【文章內(nèi)容簡介】 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2021) 5 2. 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)與 主芯片 選型 系統(tǒng)總體 方案 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集，處理以及顯示 3 個(gè)模塊組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)接收車輛的數(shù)據(jù)，采集到的開關(guān)量通過調(diào)理模塊的調(diào)理，輸入到主芯片進(jìn)行處理。 而其他一些汽車的參數(shù)，如汽車車速，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，油箱油量，冷卻液溫度等，都由汽車上本身帶有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集調(diào)理后通過 CAN 總線輸入到主芯片進(jìn)行處理，汽車錯(cuò) 誤代碼也由汽車自帶檢測(cè)設(shè)備輸入到主芯片。 系統(tǒng)根據(jù)采集的信號(hào)進(jìn)行處理計(jì)算，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，以及液晶顯示驅(qū)動(dòng)，并通過顯示設(shè)備顯示出來。要是信號(hào)超出范圍或者出現(xiàn)異常則啟動(dòng)報(bào)警模塊，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。 C A N 總 線 收 發(fā) 器L M 3 S 8 9 6 2 微 處 理器車 載 電 壓1 2 V電 壓 轉(zhuǎn) 換模 塊 供 電開 關(guān) 量調(diào) 理 模 塊電 機(jī) 驅(qū)動(dòng)步 進(jìn) 電機(jī)液 晶 顯 示 模 塊報(bào) 警 模 塊C A N H C A N HC A N LC A N L 圖 21 系統(tǒng)總體流程 主芯片選擇 主芯片的選擇比較重要，它決定了系統(tǒng)運(yùn)行的效率，優(yōu)劣性等等。如何選擇一種適合設(shè)計(jì)需要的芯片十分重要。對(duì)于明確的對(duì)象，選擇功能過少的芯片，無法完成控制任務(wù)，選擇功能過多的芯 片，則會(huì)造成資源浪費(fèi)，使性價(jià)比下降。因此，實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)一些原則 來選擇芯片，需要了解芯片對(duì)控制系統(tǒng)的適用性。了解芯片的可購買性 ， 了解芯片的可開發(fā)性等一些因素。 根據(jù)對(duì)芯片選擇的原則，可選擇出最適用于控制系統(tǒng)的芯片，從而保證控制系統(tǒng)高可靠性、最優(yōu)的性價(jià)比、最長的使用壽命和最好的升級(jí)換代性。 本課題采用 TI的 LM3S8962 為核心處理器。 LM3S8962 微處理器的管腳圖如圖 22 所示。 基于 CAN 總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 ADC01ADC12VDDA3GNDA4ADC25ADC36LDO7VDD8GND9PD0/CAN0Rx10PD1/CAN0Tx11PD2/U1Rx12PD3/U1Tx13VDD2514GND15XTALPPHY16XTALNPHY17PG1/PWM118PG019VDD20GND21PC722PC6/PhB023PC524PC4/PhA025PA0/U0Rx26PA1/U0Tx27PA2/SSI0Clk28PA3/SSI0Fss29PA4/SSI0Rx30PA5/SSI0Tx31VDD32GND33PA6/CCP134PA735VCCPHY36RXIN37VDD2538GND39RXIP40GNDPHY41GNDPHY42TXOP43VDD44GND45TXON46PF0/PWM047OSC048OSC149WAKE50HIB51XOSC052XOSC153GND54VBAT55VDD56GND57MDIO58PF3/LED059PF2/LED160PF1/IDX161VDD2562GND63RST64CMOD065PB0/PWM266PB1/PWM367VDD68GND69PB2/I2C0SCL70PB3/I2C0SDA71PE0/PWM472PE1/PWM573PE2/PhB174PE3/PhA175CMOD176PC3/TDO/SWO77PC2/TDI78PC1/TMS/SWDIO79PC0/TCK/SWCLK80VDD81GND82VCCPHY83VCCPHY84GNDPHY85GNDPHY86GND87VDD2588PB7/TRST89PB6/C0+90PB5/C0o91PB4/C092VDD93GND94PD4/CCP095PD596GNDA97VDDA98PD6/Fault99PD7/IDX0100LM3S8962U4CAN0RxCAN0TxGNDGNDGNDVDDVDDADC0GNDGNDGNDGNDGNDGNDVDDVDDVDDVDDVDDRESETGNDGNDGNDGNDVDDVDDGND GND