关于S32K系列汽车级MCU,NXP工程师给出的10个小tips

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S32K144是NXP推出的基于ARM Cortex-M4F内核的汽车级通用MCU系列S32K1xx的第一颗高性能单片机。本文首先简要介绍S32K系列MCU的内核和片上资源信息,然后列出S32K软件开发和硬件设计FAQ,供大家参考。
S32K系列MCU概览

S32K1xx是S32K系列MCU的第一代产品,其中S32K11x系列的内核是ARM Cortext M0+,其是之前2014年8月份量产的KEA系列MCU的升级产品,相对于KEA,其CAN的IP从之前的MSCAN升级到FlexCAN,并且支持BOSCH最新的CAN-FD,大大提高了CAN总线的通信带宽,另一个特点是增加了4个通道的eDMA,可以完成外设与内存之间的数据搬移,减轻CPU负担,提高了MCU的系统处理能力,此外存储器管理增加了MPU——存储器保护单元,并且RAM和Flash可以支持到最大24KB和256KB。

S32K14x系列的内核是ARM Cortex-M4F,带DSP指令集和单精度浮点数处理单元(FPU), 且最高频率可运行到112MHz,其计算性能大大提高,能够提供相对于150MHz的PowerPC e200z4内核的计算能力,其CAN最多支持3个FlexCAN,且全部支持CAN-FD(S32K148),RAM和Flash也最大支持到256KB (RAM) 和2MB (Flash),管脚封装支持LQFP-64至最多LQFP-176,外设ADC具有两个独立的12-bit精度SAR型ADC模块(每个模块16个通道,总共32个通道),支持FlexIO以及硬件加密模块CSEc,以及更加丰富的定时器timer模块、S32K148还扩展了以太网(ENET)、QSPI(支持外扩NOR Flash,支持线性地址映射,本地代码执行),ETM Trace(高级调试跟踪功能),以及串行音频接口(SAI)的支持,极大的丰富了外设接口和功能扩展性。
      
S32K1xx系列MCU支持功能安全ISO-26262 ASIL-B等级,NXP提供安全手册(Safety Manual)和FMEDA以及安全支持帮助客户实现未来汽车电子产品对功能安全的要求。
      
此外,S32K1xx系列MCU提供了免费的软件开发集成环境——S32DS for ARM,以及集成Processor Expert的图像化配置外设底层驱动(LLD)的软件开发套件(SDK),让用户可以快速熟悉使用本系列MCU,并快速完成产品原型验证,大大缩短了产品的开发周期,满足汽车电子产品快速发展的市场需求。
      
1
S32K1xx系列MCU内核及外设资源

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2
S32K11x与S32K14x系列MCU对比

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S32K1xx与KEA MCU引脚兼容性

S32K1xx系列MCU与KEA系列之间的引脚兼容性如下表,相同的引脚封装可以做到pin-to-pin的兼容,当后期需要增加功能,扩大存储器时,可以实现无缝升级。此外S32K1xx系列与下一代S32K2xx系列也会做大引脚pin-to-pin兼容。

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S32K1xx的part number命名规则

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Tips
从part number的X位有对芯片工作最大频率的限制,如果该字母为M或者H的S32K14x part,意味着其不能运行112MHz的HSRUM模式。


a)关于运行模式和内核速度

S32K14x系列MCU有RUN、HSRU和VLPR等三种运行模式和STOP1/2与VLPS等三种低功耗模式,其相互转化状态机如下图:

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各种模式下可用的时钟源、系统/内核时钟、总线时钟和Flash时钟频率限制如下:

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注意:
HSRUN模式只有需要内核频率大于80MHz时才使用,低于等于80MHz是推荐使用RUN运行模式。
S32K14x系列MCU的内核Cortex-M4F要跑到112MHz的内核频率,必须将其配置为高速运行模式(HSRUN),且环境温度不能大于105°,该模式下不允许对Flash进行擦除和编程操作。
VLPR——Very Low Power RUN模式,限制系统/内核频率以及总线频率为4MHz,而Flash时钟为1MHz,其目的是系统长期工作在低功耗模式下,降低(周期性)唤醒时的功耗,从而进一步降低系统功能;该模式下不允许对Flash进行擦除和编程操作。

b)S32K1xx系列MCU的ADC模块使用

S32K1xx系列MCU的ADC模块与之前我们使用的S12系列MCU的ADC模块有所差异,如果单独使用ADC模块,则只能实现单通道软件触发采样,且都是通过ADC的状态和控制寄存器SC1A,配置ADCH选择具体的单次采用通道实现的,其采用结果也从ADC数据结果寄存器RA读取:

