一种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，是对多模式时钟产生模块和IO端口模块进行改进，将时钟门控的方法应用于多模式时钟产生模块，采用翻转速率和驱动强度控制的方法对IO端口模块进行电磁兼容特性的加固，有效改善了汽车电子控制系统电磁兼容特性。本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，具有结构简单、适用性强的特点，应用于汽车电子MCU的时钟以及端口部分的配置功能丰富，根据系统需要配置成不同工作模式和使用特性，可以对每个单独外设时钟进行门控设置，在端口上集成了开漏设置、上拉下拉、数字/模拟功能复用、中断复用以及EMC特性控制等功能，具有较高的灵活性和可配置性。
【专利说明】-种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及集成电路（Integrated Circuit，1C)数字前端设计【技术领域】，尤 其是一种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，通过对汽车电子控制 系统的微控制器中时钟产生模块及输入输出端口进行电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility,EMC)特性的加固设计，可以较好地解决芯片内部产生以及外部f禹合的电磁 兼容问题，从而改善芯片的电磁兼容特性。
【背景技术】
[0002] 汽车电子控制系统的电磁兼容特性对汽车整车的稳定性及可靠性都显得尤为重 要，作为电子控制系统中最为关键的单元-微控制器（Micro Control Unit，Μ⑶)，其电 磁兼容性能的优劣直接影响汽车各个模块与系统的控制功能。
[0003] 常规的电磁兼容保护措施主要通过在硬件电路原理图、印制电路板设计以及外围 屏蔽等方式去改进系统的电磁兼容特性，如图1所示，图1是目前常用的汽车电子控制系统 的微控制器的结构示意图。该微控制器采用的芯片是8位汽车电子MCU，型号为Α8128,是 在芯片Α832的基础上增添了一些更加安全和实用的功能，尤其是在抗电磁干扰（Electro Interference，EMI)方面，对时钟和端口模块进行了设计和改进。
[0004] 在图1中，微控制器集成了数据采集多通道模拟数字转换器（Analog to Digital Converter，ADC)、丰富的串行数据接口（Serial Peripheral Interface，SPI/ Inter-integrated circuit, I2C/Univarsal Asynchronous Receiber and Transmitter, UART)、汽车级标准的CAN、LIN接口模块以及电机控制PWM、增强型Timer等功能模块和电源 管理模块等，采用单芯片解决方案。所有的外围设备（SPI、I2C、UART、GPI0、CAN、LIN、PWM 等）都通过特殊功能寄存器总线互连，使用还未定义的特殊功能寄存器地址对各个外设模 块进行寻址。另外在实用性和安全性上，A8128增加了失效保护模块、实时时钟（RTC)以及 JTAG模块等，提高了芯片的可靠性。但是，图1中所示的芯片A8128并没有进行抗电磁干 扰（EMI)设计，为了改善其电磁兼容性能，需要对其不断的修改调试及增加外周电路，在此 过程中浪费了大量的人力和财力。
[0005] 追根溯源，电磁兼容问题产生的源头和最易受到影响的部分就是芯片本身，如果 从芯片设计之初就将电磁兼容的问题考虑进来，会对整个芯片以及电子控制系统本来的可 靠性有着很大提升。
【发明内容】
[0006] (一）要解决的技术问题
[0007] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容 特性的微控制器，以解决在微控制器的时钟设计部分无法对电磁干扰强度进行控制等弊 端，有效地改善汽车电子控制系统电磁兼容特性。
[0008] (二）技术方案
[0009] 为达到上述目的，本发明提供了一种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的 微控制器，该微控制器是对多模式时钟产生模块和10端口模块进行改进，将时钟门控的方 法应用于多模式时钟产生模块，采用翻转速率和驱动强度控制的方法对10端口模块进行 电磁兼容特性的加固。
