S12X系列雙核單片機的整車控制器CAN結(jié)點設(shè)計＊

李潤鑫，邱瑞昌，劉彪，2，高健

（1.北京交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，北京 100044；2.清華大學(xué) 汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室；3.中國機械工業(yè)建設(shè)集團有限公司）

李潤鑫（碩士生），主要研究方向為汽車電子；邱瑞昌（副教授）主要研究方向為智能檢測技術(shù)和電力電子與電能變換技術(shù)。

引 言

高精度、高速度、高可靠性的混合動力汽車整車控制器是實現(xiàn)整車控制的基礎(chǔ)。為了避免車載環(huán)境中的電磁干擾，滿足閉環(huán)控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)，整車控制器與其他控制器的通信采取CAN總線方式。CAN總線位速率最大可達(dá)1Mb／s，可以滿足整車控制器與外界的高速通信。Freeseal公司MC9S12XE（簡稱S12X）系列單片機專門用于汽車網(wǎng)絡(luò)和通用車身應(yīng)用，具有32位單片機的性能，且具有16位MCU的所有優(yōu)點和功效。內(nèi)部的增強型XGATE模塊，允許高速數(shù)據(jù)自主地在單片機外設(shè)和內(nèi)部RAM、I／O端口之間進行數(shù)據(jù)傳輸與處理，XGATE內(nèi)置有一個16位的精簡指令集內(nèi)核，可以對要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行預(yù)處理并執(zhí)行復(fù)雜的通信協(xié)議，易于用C語言進行編程。合理地使用XGATE可以提高整車控制器與外界CAN總線的通信速度，而不增加主CPU（S12XCPU）的中斷負(fù)荷，從而提高了單片機的數(shù)據(jù)處理能力。

1 CAN總線硬件接口設(shè)計

S12X雙核單片機CAN總線結(jié)點接口原理圖如圖1所示。為了增強CAN總線節(jié)點的抗干擾能力，S12X單片機的CAN總線收發(fā)引腳并不是直接與PCA82C250的TxD和RxD相連，而是通過高速光耦6N137后與PCA82C250相連，這樣就很好地實現(xiàn)了總線上各CAN總線結(jié)點間的電氣隔離。

CANH和CANL引腳與地之間并聯(lián)了兩個電容C1、C2，可以濾除總線上的高頻干擾，并具有一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線輸入端與地之間分別接了TVS管D1和D2，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，可起到保護作用。

圖1 CAN總線結(jié)點接口原理圖

2 CAN總線數(shù)據(jù)處理的基本流程

S12X單片機利用XGATE進行CAN總線數(shù)據(jù)處理的流程如圖2所示（執(zhí)行順序從左到右）。當(dāng)S12X的MSCAN模塊收到來自CAN總線上的消息時，XGATE首先執(zhí)行中斷處理程序，其可以對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理或獨自處理，也可以將數(shù)據(jù)保存到合適的內(nèi)存緩沖區(qū)，以提交給主CPU（即S12XCPU）進行進一步操作。在XGATE上的代碼執(zhí)行期間，S12XCPU上的代碼也一直運行，這樣在每100μs接收一幀CAN總線信息的情況下（這也是高速CAN總線的理論最大值），就可以有效地提高程序代碼的性能。尤其在對實時性要求較高的工業(yè)場合中，如進行混合動力汽車中的CAN總線通信等，有很大的應(yīng)用價值。這些情況下，閉環(huán)控制系統(tǒng)都需要快速的系統(tǒng)響應(yīng)，以及合理有效地配置好XGATE，可以很好地滿足控制系統(tǒng)的需要。MC9S12XE單片機的結(jié)構(gòu)配置在混合動力汽車控制系統(tǒng)的應(yīng)用中具有很高的性價比。

圖2 CAN總線數(shù)據(jù)處理流程

3 XGATE的典型配置方法

XGATE的應(yīng)用與編程方法在參考文獻(xiàn)［3］和［4］中均有介紹，但基于XGATE的CAN總線的C語言編程大都沒有具體說明。這里給出一個含有XGATE的MC9S12XEP100單片機通過ZLG USBCAN接口卡與上位機進行CAN總線通信的例子，XGATE模塊編寫的基本步驟如下：

①在Code Warrior軟件中新建一個雙核的工程文件，在main.c和xgate.h中對共享數(shù)據(jù)段進行初始化，并將CAN1接收中斷提交給XGATE處理，然后啟動XGATE。