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要想实现单次触发多个通道采用则需要配合相应的PDB模块通过硬件触发的方式才能实现:

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c)关于片内集成的RTC模块

S32K1xx片内集成了带补偿功能的高精度(误差在0.12 ppm ~3906 ppm)的RTC——实时时钟模块,区别于以往S08/S12(X)以及KEA的RTI模块,其可以支持外部32.768KHz的有源晶振输入或者内部IRC (eg.128KHz LPO) 分频得到的1KHz LPO1K_CLK参考时钟作为参考时钟;其中外部32.768KHz的有源晶振输入能够提供足够的精度保证。

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Tips

S32K1xx的RTC模块仅支持外部有源32.768KHz晶振输入,不能支持无源32.768KHz晶振输入作为参考时钟。
其在最低功耗模式VLPS下是不能正常工作的(处于OFF状态),这也就意味着,在功耗低于1mA时Tips,S32K1xx的RTC时不能继续提供实时时钟的。

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软件开发工具支持及SDK使用

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支持的软件开发集成环境

NXP:S32DS for ARM v1.3/v2.0
ARM Keil:推荐V 5.20以上版本,通过Software Packs的方式实现对S32K系列MCU的支持: Keil Microcontroller Development Kit (MDK)
IAR System:推荐v 7.8以上版本(IAR Embedded Workbench for ARM)

Tips

S32DS NXP针对其最新32位汽车MCU的软件开发集成环境,是基于eclipse架构和GNU工具链(gcc编译器和链接器以及gdp调试软件)的免费工具,其他可以通过以上给出的官网链接下载,通过个人邮箱账号登录下载获取安装激活码;关于S32DS的使用,请关注我的微信公众号——“汽车电子expert成长之路”,阅读S32DS使用tips系列文章。

对于Keil的MDK,请下载5.20以上的版本,通过安装Software Packs实现对S32K系列MCU的正常,安装S32K的pack后,能够获取S32K系列MCU的启动文件、Flash算法文件、默认链接文件(分散加载文件)和SDK(RTM1.0版本)。

IAR是S32K系列MCU的AutoSARS MCAL默认支持的编译工具,所以如果用户想使用S32K系列MCU的AutoSARS MCAL开发应用程序,建议安装使用IAR Embedded Workbench for ARM。


2
支持的软件下载和调试器
 
调试器(debugger):
       PEmicro: U-Multilink/ U-Multilink[FX]
       Segger: J-Link V9.4及以上版本 + 软件J-Link V6.00d以上

编程器(programmer):
       PEmicro: Cyclone MAX/Cyclone universal / Cyclone universal [FX]

Tips

推荐客户使用低成本的J-Link调试器开发和调试S32K系列MCU,但一定切记,淘宝网购买J-Link时,买v9.4以上版本的J-Link,并安装使用最新的J-Link上位机软件(建议至少v6.00d以上版本)。如果使用J-Link v9及之前版本的J-Link(比如v7和v8),则无法识别S32K系列MCU,也不能在其上位机软件中找到S32K的算法文件;其J-Link硬件也不能通过更新固件的方式升级到V9.4以上版本。

推荐客户使用专业的Flash编程量产工具Cyclone MAX/Cyclone universal / Cyclone universal [FX]作为产线批量编程,以避免编程过程对S32K造成EOS损伤。

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SDK介绍及使用

S32K系列MCU提供的SDK——Software Development Kit是基于ARM的CMSIS (Cortex-M Microcontroller Software Interface Standard) 标准开发的,并可以通过Processor Expert图像化配置生成S32K系列MCU的内核外设底层驱动程序、启动文件和链接文件,其中还集成了LIN协议栈和FreeRTOS实时操作系统,方便用户快速上手,用户只需少量的精力和学习就可以完成外设底层驱动开发。

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SDK除了支持S32DS之外,还支持S32K的其他第三方软件开发工具,比如Keil的MDK和IAR或者Greenhill的MULTI IDE。
      
(SDK的软件虽然经过了相应的测试,并提供相应的测试报告和结果,但其具有免责协议,用户使用到实际的产品中时,还是需要做产品整体软件质量测试,才能保证产品的可靠性和稳定性)
      
Tips


a.不同的SDK版本之间可能存在差异,S32K144推荐使用SDK RTM 1.0版本,S32K142和S32K148等part只有SDK V0.8.4(S32DS for ARM v2.0 IDE安装包中自带的SDK)及以上版本才可以支持,具体每个SDK版本之间的差异和相对于上一版本的bug 修复,请参考其安装目录下的ReleaseNotes.pdf

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b.SDK集成了几乎所有外设底层驱动的demo工程用户可以通过S32DS新建工程的菜单栏File-->Create S32DS Project from Example导出到用户worksapce下参考学习。

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c.为了获得datasheet规范的ADC总不可调整(校准)误差——TUE = ±4LSB(Typical):

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需要在初始化ADC模块之后,调用ADC摸采集外部信号之前调用SDK中提供的自动校准函数:
void ADC_DRV_AutoCalibration(const uint32_t instance)

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d.S32K1xx的低功耗和工作运行模式切换通过调用SDK的Power_manager模块的POWER_SYS_SetMode()完成。

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硬件设计注意事项

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电源和复位电路设计

S32K系列MCU的系统电源管脚,每一个电源pin都需要加一个0.1uF的解耦合(decouple)电容,并且在PCB Layout时尽量靠近MCU电源管脚放置,以保证其内部电源能够稳定工作。

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S32K1xx系列MCU的外部复位管脚为低有效,其内部为开漏和若上拉,所以在设计其外部电路时,建议加一个4.7/10KΩ的上拉电阻为VDD且并联一个0.1uF的滤波电容以滤除偶发性的外部干扰,增强系统的抗干扰能力。

Tips

S32K1xx系列MCU的RESET管脚可以通过配置Flash选项寄存器(FTFE-FOPT,位于地址0x40D的Flash字节)控制其复位后默认的功能是复位管脚还是其他功能(PTA5H或者TCLK1)。

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若RESET_PIN_CFG = 0,则下次POR复位之后,RESET管脚的复位功能将被关闭,只能通过整片擦除(mass erase)并设置MDM-AP寄存器产生系统复位从而恢复。
晶振和时钟电路设计

S32K14x系列MCU支持4~40MHz的外部无源晶振或者50MHz以内的有源晶振作为系统PLL的参考时钟源:

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其中,使用外部无源晶振时,典型的电路连接如下图:

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Tips

a.需要根据选择的晶振,匹配相应的负载电容Cx和Cy(一般为若干pF)。

b.为了提高晶振电路的抗干扰能力,建议在时钟信号周围大面积铺地(也称作包地技术),在其附近不走高速数字信号以目标交叉干扰,并尽量靠近MCU时钟信号管脚放置晶振电路,越近越好。

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调试接口电路设计

S32K14系列MCU支持SWD和JTAG两种调试协议,而S32K11x系列MCU只支持SWD协议,所以为了兼容两种调试接口,推荐使用10-pin如下接口:

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相应的信号线外部上拉和下拉电阻(通常为10KΩ)连接如下:

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Tips

虽然MCU管脚内部有相应的内部上拉和下拉电阻,为了可靠还是强烈推荐用户在设计调试接口电路时加上外部的上拉和下拉电阻。

调试接口的信号走线尽量避免过长或过孔(因为调试时时钟信号最高可达25MHz),并进入靠近MCU放置,并远离ECU外壳对外接口的裸露空间区域,以提高EMC特性。

4
其他硬件电路设计及EMC考虑

在设计S32K系列MCU的ADC外部电路时,需要串联一个限流电阻RL,并设计一个RC滤波电路,其电容和电阻值的选取需要保证信号最大幅度变化时内部的设置的采样时间内内部采样电容能够完全反映外部信号的变化:

其内部等效电路及参数如下:

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Tips

更多S32K系列MCU的硬件设计指南请参考应用笔记:AN5426, Hardware Design Guidelines for S32K1xx Microcontrollers (REV 1)


参考文档

S32K14x Series Reference Manual (REV 4);
S32K1xx Data Sheet (REV 4)
AN5425, Power Management for S32K14x (REV 0)
AN5426, Hardware Design Guidelines for S32K1xx Microcontrollers (REV 1)
S32K144_0N57U Errata (REV 2)
S32K144_0N47T Errata (REV 1)
S32K14x Series Safety Manual (REV 3)
总结

S32K1xx系列MCU的第一颗LQFP-64及LQFP-100封装的S32K144(Cortex M4F内核、64KB SRAM、512KB Flash,集成3路FlexCAN (其中FlexCAN0支持CAN-FD、3路SPI和2个独立SAR 12-bit精度ADC)的part已经于今年6月份正式量产,目前已经有很多客户在评估和使用S32K144,后续S32K148、S32K142以及S32K11x都会陆续量产。

本文中介绍的S32K1xx系列MCU的功能介绍和SW/HW开发常见问题和设计使用Tips,希望能够帮助正在使用或者即将选择S32K的工程师加快产品开发和MCU选型速度。

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