日益擴大的購車群體也加劇了各品牌車廠之間的競爭。這些競爭，不僅僅表現在車輛的外觀以及質量，價格也是個很重要的因素。整車價格的下降，使得各零配件的價格也要同步下降，這就對各個汽車零配件供應商提出了更高的要求：在保證質量的前提下，縮減成本。每輛汽車必配的儀表，自然而然的也需要面臨這一挑戰。

　　傳統的汽車儀表，如圖1所示，由步進電機顯示車速、轉速、油量和水溫，各種報警燈分布在整個儀表的外圍。在儀表盤中心位置，由段碼式或點陣式LCD展示一些綜合性的信息，例如里程、環境溫度、油耗等。隨著成本的控制，有些儀表把油量和水溫信息也放在LCD里面展示。這樣一個系統可以滿足基本信息提示的要求。

　　1 汽車儀表的技術特點

　　傳統的汽車儀表，主要由步進電機、段碼式或點陣式LCD和一些聲、光報警信號構成。下面對于上述技術特點進行逐一分析，以確認微控制器(MCU)所需提供的資源。

　　對于聲、光報警信號，一般由PWM和GPIO進行驅動即可，若需和外部事件同步，還需增加一些輸入捕獲和定時器資源。

　　對于步進電機，由控制芯片內部的雙H橋電路進行控制步進電機的正弦相/余弦相，從而實現精確的位置控制。若使指針具有飄逸效果，則需要增加定時器及相關濾波算法，消耗MCU的計算資源。汽車儀表用的步進電機，每相需要20mA或更大的電流驅動能力，這就需要MCU的電機驅動引腳具有相應的驅動能力。

　　對于段碼式LCD，由特殊的控制模塊產生對應的階梯波形，如圖2所示，實現段的亮/滅。段碼式LCD控制模式有1:1，1:2，1:3，1:4等，由芯片內部的控制模塊產生，并依據設置的頻率進行自動刷新。段碼式LCD的驅動由前板(FP)和背板(BP)組成，最大可驅動的段數由FP x BP決定。在背板為4(大多數驅動芯片所具有的背板數量)的情況下，段碼式LCD驅動要消耗大量IO口，故MCU一般需要較大的封裝以提供足夠多的IO口數量。對于用戶來說，段的亮或滅，僅需改變芯片內部的某一比特位即可。點陣式LCD一般由SPI或并口進行控制，由于存儲數據量的增加，MCU需要有較大的存儲空間。

　　隨著汽車內部電子單元的增加，待機功耗也是一個重要指標。市場要求儀表模塊的待機功耗從3mA逐步減少到1.5mA，甚至為700uA。這對儀表板上的MCU提出要求：在具有CAN/LIN/GPIO喚醒能力的低功耗模式下，MCU消耗的電流越小越好。

　　綜上分析，一個合格的傳統汽車儀表控制芯片，需要具有如下特性：由GPIO驅動一些光電報警電路;PWM實現發聲功能及儀表背光一致性的調節;具有大電流輸出能力的PWM端口實現步進電機的直接驅動;可輸出階梯波形的引腳以滿足段碼LCD的驅動;具有SPI或并口控制點陣LCD;超低的低功耗且滿足可喚醒功能。

　　2 Kinetis EA系列微控制器介紹

　　Kinetis EA系列微控制器是飛思卡爾基于ARM Cortex-M0+^®內核的一套經濟高效的汽車級32位產品。它的工作電壓范圍是2.7~5.5V，運行頻率高達48MHz，可實現單指令周期訪問I/O，片內有37.5kHz和1kHz兩種時鐘源。37.5kHz時鐘可通過內部鎖相環倍頻至48MHz，內部1kHz的時鐘源可為MCU在低功耗運行狀態時提供時鐘信號，以降低靜態功耗。低電壓檢測模塊、具有獨立時鐘源的看門狗模塊和可編程CRC模塊，提高了系統的健壯性。每個芯片都有一個80位、全球唯一的識別碼，增加設計的安全性和完整性。Kinetis EA系列微控制器具有豐富的片上資源，最多可以實現71個通用輸入/輸出端口(GPIO)，兩個鍵盤中斷模塊(KBI)，16通道模數轉換模塊(ADC)，多達10通道的脈寬調制模塊(PWM)，2通道的周期中斷模塊(PIT)，1個實時時鐘控制器(RTC)，4通道的脈寬測量模塊(PWT)，2路串行外設接口(SPI)，2路串行通信接口(SCI)，1路CAN通信接口和2路IIC通信接口。此外，6路PWM和2個GPIO還具有20mA大電流驅動的特性。它的封裝涵蓋了16TSSOP、24QFN、32/64/80LQFP等，以滿足不同應用的需求。另外，Kinetis EA微控制器針還對汽車應用的特點，采用特殊設計，增強抗電磁干擾能力以及提高靜電保護的等級。