S12X系列雙核單片機的整車控制器CAN結點設計＊

李潤鑫，邱瑞昌，劉彪，2，高健

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

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和電力電子與電能變換技術。

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整車控制的基礎。為了避免車載環境中的電磁干擾，滿足閉環控制系統的快速響應，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絡和通用車身應用，具有32位單片機的性能，且具有16位MCU的所有優點和功效。內部的增強型XGATE模塊，允許高速數據自主地在單片機外設和內部RAM、I／O端口之間進行數據傳輸與處理，XGATE內置有一個16位的精簡指令集內核，可以對要傳輸的數據進行預處理并執行復雜的通信協議，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）的中斷負荷，從而提高了單片機的數據處理能力。

1 CAN總線硬件接口設計

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

CANH和CANL引腳與地之間并聯了兩個電容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，當兩輸入端與地之間出現瞬變干擾時，可起到保護作用。

圖1 CAN總線結點接口原理圖

2 CAN總線數據處理的基本流程

S12X單片機利用XGATE進行CAN總線數據處理的流程如圖2所示（執行順序從左到右）。當S12X的MSCAN模塊收到來自CAN總線上的消息時，XGATE首先執行中斷處理程序，其可以對數據進行預處理或獨自處理，也可以將數據保存到合適的內存緩沖區，以提交給主CPU（即S12XCPU）進行進一步操作。在XGATE上的代碼執行期間，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，有很大的應用價值。這些情況下，閉環控制系統都需要快速的系統響應，以及合理有效地配置好XGATE，可以很好地滿足控制系統的需要。MC9S12XE單片機的結構配置在混合動力汽車控制系統的應用中具有很高的性價比。

圖2 CAN總線數據處理流程

3 XGATE的典型配置方法

XGATE的應用與編程方法在參考文獻［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中對共享數據段進行初始化，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，并對中斷向量表進行設置。

③編寫與XGATE中CAN1接收中斷相對應的主處理器中斷函數，使主處理器能夠響應來自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中對共享數據段進行初始化：

＃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，實現了數據共享。

“＃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），優先級設置為1（PRIO＝1）。

在xgate.h中對共享數據段進行初始化：

＃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，代碼如下：

XGATE中的中斷函數可以對數據進行預處理，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發出中斷請求。在xgate.cxgate中還要對中斷向量表進行設置：

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

第一個參數為CAN1接收中斷函數的入口，第二個參數不使用，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端口的相連發光二極管進行顯示。

③ 編寫主處理器的中斷函數，使主處理器能夠響應來自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。由于這兩個內核可以獨立異步地訪問內存及片上外設，就產生了數據完整性的問題，因此在訪問共享數據時還要進行特定的操作［3］。

在Code Warrior環境下對含有XGATE的MC9S12XEP100進行調試的界面如圖3所示。由于工程使用了雙核，故調試器有兩套窗口，左側是S12XCPU，右側是XGATE。

圖3 MC9S12XEP100芯片的雙核調試環境

結 語

飛思卡爾S12X系列16位單片機是較流行的車載型單片機，應用廣泛，它的眾多優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，能夠集中執行與混合動力汽車整車控制策略相關的算法程序。而XGATE的編程實際就是寫一組中斷服務程序和相關寄存器的設置，可以根據具體情況對本文提供的主要配置函數加以修改。

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

［2］徐為國.混合動力汽車的發展狀況及前景初探［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］.電子技術應用，2010（36）：42－44.

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

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