9.2.1.1 CAN/LIN模块控制器

1.CAN模块微处理器

微处理器（MCU）是整个控制系统的核心部分。它的选择决定了系统的软件开发环境以及硬件连接方式等一系列的问题。MCU的选择是系统设计时最关键的一步。

在综合考虑了CAN总线和LIN总线的特点、性能价格比、功能完善性等方面的因素后，选用MC68HC908GZ16作为CAN主机节点的MCU，MC68HC908QL4作为LIN从机节点的MCU。

MC68HC908GZ16将HC08内核与CAN控制器模块集成在一起，增强了该芯片的功能，这样，不仅使CAN总线的通信有更高的可靠性，而且在设计原理图时，就不必再进行CAN控制器的选择，只需要一个CAN收发器即可实现CAN总线通信，既简化了硬件结构，又降低了成本。另外，MC68HC908GZ16内部具有锁相环模块，可以将外部晶体振荡器的低频信号转化为用于内部数据通信的高频信号，提高了MCU的抗干扰性能；MC68HC908GZ16还提供了串行外围设备接口（SPI）模块。通过SPI模块，MCU可以直接与驱动芯片或者开关量采集芯片进行通信，所用的引脚非常少，便于原理图的设计和PCB的制图。

（1）MC68HC908GZ16的主要特性

MC68HC908GZ16以它的高性能、低功耗、低价位在汽车领域得到广泛的应用。它的主要特性为

1）适于C语言的M68HC08高速执行性能；

2）完全向上与M6805、M146805和M68HC05系列产品相兼容；

3）8MHz内部总线频率；

4）时钟发生模式支持1～8MHz的晶体振荡器；

5）内含MSCAN08模块（执行由博世公司在1991年9月定义的2.0B协议）；

6）16KB片内Flash存储器，具有在线编程能力和保密功能；

7）1KB片内RAM；

8）增强型串行通信口和串行外围设备接口；

9）8路10位A/D转换器；

10）具有LIN协议特点；

11）所有口由最高2mA输入电流保护；

12）WAIT、STOP低功耗模式；

13）上电复位。

（2）MSCAN08模块介绍

MSCAN08是MC68HC908GZ16内部集成的模块，完全执行由博世公司在1991年9月定义的CAN2.0A/B协议。MSCAN08模块充分利用内部缓冲器结构，进行实时性操作，采用内部集成CAN控制器不但简化硬件结构、降低了成本，而且简化了软件设计，提高了软件开发速度。

MSCAN08模块的主要特点：

1）MSCAN08的使用采用软件进行控制，当CONFIG2内的MSCANEN=1时，该模块被使能；

2）模块化结构；

3）执行CAN2.0A/B版本协议；

4）支持远程帧；

5）双缓冲器接收模式；

6）采用内部优先级的三缓冲器发送结构；

7）灵活的屏蔽标识（ID）号模式；

8）支持可编程的自循环模式；

9）低功耗休眠模式。

采用MC68HC908GZ16的CAN系统设计结构如图9-1所示。可以看出，采用MC68HC908GZ16芯片进行CAN总线通信结构比较简单。

图9-1 CAN系统结构

2.LIN模块微处理器

LIN总线是一种基于UART的单主（节点）多从（节点）网络架构，最早是为汽车传感器和自动装置的连网应用而开发的。它为电动机、开关、传感器和车灯提供了一种低成本的网络连接方式。LIN总线不仅仅可以连接独立的传感器和自动装置，其主节点还可在LIN与CAN等更高级网络之间进行连接。故LIN总线对硬件要求低、成本低、结构简单。如果采用将LIN总线协议集成在芯片内的MCU，除了减小体积外，还可以不必再考虑电路板设计、制作与错误检测等问题，同时还会使软件设计更加容易、可靠性更高。在本设计中所选取的MC68HC908QL4就是将LIN总线协议集成在芯片内部的一款微处理器，该芯片具有很好的性价比。

（1）MC68HC908QL4是M68HC08系列8位低成本、高性能中的一款单片机，该芯片在车身电子技术应用中得到广泛使用。其主要特性如下：

1）具有高性能M68HC08CPU内核；

2）完全向上与M68HC08系列兼容；

3）5V和3.3V操作电压；

4）5V电压时8MHz内部总线频率，3.3V时4MHz内部总线频率；

5）从节点LIN模块；

6）2路16位定时器；

7）6路10位A/D转换器；

8）片内Flash和片内RAM；

9）低压禁止模式；

10）上电复位。

（2）MC68HC908QL4中SLIC（Slave LIN Interface Controller，从LIN接口控制器）模块，SLIC主要作为从节点与LIN总线相连接。LIN总线是一种开放式标准串行总线协议，与汽车中的传感器、电动机和传动装置相连。SLIC模块引脚（SLCRX和SLCTX）与PB4和PB5的I/O端口复用。