GND GND GNDVDD VDD VDDVDDGNDPA0 PA1 PA2 PA3PB0PB1PB2PB3PC0 PC1 PC2PF0PC6PC5PC4PC3PF1PF2PF3PC7R12VCC33OSC0OSC1XTALPXTALNVDD25VDD25VDD25VDD25PD2PD3PG1PG0PA4 PA5 PA6 PA7ADC1ADC2ADC3LD0RXIN RXIP TXOP TXONXOSC1VBATXOSC0HIBMDIOCMOD0PE0PE1PE2PE3CMOD1PB7PB6PB5PB4PD5 PD4PD6PD7 圖 22 LM3S8962 芯片管腳圖 LM3S8962 芯片介紹 LM3S8962 微控制器是針對(duì)工業(yè)應(yīng)用方案而 設(shè)計(jì)的，包括遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子販?zhǔn)蹤C(jī)、測(cè)試和測(cè)量設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和交換機(jī)、工廠自動(dòng)化、 HVAC 和建筑控制、游戲設(shè)備、運(yùn)動(dòng)控制、醫(yī)療器械、以及火警安防。 至于那些對(duì)功耗有特別要求的應(yīng)用方案， LM3S8962微控制器還具有一個(gè)電池備用的休眠模塊，從而有效的使 LM3S8962芯片在未被激活的時(shí)候進(jìn)入低功耗狀態(tài)。 一個(gè)上電 /掉電序列發(fā)生器、連續(xù)的時(shí)間計(jì)數(shù)器 (RTC)、一對(duì)匹配寄存器、一個(gè)到系統(tǒng)總線的 APB接口以及專用的非易失性存儲(chǔ)器、休眠模塊等功能組件 LM3S8962微控制器極其適合用在電池的應(yīng)用中。 除此之外，該 LM3S8962微控制器的優(yōu)勢(shì)還在于能夠方便的運(yùn)用多種 ARM的開發(fā)工具和片上系統(tǒng) (SoC)的底層 IP應(yīng)用方案，以及廣大的用戶群體。 另外，該微控制器使用了兼容 ARM的指令集來減少存儲(chǔ)容量的需求，并以此達(dá)到降低成本的目的。 最后， LM3S8962微控制器與 Stellaris系列的所有成員是代碼兼容的，這為用戶提供了靈活性，能夠適應(yīng)各種精確的需求。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2021) 7 為了能夠幫助用戶產(chǎn)品快速的上市， Luminary Micro公司提供了一整套的解決方案，包括評(píng)估和開發(fā)用的板卡、白皮書和應(yīng)用筆記、方便使用的外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序庫、以及強(qiáng)勁的支持 、銷售和分銷網(wǎng)絡(luò)。 LM3S8962微控制器包括下列的產(chǎn)品特性： A． 32 位 RISC 性能 ； a. 采用為小封裝應(yīng)用方案而優(yōu)化的 32 位 ARM Cortex?M3 v7M 架構(gòu) ； b. 提供系統(tǒng)時(shí)鐘、包括一個(gè)簡單的 24 位寫清零、遞減、自裝載計(jì)數(shù)器，同時(shí)具有靈活的控制機(jī)制； c. 僅采用與 Thumb 兼容的 Thumb2 指令集以獲取更高的代碼密度 ； d. 工作頻率為 50MHz； e. 硬件除法和單周期乘法 ； f. 集成嵌套向量中斷控制器 (NVIC)，使中斷的處理更為簡捷 ； g. 36 中斷具有 8 個(gè)優(yōu)先等級(jí) ； h. 帶存儲(chǔ)器保護(hù)單元 (MPU)，提供特權(quán)模式來保護(hù)操作系統(tǒng)的功能 ； i. 非對(duì)齊式數(shù)據(jù)訪問，使數(shù)據(jù)能夠更為有效的安置到存儲(chǔ)器中 ； j. 精確的位操作，不僅最大限度的利用了存儲(chǔ)器空間而且還改良了對(duì)外設(shè)的控制 ； B． CAN； a. 支持 CAN 協(xié)議版本 part A/B； b. 傳輸位速率可達(dá) 1Mb/s； c. 32 個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)都帶有獨(dú)立的標(biāo)識(shí)符屏蔽 ； d. 可屏蔽的中斷 ； e. 可禁止 TTCAN 的自動(dòng)重發(fā)模式 ； f. 可編程設(shè)定的自循環(huán)自檢操作 ； C． 功率 ； a. 片內(nèi)低壓差 (LDO)穩(wěn)壓器，具有可編程的 輸出電壓，用戶可調(diào)節(jié)的范圍為 ； b. 休眠模塊處理 /斷電序列，并控制內(nèi)核的數(shù)字邏輯和模擬電路 ； c. 控制器的低功耗模式：睡眠模式和深度睡眠模式 ； d. 外設(shè)的低功耗模式：軟件控制單個(gè)外設(shè)的關(guān)斷 ； e. LDO 帶有檢測(cè)不可調(diào)整電壓和自動(dòng)復(fù)位的功能，可由用戶控制使能 ； f. ，可通過中斷或復(fù)位來報(bào)告 ； D． 其他特性 ； a. 6 個(gè)復(fù)位源 ； b. 可編程的時(shí)鐘源控制 ； c. 