[0010] 上述方案中，所述多模式时钟产生模块用于管理片上时钟资源，对内核的时钟信 号进行独立控制或者通过SFR总线对各个外设功能进行单独门控。
[0011] 上述方案中，所述多模式时钟产生模块支持多种模式的时钟选择，包括外部时钟 旁路PLL、外部时钟PLL倍频、内部振荡器旁路PLL、内部振荡器PLL倍频以及具有时钟失锁 检测特性。
[0012] 上述方案中，所述多模式时钟产生模块包括时钟源选择子模块和时钟门控子模 块，时钟源选择子模块用于选择系统时钟信号，由外部振荡器或者PLL倍频作为输入；时钟 门控子模块根据系统工作模式的不同将内核和外设总开关的时钟使能信号enabl e_Clk_ core与enable_clk_peripheral进行第一级控制，外设中各个功能模块时钟使能信号进行 第二级控制，保证在每一种工作模式下系统即满足功能要求又能改善EMC特性。
[0013] 上述方案中，所述时钟源选择子模块在系统上电复位后以外部振荡器时钟作为内 部时钟，经过程序配置PLL寄存器，当振荡器稳定后，将时钟切换为片内PLL时钟。所述片 内PLL时钟由片外高精度时钟振荡器输入时钟或由片内8MHz RC振荡器作为时钟输入源， 经过PLL倍频后产生用于芯片工作的时钟信号。
[0014] 上述方案中，所述时钟源选择子模块被配置为以下四种工作模式：Run Mode模式： 各个模块的时钟门控根据需要设置CPCG1和CPCG2寄存器打开，对CAN、PWM、RTC等模块进 行单独门控；Idle Mode模式：系统停止内核时钟，并禁止WDT的时钟；Stop Mode模式：系 统停止内核时钟，禁止除RTC模块、低压检测模块、过温检测模块、P1外部中断模块以外所 有外设时钟；Debug Mode模式：系统处于调试模式，贝U禁止原来所有的时钟输出，原系统时 钟将被TCK所取代。
[0015] 在Run Mode模式下，第一级时钟门控对象--微控制器MCU内核以及外设总开 关的相应时钟使能有效，此时第二级时钟门控对象--各外设模块的时钟使能根据系统需 求能够单独设置为打开或者关闭；在Idle Mode模式下，第一级时钟门控对象中内核的时 钟关闭，而外设总开关的时钟打开，此时各外设模块时钟使能能够进行单独设置；在Stop Mode模式下，微控制器MCU内核和外设总开关的时钟都关闭，此时第二级时钟门控对象中 除实时时钟模块RTC(Real Time Counter)、低压检测模块LVD(Low Voltage Detect)、过温 检测模块 OPT (Over Temperature Protection)、PI 外部中断模块 INT〇-7(InterruptO_7) 以外所有外设时钟都关闭；在Debug Mode模式下，禁止原来所有的时钟输出，原系统时钟 将被TCK所取代，外部资源通过JTAG(Joint Test Action Group)接口访问内部存储器以 及对 CPU(Central Processing Unit)内核进行调试。
[0016] 上述方案中，所述10端口模块具有多个可配置的输入输出控制单元，包括Ρ〇，Ρ1， P2, P3四个并行端口，其中P0、P1只用作数字端口，P2、P3可选择作为数字或者模拟端口， 模拟端口用于多通路ADC的1-16路模拟输入，P1支持8路外部中断复用。该微控制器采 用翻转速率和驱动强度控制的方法对10端口模块进行EMC特性的加固，对于每一组通用P 口，都有对应的翻转速率和驱动强度控制寄存器。
[0017] (三）有益效果
[0018] 从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
[0019] 1、本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，对多模式 时钟产生模块和10端口模块进行改进，将时钟门控的方法应用于多模式时钟产生模块，采 用翻转速率和驱动强度控制的方法对10端口模块进行电磁兼容特性的加固，有效地改善 了汽车电子控制系统电磁兼容特性。
[0020] 2、本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，具有结构 简单、适用性强的特点。
[0021] 3、本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，应用于汽 车电子MCU的时钟以及端口部分的配置功能丰富，根据系统需要配置成不同工作模式和使 用特性，可以对每个单独外设时钟进行门控设置，在端口上集成了开漏设置、上拉下拉、数 字/模拟功能复用、中断复用以及EMC特性控制等功能，具有较高的灵活性和可配置性。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是目前常用的汽车电子控制系统的微控制器的结构示意图；
