Kinetis EA系列微控制器在汽车仪表中的应用

　　中国汽车市场的繁荣，使得购买汽车的门槛逐渐降低。日益扩大的购车群体也加剧了各品牌车厂之间的竞争。这些竞争，不仅仅表现在车辆的外观以及质量，价格也是个很重要的因素。整车价格的下降，使得各零配件的价格也要同步下降，这就对各个汽车零配件供应商提出了更高的要求：在保证质量的前提下，缩减成本。每辆汽车必配的仪表，自然而然的也需要面临这一挑战。

　　传统的汽车仪表，如图1所示，由步进电机显示车速、转速、油量和水温，各种报警灯分布在整个仪表的外围。在仪表盘中心位置，由段码式或点阵式LCD展示一些综合性的信息，例如里程、环境温度、油耗等。随着成本的控制，有些仪表把油量和水温信息也放在LCD里面展示。这样一个系统可以满足基本信息提示的要求。

　　1 汽车仪表的技术特点

　　传统的汽车仪表，主要由步进电机、段码式或点阵式LCD和一些声、光报警信号构成。下面对于上述技术特点进行逐一分析，以确认微控制器(MCU)所需提供的资源。

　　对于声、光报警信号，一般由PWM和GPIO进行驱动即可，若需和外部事件同步，还需增加一些输入捕获和定时器资源。

　　对于步进电机，由控制芯片内部的双H桥电路进行控制步进电机的正弦相/余弦相，从而实现精确的位置控制。若使指针具有飘逸效果，则需要增加定时器及相关滤波算法，消耗MCU的计算资源。汽车仪表用的步进电机，每相需要20mA或更大的电流驱动能力，这就需要MCU的电机驱动引脚具有相应的驱动能力。

　　对于段码式LCD，由特殊的控制模块产生对应的阶梯波形，如图2所示，实现段的亮/灭。段码式LCD控制模式有1:1，1:2，1:3，1:4等，由芯片内部的控制模块产生，并依据设置的频率进行自动刷新。段码式LCD的驱动由前板(FP)和背板(BP)组成，最大可驱动的段数由FP x BP决定。在背板为4(大多数驱动芯片所具有的背板数量)的情况下，段码式LCD驱动要消耗大量IO口，故MCU一般需要较大的封装以提供足够多的IO口数量。对于用户来说，段的亮或灭，仅需改变芯片内部的某一比特位即可。点阵式LCD一般由SPI或并口进行控制，由于存储数据量的增加，MCU需要有较大的存储空间。

　　随着汽车内部电子单元的增加，待机功耗也是一个重要指标。市场要求仪表模块的待机功耗从3mA逐步减少到1.5mA，甚至为700uA。这对仪表板上的MCU提出要求：在具有CAN/LIN/GPIO唤醒能力的低功耗模式下，MCU消耗的电流越小越好。

　　综上分析，一个合格的传统汽车仪表控制芯片，需要具有如下特性：由GPIO驱动一些光电报警电路;PWM实现发声功能及仪表背光一致性的调节;具有大电流输出能力的PWM端口实现步进电机的直接驱动;可输出阶梯波形的引脚以满足段码LCD的驱动;具有SPI或并口控制点阵LCD;超低的低功耗且满足可唤醒功能。

　　2 Kinetis EA系列微控制器介绍

　　Kinetis EA系列微控制器是飞思卡尔基于ARM Cortex-M0+^®内核的一套经济高效的汽车级32位产品。它的工作电压范围是2.7~5.5V，运行频率高达48MHz，可实现单指令周期访问I/O，片内有37.5kHz和1kHz两种时钟源。37.5kHz时钟可通过内部锁相环倍频至48MHz，内部1kHz的时钟源可为MCU在低功耗运行状态时提供时钟信号，以降低静态功耗。低电压检测模块、具有独立时钟源的看门狗模块和可编程CRC模块，提高了系统的健壮性。每个芯片都有一个80位、全球唯一的识别码，增加设计的安全性和完整性。Kinetis EA系列微控制器具有丰富的片上资源，最多可以实现71个通用输入/输出端口(GPIO)，两个键盘中断模块(KBI)，16通道模数转换模块(ADC)，多达10通道的脉宽调制模块(PWM)，2通道的周期中断模块(PIT)，1个实时时钟控制器(RTC)，4通道的脉宽测量模块(PWT)，2路串行外设接口(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个GPIO还具有20mA大电流驱动的特性。它的封装涵盖了16TSSOP、24QFN、32/64/80LQFP等，以满足不同应用的需求。另外，Kinetis EA微控制器针还对汽车应用的特点，采用特殊设计，增强抗电磁干扰能力以及提高静电保护的等级。