Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №7

Новое семейство 8-разрядных микроконтроллеров для автомобильной электроники компании Freescale Semiconductor

Ситало Анастасия  
Нгуэн Хай Нинь  

Статья посвящена описанию 8-разрядных микроконтроллеров семейства S08 для автомобильной электроники, выпускаемых компанией Freescale Semiconductor.

Компания Freescale Semiconductor является известным мировым производителем микроконтроллеров (МК) для автомобильной электроники. Продукция компании ориентирована на новейшие тенденции в развитии автомобильной промышленности. Объем продаж 8-разрядных МК компании для данного сегмента рынка за период с 2000 по 2006 год превысил 1 млрд экземпляров.

Freescale Semiconductor предлагает широкую гамму 8/16/32-разрядных МК с разнообразной периферией и в корпусах разных типов, с большим диапазоном объема Flash-памяти и совместимостью по функциям и разводке выводов для МК различных семейств. 8-разрядные МК семейства S08 представляют собой CISC-процессоры, выполненные по технологии 0,25 мкм. Они характеризуются высоким быстродействием (частота процессора до 40 МГц, частота шины до 20 МГц), широким диапазоном рабочего питающего напряжения (от 2,7 до 5,5 В), наличием оптимальных энергосберегающих режимов (табл. 1), улучшенной, по сравнению с предыдущими семействами МК, электромагнитной совместимостью, наличием специализированных модулей автомобильных интерфейсов CAN и LIN, а также встроенной Flash-памятью объемом до 128 кбайт. Все эти качества являются в настоящее время необходимым условием для успешного применения МК в области автомобильной электроники. На рис. 1 представлена иерархическая структура семейства S08 в зависимости от степени интеграции периферийных модулей. Как видно из рисунка, все семейство состоит из трех серий:

  • Серия D — высокоинтегрированные МК, обладающие наибольшим числом периферийных модулей и числом выводов, а также большим объемом внутренней Flash-памяти. Предназначены для применения в централизованных системах управления (Body Control), информационных шлюзах CAN — LIN, бортовых компьютерах и т. д.
  • Серии E, A представляют собой МК со средней степенью интеграции периферийных модулей, однако следует отметить наличие специализированного модуля SLIC у МК серии EL, предназначенного для работы Slave-узла сети LIN (подробнее см. ниже). Область применения данных МК — это конечные мехатронные системы в распределенных сетях автомобиля: подсистемы дверного модуля, управление двигателями постоянного тока и т. д.
  • Серия S — простейшие и самые дешевые представители семейства S08, обладающие минимальным набором периферийных модулей и памяти. Предназначены для применения в простейших системах управления: подрулевые переключатели, стеклоочистители и т. д.
Иерархическая структура семейства S08
Рис. 1. Иерархическая структура семейства S08
Таблица 1. Особенности работы МК в различных режимах пониженного энергопотребления на примере МК серии MC9S08AW
Особенности работы МК в различных режимах пониженного энергопотребления на примере МК серии MC9S08AW

Для обеспечения функций защиты от сбоев все МК данного семейства снабжены модулем слежения за понижением напряжения питания LVD, сторожевым таймером COP с независимым источником тактирования, а также функциями защиты содержимого памяти (Flash и ОЗУ) от несанкционированного доступа.

Система тактирования МК семейства S08 предлагает использование различных источников: универсального тактового генератора с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ), автоматической подстройкой частоты (АПЧ), а также внутреннего генератора.

Все микроконтроллеры семейства S08 оснащены модулями внутрисхемного эмулятора (In-Circuit Emulation — ICE) и отладчика (Background Debug Module — BDM). Эмулятор позволяет проводить отладку прикладной программы в режиме реального времени на рабочей частоте МК, задействовав всю периферию. Для работы модуля BDM необходимо задействовать только один специально предназначенный вывод МК, что обеспечивает легкость при программировании и отладке системы.

В набор инструкций центрального процессора были внесены дополнительные команды для оптимизации программирования на Cи за счет сокращения объема программного кода. Также была повышена эффективность работы с памятью благодаря новой возможности использования 16-разрядного указателя стека в режиме индексной адресации. При этом МК семейства S08 полностью совместимы по объектному коду с МК предыдущих семейств — HC05 и HC08.

