飞思卡尔单片机在汽车电子中的应用

刘永春，王秋花

（中国重汽集团技术发展中心汽车电子设计部，山东 济南 250002）

随着汽车电子化和智能化的高速发展，单片机在汽车电子中发挥着越来越重要的作用。在汽车动力系统中的燃油喷射控制、安全系统中的制动防抱死控制、后处理系统中的尿素喷射控制、汽车门控系统等，无不大量采用单片机作为核心控制器件。飞思卡尔半导体供应商推出的8位、16位和32位系列单片机，能够满足车辆各个控制方面的应用需求，被广泛应用于汽车电子控制单元中，其中16位单片机MC9S12XEP100则以强大的功能和性能优势广泛受到人们的青睐。

1 结构

MC9S12XE系列是专用于汽车电子领域的高性能双核微控制器MCU，它享有低成本、低功耗、卓越的EMC性能和高效的代码等优势，可以满足客户对设计灵活性和平台兼容性的需求。该系列包括6种型号，闪速存储器容量从128 KB～1 024 KB不等，封装从80引脚～208引脚不等。设计员可以灵活选择不同容量的存储器、封装、价格等，以满足不同应用的需求。

MC9S12XEP100（以下简称XEP100）片内总线时钟可高达50MHz，片内资源非常丰富，同时集成了许多标准的模块，主要包括16个12位精度的AD转换模块、8个异步串行通信接口SCI、3路同步串行通信接口SPI、8通道脉宽调制模块PWM、8个16位增强型捕捉定时器ECT、兼容CAN2.0A／B协议的5个CAN接口模块、一个内部IIC总线模块及丰富的IO端驱动器、片内拥有64 KB的随机存储器RAM、1024KB的闪速存储器Flash、4 KB的电可擦写可编程只读存储器EEPROM，能够满足汽车级芯片温度范围和各种复杂环境的要求。

2 功能特点

MC9S12XE系列单片机于2009年9月推向市场，经过几年的市场考验，其应用已日趋成熟化。飞思卡尔公司为确保此系列单片机产品供货的长期性和稳定性，提供了业内领先的长期市场供货计划，保证最短15年的供货期和一流的技术支持，并在国内设有生产厂，目前市场售价60元左右。

MC9S12XE系列单片机主要有五大特点。

1）单片机内部采用了增强型XGATE协处理器模块，允许高速数据自主地在单片机外设和内部RAM、I／O端口之间进行数据传输与处理。XGATE内置有一个16位的精简指令集内核，可以对要传输的数据进行预处理并执行复杂的通信协议，易于用C语言进行编程。XGATE可以显著降低CPU的负荷，使CPU能够集中资源运行关键的系统活动，从而提高了单片机的数据处理能力。

2）S12XE系列包括一个存储器保护单元 （MPU），用于防止软件中的系统错误。这个MPU解决了不同模块之间的错误交互导致的潜在问题，这项特性在汽车设计中非常关键，因为它有助于最大程度地控制汽车中系统故障的扩散。

3）单片机片内集成了可达1024KB的闪速存储器Flash。近年来，随着Flash在单片机片内的应用走向成熟，单片机的开发和应用又迎来了一次新的飞跃。Flash是一种非易失性存储介质，读取它的内容同RAM的读取一样方便，而对它的写操作却比EEPROM还要快。在系统掉电后，Flash中的内容仍能可靠保持不变。Flash的主要优点是结构简单、集成密度大、成本低。由于Flash可以局部擦除，且写入、擦除次数可达数万次以上，从而使开发微控制器不再需要昂贵的仿真器。

4）简单的背景开发模式 （BDM）：PC主机→BDM调试器→目标板，使得开发成本进一步降低，也使得现场开发和系统升级变得比较方便。6针BDM接口的引脚定义见表1。

表1 BDM接口引脚定义

5）应用锁相环技术提高了系统的电磁兼容性。在以往不使用锁相环的微控制器应用系统中，晶振电路由于其工作频率比较高 （通常为几兆赫兹至几十兆赫兹）而成为一个很大的干扰源，这一问题给系统设计、线路板布局带来了很多不便。MC9S12XE系列单片机在时钟发生系统中巧妙地使用了锁相环技术，因而可在几兆赫兹的外部晶振情况下，通过软件编程产生上百兆的系统时钟，从而降低了对外辐射干扰，提高了系统的稳定性。

3 在汽车电子中的应用

现以一个典型的后处理系统电控单元的设计开发为例，说明XEP100在汽车电子领域的应用，图1为后处理电控单元的系统框图。该系统基于模块化的设计思想，主要从电源模块、信号输入调理模块、中央处理模块、通信模块、尿素泵的驱动模块、尿素喷嘴的驱动模块、尿素泵管箱加热的驱动模块、故障诊断模块而设计。中央处理模块采用了飞思卡尔16位单片机XEP100作为核心处理器，主要功能是根据从CAN总线上获得的发动机的实时工况、数字信号 （包括钥匙开关、蓄电池的电源开关等）和模拟信号 （包括尿素温度、尿素液位、尿素压力、催化器前温等）由单片机XEP100进行精确的逻辑运算，来控制尿素溶液的喷射时刻和喷射量，尿素溶液被喷射到排气管中与发动机尾气进行化学反应，从而起到净化尾气的作用。

电源模块需要把蓄电池电压24V转换为5V的直流电压，为单片机等集成芯片及传感器提供5 V电源。中央处理模块是由中央处理器、晶振电路、复位电路、程序刷写电路和外围接口电路组成，它是整个控制器DCU的核心，也是单片机XEP100工作必不可少的最小模块单元。CAN通信模块实现与发动机控制器ECU、仪表控制器信息的交互，通过CAN总线实现参数的在线标定调试、程序的刷写。信号调理模块主要用于处理模拟信号和钥匙开关等数字信号，模拟信号需要经过一系列的调理电路处理成0～5V的电压信号给单片机的AD端口，再由单片机进行AD转换，数字信号经过一系列的调理电路给单片机的IO口。尿素泵的驱动模块中采用了infineon公司的电机控制芯片，它内部集成了H桥电路，用来驱动泵内的电机，实现电机的正反转；对喷嘴、尿素箱加热、尿素泵加热、尿素管加热的驱动采用了安森美公司的MOSFET功率驱动芯片，对执行器的诊断可通过SPI接口与单片机通信，实时读取故障信息。

该后处理系统的电控单元被应用在重汽国Ⅳ重型柴油车辆上，主要包括A7车型和HOWO车型，以满足重型柴油机国Ⅳ排放法规的需要。经过长期的试验验证，证明以单片机XEP100为主控芯片的电控单元具有非常好的稳定性和可靠性，并赢得了良好的市场反映。

4 结束语

单片机XEP100的应用并不复杂。对于一般简单的应用硬件，只需增加少量的外围电路即可实现；对于相对复杂的系统，进行外围电路的扩展也极为方便。特别是在汽车电子领域，XEP100凭借着丰富的片内资源、强大的功能、卓越的性能优势及较高的性价比，给硬件设计及软件编程提供了极大的方便。我们可以预见：汽车电子工业的迅猛发展，必将给这种高性价比的微控制器带来更为广泛的应用和发展空间。