可對(duì)單個(gè)外設(shè)的時(shí)鐘進(jìn)行選通以節(jié)省功耗 ； d. 遵循 IEEE 標(biāo)準(zhǔn) 的測(cè)試訪問端口 (TAP)控制器 ； e. 通過 JTAG 和串行線接口進(jìn)行調(diào)試訪問 ； 基于 CAN 總線的汽車組合電子儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 f. 完整的 JTAG 邊界掃描 ； 根據(jù)汽車瞬時(shí)油耗系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)功能的要求、單片機(jī)的匹配原則以及LM3S8962 微控制器的一些特性滿足設(shè)計(jì)的需求，故此選擇此單片機(jī)。 本設(shè)計(jì)采用芯片 LM3S8962 芯片的一些功能，芯片本身可提供模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換功能，所以只要調(diào)理好的信號(hào)輸入 芯片 就可以了，不需要再另行 設(shè)計(jì)信號(hào)轉(zhuǎn)換調(diào)理電路 ；芯片還自帶 內(nèi)部 CAN 總線協(xié)議，所以只要外部連接一個(gè) CAN 總線收發(fā)器 ， 就可以 很好地 實(shí)現(xiàn) CAN 總線通訊了。本設(shè)計(jì)需要用 到芯片的一些功能，需要的 管腳說明 如表 21 所示。 表 21 LM3S8962芯片管腳說明 編號(hào) 管腳名稱 管腳類型 緩沖類型 管腳描述 1 ADC0 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 0 2 ADC1 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 1 3 ADC2 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 2 4 ADC3 I 模擬 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入 3 5 VDDA 電源 模擬電路 (ADC、模擬比較器等 )的正電源 ()。這些電源與 VDD獨(dú)立，以最大限度地減少 VDD上的電氣噪聲，使其不影響模擬功能。 6 VDD 電源 I/O和某些邏輯的電源正 極 7 GND 電源 邏輯和 I/O管腳的地參考 8 CAN0Rx I TTL CAN模塊 0接收 9 CAN0Tx O TTL CAN模塊 0發(fā)送 10 VDD25 電源 大多數(shù)邏輯功能 (包括處理器內(nèi)核和大部份外設(shè) )的電源正極。 11 XTALPPHY O TTL 以太網(wǎng) PHY的 XTALP 12 XTALNPHY I TTL 以太網(wǎng) PHY的 XTALN 13 PA0~3 I/O TTL GPIO端口 A位 0~3 14 PB0~3 I/O TTL GPIO端口 A位 0~3 15 PF0~3 I/O TTL GPIO端口 F位 0~3 16 OSC0 I 模擬 主振蕩器晶體輸入 17 OSC1 O 模擬 主振蕩器晶體輸出 18 RST I TTL 系統(tǒng)復(fù)位輸入 19 TRST I TTL JTAG TRSTn 20 TDI I TTL JTAG TDI 21 TMS I/O TTL JTAG TMS 22 TCK I TTL JTAG TCK 23 TDO O TTL JTAG TDO 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 ( 2021) 9 3. 系統(tǒng) 硬件模塊 設(shè)計(jì)與 元器件 選型 系統(tǒng)晶振模塊設(shè)計(jì) 晶振全稱為 晶體振蕩器 ，其作用在于產(chǎn)生原始的 時(shí)鐘頻率 ，這個(gè)頻率經(jīng)過頻率發(fā)生器的放大或縮小后就成了電腦中各種不同的總線頻率。 主振蕩器：主振蕩器用下面的其中一種方法來提供一個(gè)頻率精確的時(shí)鐘源：OSC0輸入管腳連接一個(gè)外部單端時(shí)鐘源或在 OSC0輸入和 OSC1輸出管腳之間連接一個(gè)外部晶體。 允許的晶體值取決于主振蕩器是否用作 PLL的時(shí)鐘參考源。如果主振蕩器用作 PLL的時(shí)鐘參考源，那么支持的晶體頻率范圍為 MHz~ MHz。如果沒有使用 PLL，則支持的晶體頻率在 1 MHz和 MHz之間。 本設(shè)計(jì)沒有使用 PLL，采用 8MHz的晶體頻率，具體電路設(shè)計(jì)如圖 23所示。這樣可以提高系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)便于計(jì)算。 12Y118pFC2918pFC30GNDOSC0OSC1 圖 23 主芯片晶振電路 電源模塊 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要的電壓為 5V，以及 。而 汽車所攜帶的車載電瓶為 12V的電源，所以需要電壓轉(zhuǎn)換模 塊來實(shí)現(xiàn) 5V和 。 初始電源 模塊 設(shè)計(jì) 開關(guān)電源模塊所需輸入電壓為車載電瓶電壓 12V。所采用的功能芯片 MC34063。如圖 24所示。 DRVC8SWC1CT3C