При обзоре периферийных модулей хотелось бы отметить 10-разрядный АЦП со временем преобразования до 2,5 мкс, модуль таймера с аппаратным режимом широтно-импульсной модуляции, встроенный регулятор напряжения, позволяющий МК функционировать на полной рабочей частоте во всем рабочем диапазоне питающего напряжения, а также присутствующий почти во всех кристаллах модуль I2C. Все МК семейства S08, предназначенные для автомобильной электроники, имеют расширенный температурный диапазон от –40 до +125 °C и выпускаются в корпусах, сертифицированных для данного применения, а также отвечают всем требованиям по электромагнитной совместимости.

Более подробное описание архитектуры МК семейства S08 проведем на примере наиболее сложного микроконтроллера MC9S08DZ60 (рис. 2).

Внутренняя архитектура МК MC9S08DZ
Рис. 2. Внутренняя архитектура МК MC9S08DZ

Основные свойства данного МК:

  • 60 032 байта Flash-памяти;
  • 4096 байт ОЗУ;
  • 2048 байт EEPROM;
  • 32 (LQFP), 48 (LQFP) или 64 (QFN или LQFP) вывода в зависимости от типа корпуса;
  • 2 аналоговых компаратора (AMP1, AMP2) (доступно только в 64-выводном корпусе), каждый для сравнения двух аналоговых сигналов, либо сравнения одного аналогового сигнала на входе с опорным уровнем внутреннего источника напряжения. Выход компаратора выводится на один из портов МК. Аналоговый компаратор поддерживает работу с сигналами внутри всего диапазона напряжения питания (rail-to-rail operation);
  • 10-разрядный АЦП (ADC) последовательного приближения с 24, 16 или 10 каналами в зависимости от типа корпуса;
  • встроенный модуль отладки (On-Chip Debug System — DBG);
  • модуль I2C (Inter-Integrated Circuit);
  • модуль прерывания по внешнему событию (External Interrupt Request — IRQ);
  • система тактирования на универсальном тактовом генераторе (Multi-Purpose Clock Generator — MCG) с различными опциями тактирования PLL, FLL (с частотой от 31,25 до 38,4 кГц или от 1 до 16 MГц) или внутренний источник тактирования;
  • контроллер CAN-интерфейса (MSCAN) с реализацией протокола обмена CAN2.0A/B, поддержкой стандартного и расширенного формата данных, наличием 5 приемных и 3 передающих буферов FIFO и настраиваемым форматом фильтрации при приеме идентификатора: 2[32 бит, 4[16 бит или 8[8 бит;
  • модуль счетчика реального времени (Real-Time Counter — RTC) программируется в качестве источника периодического прерывания. Может использоваться для выполнения определенных задач через заданные промежутки времени, либо для периодического вывода МК из режима пониженного энергопотребления;
  • 2 модуля асинхронного последовательного интерфейса (Serial Communications Interface SCI1 и SCI2) — линии приема и передачи модуля SCI2 могут быть программно скоммутированы на выводы PTF1 и PTF0, либо на выводы PTE7 и PTF6;
  • модуль синхронного последовательного интерфейса (Serial Peripheral Interface — SPI), поддерживающий двунаправленный обмен с различными внешними периферийными устройствами;
  • два 16-разрядных модуля таймера с возможностью аппаратной широтно-импульсной модуляции (Timer Pulse-Width Modulator) TPM1 и TPM2, причем TPM1 может содержать до 6 каналов (в 64- и 48-выводных корпусах), а TPM2 содержит 2 канала (источники тактирования каждого модуля TPM программируются индивидуально, при этом может использоваться либо внешний источник, либо различные делители частоты от внутренних источников; каналы модулей TPM могут быть настроены для функционирования в режимах входного захвата по выбранному фронту, выходного сравнения или буферированной центрированной ШИМ);
  • модуль сторожевого таймера (Computer Operating Properly — COP);
  • модуль слежения за понижением напряжения питания (Low-Voltage Detection — LVD) с настраиваемым порогом срабатывания (4,3 или 2,56 В); при снижении напряжения питания до выбранного значения может быть сгенерировано прерывание или сброс МК.

Микроконтроллеры серий DZ, DV, DN

МК серий DZ, DV, DN представляют высокоинтегрированные МК семейства S08. К особенностям данной серии можно отнести большое количество выводов (от 32 до 100), большой объем Flash-памяти (16–128 кбайт), наличие универсального тактового генератора MCG, внутренний модуль таймера с суммарным числом выходных каналов до 12, а также два аналоговых компаратора. Отметим, что контроллеры представленных серий совместимы друг с другом по разводке (в соответствующих корпусах). В таблице 2 приведены особенности семейства S08D.