②初始化S12XCPU和CAN1通道，在xgate.cxgate中編寫接收中斷函數(shù)，并對中斷向量表進行設(shè)置。

③編寫與XGATE中CAN1接收中斷相對應(yīng)的主處理器中斷函數(shù)，使主處理器能夠響應(yīng)來自XGATE的中斷請求。

其主要配置方法如下：

① 新建一個雙核工程文件，在main.c中對共享數(shù)據(jù)段進行初始化：

＃pragma DATA＿SEG SHARED＿DATA

volatile int LENGTH，MyDa［8］；

volatile unsigned long SAE＿ID0；

＃pragma DATA＿SEG DEFAULT

在prm文件中，SHARED＿DATA定義于一塊獨立的內(nèi)存塊中，并放置于未分頁的RAM頁中，這樣雙核運行時均能存取SHARED＿DATA塊中的變量，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

“＃define CAN0RECEIVE＿VEC 0xAA”語句中對XGATE中的CAN1接收中斷向量地址進行定義，其為CAN1在XGATE中的接收中斷號乘以2，CAN1的接收中斷向量號可在xgate.cxgate進行查找。代碼如下：

將CAN1的接收中斷交由XGATE進行處理，即將XGATE模塊的中斷請求配置寄存器置1（RQST＝1），優(yōu)先級設(shè)置為1（PRIO＝1）。

在xgate.h中對共享數(shù)據(jù)段進行初始化：

＃pragma DATA＿SEG SHARED＿DATA

extern volatile int LENGTH，MyDa［8］；

extern volatile unsigned long SAE＿ID0；

＃pragma pop

② 在xgate.cxgate中編寫接收中斷函數(shù)，代碼如下：

XGATE中的中斷函數(shù)可以對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，如提取整車控制器所感興趣的CAN總線信息等，然后利用SIF向S12XCPU發(fā)出中斷請求。在xgate.cxgate中還要對中斷向量表進行設(shè)置：

｛（XGATE＿Function）CAN1RECEIVE，0｝／／對應(yīng)通道號55

第一個參數(shù)為CAN1接收中斷函數(shù)的入口，第二個參數(shù)不使用，可以配置為任意值。

在main.c中初始化CPU12X和CAN1通道：

對主函數(shù)進行初始化，可對接收到的感興趣信息用與PORTB端口的相連發(fā)光二極管進行顯示。

③ 編寫主處理器的中斷函數(shù)，使主處理器能夠響應(yīng)來自XGATE的中斷請求，代碼如下：

需要補充說明的是，由于S12XCPU與XGATE之間常用的通信方式是共享資源。由于這兩個內(nèi)核可以獨立異步地訪問內(nèi)存及片上外設(shè)，就產(chǎn)生了數(shù)據(jù)完整性的問題，因此在訪問共享數(shù)據(jù)時還要進行特定的操作［3］。

在Code Warrior環(huán)境下對含有XGATE的MC9S12XEP100進行調(diào)試的界面如圖3所示。由于工程使用了雙核，故調(diào)試器有兩套窗口，左側(cè)是S12XCPU，右側(cè)是XGATE。

圖3 MC9S12XEP100芯片的雙核調(diào)試環(huán)境

結(jié) 語

飛思卡爾S12X系列16位單片機是較流行的車載型單片機，應(yīng)用廣泛，它的眾多優(yōu)勢中最有特色的就是XGATE。與以往的單核單片機相比，利用S12X系列可以顯著提高整車控制器在CAN總線通信時的性能，使整車控制器的主CPU擺脫耗時的中斷處理，能夠集中執(zhí)行與混合動力汽車整車控制策略相關(guān)的算法程序。而XGATE的編程實際就是寫一組中斷服務(wù)程序和相關(guān)寄存器的設(shè)置，可以根據(jù)具體情況對本文提供的主要配置函數(shù)加以修改。

［1］飛思卡爾半導(dǎo)體.AN3224：Tutorial：Introducing the XGATE Module to Consumer and Industrial Application Developers.Pdf［OL］.［2012－03］.http：／／www.Freescale.com.

［2］徐為國.混合動力汽車的發(fā)展?fàn)顩r及前景初探［J］.汽車科技，2001（6）：107－109.

［3］周怡君，毛玉良.基于S12X雙核微控制器的染色自動化控制器［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2010（36）：42－44.

［4］王雷，曾潔，陳少華.等.S12XD系列中XGATE協(xié)處理器的原理及應(yīng)用［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2008（2）：42－44.

［5］邵貝貝，龔輝.嵌入式系統(tǒng)中的雙核技術(shù)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.