[0023] 图2是本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器的结 构示意图；
[0024] 图3是图2中多模式时钟产生模块的结构示意图；
[0025] 图4是图2中多模式时钟产生模块的时钟源选择子模块的示意图；
[0026] 图5是图2中多模式时钟产生模块的时钟门控子模块的示意图；
[0027] 图6是图2中增强型10端口模块的结构示意图；
[0028] 图7是PLL模块的基本结构示意图；
[0029] 图8是翻转速率原理的示意图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。
[0031] 本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，同时采用以 下两种改进方案对图1所示的现有汽车电子控制系统的微控制器进行改进，一种是针对多 模式时钟产生模块（MCG)进行时钟门控的设计，保证在不同工作模式下进行内核与外设的 两级时钟门控设置，将未用到的冗余功能模块的时钟关闭，对应的逻辑资源停止工作，从而 降低由于这些额外部分带来的电磁干扰EMI ;另一种是针对10端口模块进行降低并有效控 制电磁干扰（EMI)的设计，采用翻转速率和驱动强度控制的方法，有效地控制瞬态电流的 变化强度，使得微控制器芯片对外的电磁干扰（EMI)强度降低，并且由于施密特触发器的 引入也提高了电磁抗扰度（EMS)的能力。
[0032] 如图2所示，图2是本发明提供的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微 控制器的结构示意图，该微控制器是对多模式时钟产生模块和10端口模块进行改进，将时 钟门控的方法应用于多模式时钟产生模块，采用翻转速率和驱动强度控制的方法对10端 口模块进行电磁兼容特性的加固，有效地改善了汽车电子控制系统电磁兼容特性。
[0033] 在抗电磁干扰方面，基于Run、Idle、Stop、Debug四种工作模式，增加多模式时钟 产生模块MCG，根据模式需求更好了利用门控技术，对系统时钟进行管理。此外，也对10 端口模块进行改进，加入一些控制寄存器，对电磁兼容特性上考虑，引入了翻转速率（slew rate)和驱动强度（drive strength)控制寄存器，具体如图2所示。
[0034] 在对多模式时钟产生模块进行设计时，采用时钟门控技术，可以在Run、Idle、 Stop、DebUg四种工作模式下，通过时钟使能信号对第一级的门控对象--内核和外设总开 关进行时钟信号的打开或者关闭操作，第二级的门控对象为各个外设功能模块，可以根据 工作模式需要对各自时钟信号进行打开或者关闭，也可以通过配置相应的寄存器对各个功 能模块的时钟进行独立的使能操作。
[0035] 在Run模式时，第一级的门控对象的时钟打开，第二级的门控对象的时钟根据使 用需求可以灵活配置；在Idle模式时，内核时钟关闭，而外设总开关的时钟打开，可以单独 设置各个外设模块的时钟使能信号；在Stop模式时，内核和外设总开关的时钟都关闭，除 RTC、LVD、0PT、P1外部中断INT0-7以外所有外设时钟都关闭；在Debug模式时，关闭原来所 有时钟输出，用TCK时钟取代，可以通过JTAG接口进行访问并对CPU内核进行调试。
[0036] 在对10端口进行设计时，采用了翻转速率和驱动强度控制的方法。由于翻转速率 直接影响到瞬态电流的变化强度，通过对所有P 口配置相应的翻转速率控制寄存器，在不 影响功能要求时打开对应端口的翻转速率控制使能位，可以有效降低翻转的速率，进一步 降低EMI电磁干扰的影响；由于驱动电流强度即决定着对外负载的大小，也对EMI电磁干扰 造成影响，在能够满足外界负载驱动电流要求时（若不满足换成强驱动），通过配置各个端 口的驱动强度控制寄存器，对相应引脚进行弱驱动的设置。
[0037] 如图3所示，图3是图2中多模式时钟产生模块的结构示意图。多模式时钟产生模 块管理片上时钟资源，从图2中看到多模式时钟产生模块可以对内核的时钟信号进行独立 控制，也可以通过SFR总线对各个外设功能（如CAN、PWM等）进行单独门控。芯片中时钟产 生模块支持多种模式的时钟选择，包括外部时钟旁路PLL、外部时钟PLL倍频、内部振荡器 旁路PLL、内部振荡器PLL倍频以及具有时钟失锁检测特性，如图4所示。在完整全局时钟 管理的同时，时钟产生模块需要根据系统的工作模式对各个模块的时钟进行门控管理，图5 是MCG门控部分的结构图。