Таблица 2. Сравнительные характеристики МК DZ, DV и DN
Сравнительные характеристики МК DZ, DV и DN

Микроконтроллеры серий AW, EN, EL

МК серий EN, EL и AW представляют собой средний уровень интеграции периферийных модулей семейства S08. Число выводов у них может составлять от 20 до 64, объем Flash-памяти от 8 до 60 кбайт. Сравнительные характеристики МК данных серий приведены в таблице 3.

Таблица 3. Сравнительные характеристики МК серий EN, EL и AW
Сравнительные характеристики МК серий EN, EL и AW

Устройства серии EN содержат модуль универсального тактового генератора и выпускаются в корпусах с числом выводов 32 и 48 (как и МК серий DZ, DV, DN), при этом они полностью совместимы по выводам, что упрощает разработчикам переход к системам более высокого уровня.

Особенностью МК серии EL является наличие специализированного модуля SLIC (Slave LIN Interface Controller), необходимого для упрощения создания ПО для узла LIN-сети. Аппаратными средствами данного модуля осуществляется автоматическая синхронизация и настройка частоты обмена в диапазоне 1–120 кбит/с без использования центрального процессора. Число прерываний, требуемых для обслуживания обмена данными по LIN-сети, существенно уменьшается (с 12 в обычном UART до 2 в SLIC-модуле), при этом данные, полученные в ходе синхронизации, могут быть использованы для подстройки внутреннего тактового генератора. Модуль обладает необходимым количеством буферов для работы с LIN-сообщениями, производит аппаратную проверку идентификаторов и контрольной суммы байта. Наличие модуля SLIС позволяет не только существенно сократить и упростить программный код, при этом сэкономив свободное место во Flash-памяти, но и использовать однажды созданное программное обеспечение для множества приложений, даже при условии изменения скорости обмена или частоты шины МК. Высокая скорость передачи делает допустимым программирование по LIN, что упрощает процесс производства и оставляет возможность для перепрограммирования в системе.

Кроме того, микроконтроллеры серии EL содержат до 5 кбайт встроенной EEPROM и модуль внутреннего тактирования (Internal Clock Source — ICS).

Серия МК AW отличается расширенным диапазоном объема Flash-памяти (от 8 до 60 кбайт). В качестве источника тактирования этих МК используется внутренний тактовый генератор (Internal Clock Generator — ICG), не нуждающийся в каких-либо внешних компонентах. С использованием модуля ICG тактирование может осуществляться также от внешнего кварцевого резонатора или генератора.

Микроконтроллеры серии SL, SG

МК серии SL, SG — простейшие представители семейства S08. Объем внутренней Flash-памяти для МК данных серий варьируется от 4 до 16 кбайт, число выводов корпуса — от 8 до 28. В качестве устройства тактирования используется внутренний модуль ICS. Микроконтроллеры серий SL, SG и EL совместимы по разводке (в соответствующих корпусах). Сравнение МК серий SL и SG представлено в таблице 4.

Таблица 4. Сравнительные характеристики МК серий SL и SG
Сравнительные характеристики МК серий SL и SG

МК серии SL содержат специализированный модуль SLIС (см. выше), а также до 2,5 кбайт встроенной EEPROM.

Серия SG является наиболее простой и дешевой из всего семейства МК и представляет собой модели с наименьшим объемом памяти, количеством выводов и набором периферийных модулей.

Заключение

Описанное семейство S08 для автомобильной электроники фирмы Freescale Semiconductor обладает богатым набором периферийных модулей, широким диапазоном внутренней Flash-памяти, большим набором энергосберегающих режимов работы МК, совместимостью по корпусам внутри всего семейства, специализированными контроллерами интерфейсов LIN и CAN, а также высокопроизводительным низкопотребляющим 8-разрядным центральным процессором. Все эти особенности позволяют семейству S08 претендовать на собственную нишу на рынке современных МК для автомобильных приложений.

Литература

  1. www.freescale.com
  2. Крейдл Х., Куприс Г., Ремизевич Т. В., Панфилов Д. И. Работа с микроконтроллерами HC(S)08 / под ред. Д. И. Панфилова. М: Издательство МЭИ. 2005.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке