Реферат: Микроконтроллеры nec разрабатывались для ответственных применений

МИКРОКОНТРОЛЛЕРЫ NEC ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ-2*

Иосиф Каршенбойм iosifk@eltech.spb.ru

Введение

Микроконтроллеры NEC разрабатывались для ответственных применений. Они сертифицированы по «автомобильному» стандарту и работают в промышленном диапазоне температур (-40 … +85ºС). Модельный ряд этих МК содержит множество вариантов с различными объемами встроенной памяти и наборами стандартной периферии, а также большое число корпусов. Есть возможность перепрограммирования в системе и аппаратная поддержка памяти, повышающая надежность ее работы.

Из особенностей микроконтроллеров NEC нужно отметить две: порт UART поддерживает стандарт шины LIN (Local Interconnect Network); МК имеют встроенный контроллер ЖКИ.

Каждый европейский (даже не японский) автомобиль Peugeot 206 имеет «на борту» 27 микроконтроллеров фирмы NEC. А есть еще и Ford, и GM Rover и Toyota. А в дорогих и престижных машинах число микроконтроллеров может быть значительно больше.

Как же организована работа такого «стада» микроконтроллеров? В современном автомобиле для объединения микроконтроллеров используется сеть. Пример организации сети для автомобиля приведен в документации [1], а фрагмент такой сети показан на рис. 1.



Рис. 1 Организация сети в автомобиле. Фрагмент сети для передних сидений.

*Материалы статьи опубликованы в журнале «Компоненты и технологии», №1, 2006

Наиболее распространенным стандартом сети в данном сегменте рынка на сегодняшний день является CAN. Примеры использования сети CAN достаточно широко описаны. Но помимо нее набирает популярность и сеть LIN. Сеть LIN поддерживают все передовые изготовители микросхем для промышленности и автоэлектроники.

^ Описание сети LIN

LIN – новый интенсивно развивающийся стандарт сетей для использования в промышленности и в автомобильном транспорте. Основное его преимущество – низкая стоимость подключения к сети. Интерфейс LIN поддерживается всеми ведущими поставщиками электронных компонентов для автоэлектроники. LIN дополняет шину CAN, занимая те места в сети, для которых не требуется высокая производительность [2, 3]. На рис. 2 приведена диаграмма характеристик различных интерфейсов в зависимости от скорости передачи данных и стоимости подключения к сети.



Рис. 2 Характеристики различных интерфейсов в зависимости от скорости передачи данных и стоимости подключения к сети.


Сети LIN обычно выполняются как подсети CAN и подключаются к межсетевым контроллерам CAN-LIN. На рис. 3 показан фрагмент выполнения сетей CAN и сетей CAN + LIN.




Рис. 3 Фрагмент выполнения сетей CAN и сетей CAN + LIN.

Концепция интерфейса LIN:

- дешевый однопроводный интерфейс в соответствии с ISO 9141;

- скорость в линии до 20 кбит/с, ограниченная для улучшенной

электромагнитной совместимости;

- один ведущий микроконтроллер («master») – множество ведомых(«slave»);

- не требует арбитража;

- не требует дополнительных аппаратных средств, в основе использования

обычный порт UART/SCI;

- ведомые микроконтроллеры производят самосинхронизацию по ведущему

микроконтроллеру сети;

- гарантированная задержка при передаче сообщений.

^ Реализация сетей LIN на микроконтроллерах фирмы NEC

Микроконтроллеры фирмы NEC Electronics, содержащие новый усовершенствованный LIN UART, работают в сетях LIN как «master» или «slave». Фирма NEC Electronics дополнила ядро UART специальными функциями для того, чтобы облегчить обработку заголовков кадров LIN микроконтроллерами, оптимизированными как по скорости выполнения, так и по объему кода.

LIN UART поддерживает все специфические для LIN скорости передачи и все типы кадров LIN, длительность сигнала синхронизации может устанавливаться программно (стандартный UART) или в специальном регистре (LIN UART). Поскольку прием сообщений ведется кадрами, то при приеме кадра необходимо определить, что именно принимает приемник в текущий момент времени: паузу между кадрами или поле синхронизации. Для этого стандартный UART перестраивается на пониженную тактовую частоту и производится прием данных. Далее, определив, что принята информация, соответствующая полю синхронизации, необходимо снова перестроить UART на номинальную тактовую частоту. В случае применения LIN UART эта процедура значительно упрощается, поскольку LIN UART имеет специальный таймер для определения поля синхронизации. Блок-схема ядра UART приведена на рис. 4.



Рис. 4 Блок-схема ядра UART микроконтроллеров 78К.

Семейство 8-разрядных микроконтроллеров 78К0 фирмы NEC Electronics используется в сети LIN в основном, в качестве устройств «slave», в то время как 32-разрядное семейство V850 оптимизировано для использования в качестве устройств «master» для создания межсетевого контроллера CAN/LIN. Характеристики этих микроконтроллеров приведены в таблице 1.


Таблица 1. Характеристики микроконтроллеров.78К0 и V850.




Стандарт LIN

Стандарт LIN охватывает спецификацию протокола передачи, среды передачи, интерфейс между программными и инструментальными средствами. Приведем краткое описание некоторых частей стандарта LIN.

^ Физический уровень интерфейса

Прием и передача осуществляется по однопроводному интерфейсу в соответствии со стандартом ISO 9141. Схема выходного каскада и диаграмма уровней напряжения в линии для приемника и передатчика показаны на рис. 5 и 6 соответственно.



Рис. 5 Схема выходного каскада трансивера LIN.




Рис. 6 Диаграмма уровней напряжения в линии для приемника и передатчика трансивера LIN.


Выходные напряжения для передатчика должны соответствовать следующему условию: низкий/высокий уровни передатчика – макс. 20% / мин. 80% VBAT, где VBAT – напряжение бортовой сети электропитания.

Входные напряжения для приемника должны соответствовать условию: низкий/высокий уровни приемника – мин. 40% / мах. 60%VBAT, где VBAT – напряжение бортовой сети электропитания. Скорость нарастания напряжения в линии 1 – 2 В/мкс.

^ Уровень передачи данных LIN.

Протокол передачи для «master» и « slave»

В передаче данных по сети участвуют как минимум два абонента сети: «master» и «slave». Соответственно, протокол передачи данных может быть описан как последовательность действий, выполняемая этими двумя абонентами (рис. 7).



Рис. 7 Передача данных по сети LIN.


«Master» выполняет управление обменом данными по шине. Он определяет, кто и какое сообщение будет передавать по шине. Он также ведет обработку ошибок, возникающих при работе шины.

Для организации обмена данными по шине «master» выполняет следующие действия:

- посылает синхронизирующую паузу;

- посылает синхронизирующий байт;

- посылает поле идентификатора;

- контролирует байты данных и контрольный байт;

- когда шина неактивна, получает сигнал «WakeUp» от подчиненных узлов, запрашивающих некоторое действие;


- генерирует опорную синхрочастоту для сети (синхрочастота определя-ется по продолжительности синхронизирующего байта).

Заголовок кадра формируется мастером сети следующим образом:

- «master» выполняет перерыв сигнала, этим он формирует состояние начала кадра;

- «master» выдает байт сигнала начала блока – этот байт служит для определения базы времени (определение интервала времени между двумя

положительными фронтами);

- «master» выдает байт «поле идентификатора». Этот байт содержит информацию об отправителе, получателе (или получателях), цели и длине поля данных. Шесть битов этого поля содержат информацию о длине посылки. Возможны посылки, содержащие 2, 4 или 8 байтов данных. Кодирование длины посылки находится в двух старших битах поля идентификатора. Всего возможно 64 идентификатора сообщений, 2 дополнительных бита четности защищают поле идентификатора от ошибок.

^ Функции, выполняемые абонентом «slave»

- «slave» является одним из абонентов на шине (коих может быть от 2 до 16) и получает или передает данные только тогда, когда «master» посылает соответствующий идентификатор;

- «slave» ждет синхронизирующего перерыва;

- «slave» синхронизируется на синхронизирующем байте;

- «slave» проверяет приходящий из сети идентификатор на соответствие своему адресу в сети;

- согласно идентификатору «slave» решает, что ему необходимо делать –

получать, передавать данные или не делать ничего;

-при передаче «slave» посылает 2, 4 или 8 байтов данных и контрольный байт;

- узел сети, служащий ведущим устройством, может быть также и ведомым.

Итак, основой сети LIN является способ определения начала кадра для передачи сообщения. В MCS-51 для этой цели использовался бит четности. В интерфейсе LIN для определения начала кадра используется 13-битный интервал низкого уровня. Даже если приемник получает посылки данных с кодом 0х0 нормальной длительности (в коде 8N1), то это не соответствует 13-битному интервалу низкого уровня. Таким образом, только в том случае, если приемник получает посылку данных с 13-битным интервалом низкого уровня, он переходит к ожиданию приема посылки синхронизации с кодом 0х55. Посылка синхронизации имеет нормальную длительность, соответствующую номинальной скорости передачи данных в сети. Получив такую посылку, приемник начинает обрабатывать заголовок кадра.

Подробнее описание работы сети LIN с примерами программирования для микроконтроллеров серии V85x и 78K0 можно найти в специальной литературе [4, 5].

^ Предсказуемость работы сети LIN

При разработке системы управления объектом важно знать, за какое время будет передана команда на объект управления, и как скоро можно получить от него ответ. Интерфейс LIN построен таким образом, что известно число передаваемых от мастера к слэйву данных, известно так же и число байтов данных передаваемых от слэйва к мастеру. Обычно бывает известно и время реакции слэйва на запрос от мастера. Поэтому при работе интерфейса LIN можно заранее определить время, требуемое для доставки сообщения и время, требуемое на запрос данных.

Таблица 2. Сравнительные характеристики между интерфейсами LIN и CAN.




Таблица 3. Необходимый объем памяти и загрузка микроконтроллеров при решении задач передачи данных по интерфейсам LIN и CAN.




В таблице 2 приводятся сравнительные характеристики между интерфейсами LIN и CAN. В таблице 3 приводится информация по необходимому объему памяти и по загрузки микроконтроллеров при решении задач передачи данных по интерфейсам LIN и CAN.

^ Программные инструменты

LIN – это набор аппаратных и программных инструментов, при помощи которых можно произвести разработку, конфигурацию и обслуживание сети. Программные инструменты позволяют производить обмен данными между программами. Последовательность применения программных инструментов и технологический процесс программирования и отладки показаны на рис. 8.




Рис. 8. Последовательность применения программных интерфейсов и технологический процесс программирования и отладки.


Главные инструментальные средства – менеджер базы данных сигналов для сети LIN Database Manager (LDM), конфигурационный менеджер LIN (LIN Configuration Tool – LCFG), программный компилятор и компоновщик, а также инструмент анализа шины (LINspector).

Менеджер базы данных сигналов – инструмент для определения, конфигурации и обслуживания сетей LIN.Эта программа, выполняемая на ПК с ОС Windows, которая фиксирует все свойства проекта LIN, включая определение сигналов, узлов, интерфейсов и требований ко времени ожидания.

При выполнении проекта менеджером базы данных создается требуемая проектная конфигурация, включающая сети, функции и сигналы, проходящие через шлюзы. Упаковщик кадров и сообщений упаковывает сигналы и кадры и создает списки сообщений.

Затем выполняется временной анализ, что гарантирует, что все требования синхронизации сигналов будут выполнены, и выдается сообщение о том, можно ли выполнить заданную конфигурацию или нет. На конечном этапе разработки файл конфигурации LIN генерируется вместе с сообщениями, описывающими параметры определенного узла или сети. Этот файл конфигурации содержит всю существенную сетевую информацию и является исходным файлом для анализатора сети и менеджера конфигурации, который объединяет сетевую информацию с информацией о подключаемом оборудовании (ECU) и генерирует задаваемую конфигурацию LIN как Си-код.

Этот код конфигурации компилируется совместно с кодом оборудования и загружается как «прошивка» микроконтроллера узла сети. LIN Application Programmer’s Interface (API) позволяет разработчику программного обеспечения выполнять программирование, абстрагируясь от подробностей передачи данных, и это позволяет построить систему, для которой прикладной код может быть разработан независимо от той функции, которую выполняет данный абонент сети.

Для удобства работы с базой данных сигналов сети LIN был разработан язык описания конфигурации LIN, который описывает формат файла конфигурации LIN. Этот язык используется для конфигурирования сети и служит общим интерфейсом между производителем комплексного оборудования и поставщиками различных сетевых узлов, а также для ввода данных в программные инструментальные средства разработки и анализа. Соотношение между программными и аппаратными инструментами для интерфейса LIN показано на рис. 9.





Рис. 9 Соотношение между программными и аппаратными инструментами для интерфейса LIN.


ВЫВОДЫ


Стандарт LIN охватывает спецификацию протокола передачи, среды передачи, взаимодействие инструментальных средств разработки с интерфейсами для передачи параметров из одной программы в другую. LIN гарантирует способность к взаимодействию сетевых узлов с точки зрения аппаратных средств и программного обеспечения, а также электромагнитную совместимость сетевых узлов.

Шина LIN применяется в тех приложениях, где требуется управление оборудованием при низкой стоимости подключения к сети. Это позволяет стандартизировать проектирование и значительно сокращает трудозатраты при подключении к сети таких приборов, как датчики и приводы. В спецификации шины LIN 2.0 появилась поддержка режима Plug and Play.

Фирма NEC Electronics разработала специальные аппаратные дополнения к ядру UART (LIN UART) и предлагает исходные коды драйверов «master» и «slave» для работы в сети LIN.

Стандарт LIN – это не просто «бумажный» документ. Уже сегодня изготовители автомобилей поставляют свою продукцию с магистральными системами LIN.

Широкий диапазон инструментальных средств отладки и контроля, аппаратных и программных компонентов доступен на рынке уже сегодня.

Высокое качество работы и способность к взаимодействию (Plug and Play) достигаются через четко определенную методику разработки проектов и испытаний на соответствие стандартам интерфейса.

ЛИТЕРАТУРА


http://www.ee.nec./_pdf/U17575EE1V0PF00.PDF

LIN Specification www.LIN-subbus.org

LIN Application Note www.ee.nec.de/LIN

«NEC V85x – 78k0 – Single-Chip Microcontroller Standalone NEC LIN-driver for Master and Slave» Application Note;

www.eu.necel.com/applications/automotive/documents/EACT_AN-5502_2_2.pdf

Introduction to LIN. Hans-Christian von der Wense.

Introduction_to_lin.pdf.

http://www.computer-solutions.co.uk/gendev/can-line.htm