该模块的主要特点是：

1）完整的LIN信息标识符和8B的数据；

2）自动位速率检测和同步；

3）自动处理和纠正LIN同步间隔（SYNCH BREAK）和同步字节（SYNCH BYTE）；

4）自动检测和计算；

5）没有错误的LIN信息最多产生两个中断；

6）完整的LIN错误检测和报告；

7）高速LIN可以达到83.33kbit/s到120kbit/s；

8）增强型检测和（包括ID）的产生。

由以上特点可以看出，只要对模块中相应的寄存器按照需要进行相应的设置，比如，对SLIC模块的控制寄存器SLCC1和SLCC2进行设置，就可以自动按照LIN总线协议进行和发送数据。这相对于不包含SLIC模块的单片机来说，在软件开发上既降低了难度，又加快了开发速度。

另一方面，由于该芯片功能有限，因此在其他控制复杂的应用中，再采用该芯片就不能满足要求，故它也有自己的不足之处。在本设计中采用该芯片完全能够满足要求。图9-2所示为采用该芯片的LIN通信系统。

图9-2 LIN通信系统框图

9.2.1.2 控制器电源模块

电源系统是任何汽车系统设计中最重要的子系统之一。整体功耗、电池反极保护、汽车起动、车辆噪声和汽车休眠功率都是在设计电源时必须考虑的因素。如果电源设计不够理想，再好的系统也不能正常发挥作用。

在CAN/LIN模块的硬件电路设计中，均采用LT1121-5电压调节器作为电源。LT1121-5是微功耗低压差稳压器，该产品主要特点如下：

图9-3 LT1121-5引脚

1）只有0.4V的压差；

2）150mA的输出电流；

3）只有30μA的静态电流；(www.daowen.com)

4）5V的固定电压输出；

5）能够可控停止供电；

6）在停止模式，只有16μA的静态电流；

7）电源反向保护。

LT1121-5的引脚排列如图9-3所示。

图9-3中，IN为电源输入端，输入电压为12V；OUT为5V电压输出端；GND为地端；为停止端；ADJ为调节端。选用该芯片一方面是由于通过对输入低电平，能使该芯片进入停止模式，这时静态电流只有16μA，因此在总线上没有活动时，就可以达到减少功耗的目的；另一方面，LT1121-5还具有输入电源反向和输出电源反向保护功能，即使在输出端不增加二极管的情况下，该芯片也能防止电流反向倒流。因此该芯片既可以达到为系统提供电源的目的，又能降低功耗。

LT1121-5的应用电路如图9-4所示。

图9-4 LT1121-5应用电路

图9-4中，INH端为MC33999型LIN总线收发器的引脚，通过该引脚可以在总线上没有活动时使电源进入停止模式，不需要控制器进行直接控制，节省了微处理器的资源。

9.2.1.3 CAN总线收发器

PCA82C250是专门为CAN总线高速通信应用而设计的，是CAN协议控制器和物理总线间的接口，主要用于节点逻辑电平和CAN总线差动电平之间的电平转换，对总线提供差动发送能力和对CAN控制器提供差动接收能力。

PCA82C250的主要特性有：

1）完全符合ISO1189标准；

2）高速率（最高达1Mbit/s）；

3）具有抗汽车环境中的瞬间干扰和保护总线能力；

4）斜率控制，降低射频干扰（RFI）；

5）差分接收器，抗共模干扰范围宽，抗电磁干扰（EMI）；

6）热保护；

7）防止电源和地之间发生短路；

8）未上电的节点对总线无影响；

9）最多可连接110个节点。

采用PCA82C250的总线收发器电路如图9-5所示。

图9-5 PCA82C250电路图

9.2.1.4 LIN总线物理接口模块

MC33399芯片是专用于LIN的单线物理接口器件。该器件的功耗非常低，可控制外部稳压器，完全符合LIN规范，抗干扰能力强，是一种高性能的模拟器件，适用于比较复杂的工作环境。