[0038] 本发明将时钟门控的方法应用于多模式时钟产生模块，该多模式时钟产生模块包 括时钟源选择子模块和时钟门控子模块，如图4和图5所示，时钟源选择子模块用于选择系 统时钟信号，可由外部振荡器或者PLL倍频作为输入；时钟门控子模块根据系统工作模式 的不同将内核和外设总开关的时钟使能信号enable_clk_core与enable_clk_peripheral 进行第一级控制，外设中各个功能模块时钟使能信号（如图5,如enable_clk_can)进行第 二级控制，保证在每一种工作模式下系统即满足功能要求又能改善EMC特性。
[0039] 其中，时钟源选择子模块在系统上电复位后以外部振荡器时钟作为内部时钟，经 过程序配置PLL寄存器，当振荡器稳定后，可将时钟切换为片内PLL时钟。片内PLL时钟可 由片外高精度时钟振荡器输入时钟或由片内8MHz RC振荡器作为时钟输入源，经过PLL倍 频后产生用于芯片工作的时钟信号。
[0040] 通过设定四种工作模式，即Run Mode、Idle Mode、Stop Mode、Debug Mode来实现 时钟源选择子模块的功能配置：
[0041] (l)Run Mode模式：各个模块的时钟门控根据需要设置CPCG1和CPCG2寄存器打 开，可以对CAN、PWM、RTC等模块进行单独门控；在Run Mode模式下，第一级时钟门控对 象--微控制器MCU内核以及外设总开关的相应时钟使能有效，此时第二级时钟门控对 象--各外设模块的时钟使能根据系统需求可以单独设置为打开或者关闭；
[0042] (2) Idle Mode模式：系统停止内核时钟，并禁止WDT的时钟；在Idle Mode模式 下，第一级时钟门控对象中内核的时钟关闭，而外设总开关的时钟打开，此时各外设模块时 钟使能可以进行单独设置；
[0043] (3)Stop Mode模式：系统停止内核时钟，禁止除RTC模块、低压检测模块、过温 检测模块、P1外部中断模块以外所有外设时钟；在Stop Mode模式下，微控制器MCU内核 和外设总开关的时钟都关闭，此时第二级时钟门控对象中除实时时钟模块RTC (Real Time Counter)、低压检测模块LVD(Low Voltage Detect)、过温检测模块0PT(0ver Temperature Protection)、PI外部中断模块INTO-7 (Interrupt〇-7)以外所有外设时钟都关闭；
[0044] (4)Debug Mode模式：系统处于调试模式，则禁止原来所有的时钟输出，原系统时 钟将被TCK所取代；在Debug Mode模式下，禁止原来所有的时钟输出，原系统时钟将被TCK 所取代，夕卜部资源可以通过JTAG(Joint Test Action Group)接口访问内部存储器以及对 CPU(Central Processing Unit)内核进行调试。
[0045] 在具体应用中，图3所示的多模式时钟产生模块的硬件部分包含各个外设模块的 门控时钟配置寄存器CPCG1和CPCG2,这两个寄存器涉及外设功能模块的时钟使能位，可以 对每个外设模块的时钟使能位进行单独配置，从而将各自模块的时钟关闭或者打开，多模 式时钟产生模块的寄存器列表详情，请参阅表1。
[0046] 表1是多模式时钟产生模块的寄存器列表。
[0047]
【权利要求】
1. 一种用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特征在于，该微控制 器是对多模式时钟产生模块和10端口模块进行改进，将时钟门控的方法应用于多模式时 钟产生模块，采用翻转速率和驱动强度控制的方法对10端口模块进行电磁兼容特性的加 固。
2. 根据权利要求1所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述多模式时钟产生模块用于管理片上时钟资源，对内核的时钟信号进行独立控 制或者通过SFR总线对各个外设功能进行单独门控。
3. 根据权利要求2所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述多模式时钟产生模块支持多种模式的时钟选择，包括外部时钟旁路PLL、外部 时钟PLL倍频、内部振荡器旁路PLL、内部振荡器PLL倍频以及具有时钟失锁检测特性。