汽车用MC33399的主要特点如下：

1）通信速率范围为1～20kbit/s；

2）额定工作电压为8～18V，正常电压为7～27V；

3）无功节点不影响总线状态；

4）有正常和睡眠两种工作模式；

5）LIN总线唤醒命令；

6）高压开关输入唤醒；

7）通过兼容的CMOS I/O引脚与MCU进行接口；

8）带有外部稳压器控制功能；

9）内置上拉电阻；

10）LIN引脚的ESD电压可达4kV；

11）具有很好的电磁兼容性；

12）工作温度范围为-40～125℃。

MC33399具有8个引脚，各引脚的功能说明见表9-1。

表9-1 MC33399引脚与功能

MC33399的工作模式由使能端EN来控制，当EN=1，电路处于正常工作状态，此时由TXD引脚到LIN总线以及由LIN总线到RXD引脚的两条传输路径均被激活。当EN=0，芯片进入睡眠或低功耗模式，两条传输路径被禁止。睡眠模式下，LIN引脚可通过上拉电阻和上拉电流源保持在高电平VSUP，并通过VSUP引脚经电源向芯片提供静态电流（典型值为20μA）。MC33399的LIN引脚用于完成单线收发功能，TXD引脚则用于控制LIN引脚的输出状态，工作时，这两个引脚的状态始终保持一致。而RXD引脚则可用来显示LIN总线的状态，LIN总线呈现高电平（隐性）时，RXD为高电平；反之，LIN总线为低电平（显性）时，RXD为低电平。RXD输出为典型的COMS推挽输出结构。

由于其特定的内部结构，当地电位漂移或者电源连接失败时，将不会有反向电流从LIN总线进入芯片内部。MC33399允许WAKE引脚输入高压唤醒，同时也可用WAKE引脚由高电平到低电平或由低电平到高电平的两种跳变唤醒，当芯片进入睡眠状态时，芯片将记录下当前WAKE引脚的状态。而当电路检测到WAKE引脚相反状态时，就认为发生了唤醒事件。此外，芯片还内置有噪声滤波器，它能够抑制总线高频噪声干扰，防止误唤醒。

由于该电路内部在LIN引脚与USUP引脚集成了上拉电阻和串联二极管，所以总线从节点不需要外置上拉元件，但对于主节点，则必须在外部增加10kΩ的上拉电阻，并且要串联一个二极管，以防止掉电时MC33399通过总线上电。

通过WAKE引脚外接开关可为WAKE引脚输入高压，以将MC33399从睡眠模式中唤醒。当WAKE引脚的输入电压超过14V时，为防止输入电流过大，必须接入串联电阻来限制瞬时脉冲电流。同时必须注意WAKE引脚不得悬空。若不使用该引脚，必须将其接地，以防止错误唤醒。

由MC33399构成的主节点电路和从节点电路如图9-6和图9-7所示。MC33399电路以其完善的性能被广泛应用于汽车车身控制系统中。

图9-6 MC33399构成的LIN总线主节点电路

图9-7 MC33399构成的LIN总线从节点电路

9.2.1.5 功率驱动电路

传统的汽车功率驱动大多数采用继电器进行驱动，继电器再由微处理器或其他敏感的电子设备进行控制。一个良好的线圈驱动电路要求在继电器和微处理器电路之间进行隔离，而且有效的驱动电路必须考虑到驱动电流和驱动电压的要求，以及有效地抑制di/dt的瞬态过程。因此在电路设计中，需要设计各种保护电路，考虑因素比较多。目前，随着电力电子技术的发展，各种功率器件逐渐代替了传统的驱动方式。需要大电流驱动时，多采用独立的电力MOSFET或IGBT，外部另加驱动和保护电路，在本设计中，前大灯的驱动采用的是独立MOSFET驱动，驱动电路如图9-8所示。MOSFET采用IR3205，其驱动电流可达到110A。当驱动电流不大时，比如功率只有21W和5W的车灯，可以采用集成功率模块进行驱动，如采用MC33286功率驱动模块，它是一个双高端功率开关，用于低电压及工业照明方面的应用，与机械继电器相比，MC33286具有可靠性高，并有保护功能及诊断功能。MC33286是一个包含两个独立的R_DS（ON）=35mΩ开关的表面封装器件。它可以直接与微处理器连接，用于控制和诊断。该器件具有过电流保护、断流保护和过热保护关断功能。

它可以由线性电源或开关电源供电，在等待模式下功耗很低。

图9-8 由MOSFET构成的大灯驱动电路

MC33286具有如下主要特性：

1）R_DS（ON）=35mΩ输出；

2）待机状态电流在电压低于14V时小于10μA；

3）带磁滞的过热保护；

4）电源反接保护；

5）导通状态负载开路检测；

6）诊断输出；

7）电流限制为30A。

选该芯片可用来驱动21W和5W的车灯，如前后转向灯、制动灯、行车灯等小功率灯。其典型应用电路设计如图9-9所示。

图9-9 车灯驱动模块应用电路

应用电路中，只是进行开关控制，未进行状态反馈。