4. 根据权利要求2所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述多模式时钟产生模块包括时钟源选择子模块和时钟门控子模块，时钟源选择 子模块用于选择系统时钟信号，由外部振荡器或者PLL倍频作为输入；时钟门控子模块根 据系统工作模式的不同将内核和外设总开关的时钟使能信号enable_clk_core与enable_ clk_peripheral进行第一级控制，外设中各个功能模块时钟使能信号进行第二级控制，保 证在每一种工作模式下系统即满足功能要求又能改善EMC特性。
5. 根据权利要求4所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述时钟源选择子模块在系统上电复位后以外部振荡器时钟作为内部时钟，经过 程序配置PLL寄存器，当振荡器稳定后，将时钟切换为片内PLL时钟。
6. 根据权利要求5所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述片内PLL时钟由片外高精度时钟振荡器输入时钟或由片内8MHz RC振荡器作 为时钟输入源，经过PLL倍频后产生用于芯片工作的时钟信号。
7. 根据权利要求4所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述时钟源选择子模块被配置为以下四种工作模式： Run Mode模式：系统处于正常模式，各个模块的时钟门控根据需要设置CPCG1和CPCG2 寄存器打开，对控制器局域网络（Controller Area Network, CAN)、脉冲宽度调试（Pulse Width Modulation，PWM)、局部互联网络（Local Interconnect Network，LIN)等模块进行 单独门控； Idle Mode模式：系统处于闲置模式，内核时钟停止，并禁止WDT的时钟； Stop Mode模式：系统处于停止模式，内核时钟停止，禁止除RTC模块、低压检测模块、 过温检测模块、P1外部中断模块以外所有外设时钟； Debug Mode模式：系统处于调试模式，则禁止原来所有的时钟输出，原系统时钟将被 TCK所取代。
8. 根据权利要求7所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于， 在Run Mode模式下，第一级时钟门控对象--微控制器MCU内核以及外设总开关的相 应时钟使能有效，此时第二级时钟门控对象--各外设模块的时钟使能根据系统需求能够 单独设置为打开或者关闭； 在Idle Mode模式下，第一级时钟门控对象中内核的时钟关闭，而外设总开关的时钟打 开，此时各外设模块时钟使能能够进行单独设置； 在Stop Mode模式下，微控制器MCU内核和外设总开关的时钟都关闭，此时第二级时 钟门控对象中除实时时钟模块（Real Time Counter，RTC)、低压检测模块（Low Voltage Detect，LVD)、过温检测模块（Over Temperature Protection，OPT)、P1 外部中断模块 (Interrupt〇-7, INTO-7)以外所有外设时钟都关闭； 在Debug Mode模式下，禁止原来所有的时钟输出，原系统时钟将被TCK所取代，外部资 源通过调试接口（Joint Test Action Group, JTAG)访问内部存储器以及对CPU内核进行 调试。
9. 根据权利要求1所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其特 征在于，所述10端口模块具有多个可配置的输入输出控制单元，包括P〇, Pl，P2, P3四个并 行端口，其中P〇、P1只用作数字端口，P2、P3可选择作为数字或者模拟端口，模拟端口用于 多通路ADC的1-16路模拟输入，P1支持8路外部中断复用。
10. 根据权利要求9所述的用于改善汽车电子控制系统电磁兼容特性的微控制器，其 特征在于，该微控制器采用翻转速率和驱动强度控制的方法对10端口模块进行EMC特性的 加固，对于每一组通用P 口，都有对应的翻转速率和驱动强度控制寄存器。
【文档编号】G06F9/22GK104123117SQ201310154412
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2013年4月28日 优先权日:2013年4月28日
【发明者】王海欣, 于梦溪 申请人:中国科学院微电子研究所