本文导读

NXP推出的S32K3XX系列微控制器在电机控制方面具有丰富的外设资源，相比较上个系列S32K1xx来说，控制方式有明显的不同。S32K3xx微控制器通过eMIOS、LCU、BCTU和ADC等硬件外设对电机实现控制，显得更加灵活和方便。

NXP S32K3xx系列微控制器，相比较上个系列S32K1xx来说存在着诸多亮点，从主频，外设资源、安全等级以及安全加密等都有很大的提升。虽然S32K3是S32K1的升级版，但是很多外设以及功能实现方式却完全不同。单纯从电机控制方面来说，S32K3xx硬件外设eMIOS、LCU、BCTU和ADC的组合方式，相比较S32K1xx的FTM、PDB和ADC明显不同，对电机的控制更加灵活方便。

S32K3xx系列微控制器具有生成PWM、输入捕获和输出比较功能的eMIOS、可以自由灵活配置的小型FPGA外设LCU、专门为了方便控制ADC触发的BCTU和多路ADC通道。S32K3这些硬件资源足以对PMSM、BLDC和ACIM等电机进行控制。下面一起来了解S32K3xx eMIOS、LCU、BCTU和ADC外设的功能介绍。

eMIOS

eMIOS（Enhanced Modular IO Subsystem，增强型模块化IO子系统），该外设主要用于生成PWM、捕获外部信号和输出比较。eMIOS内部有计数总线机制，可以支持各通道使用不同的时钟频率计数，且每个通道都是独立，可以自由配置各种模式。
eMIOS通道可以配置的模式按照功能可以分类如下：

以S32K344举例，其具有3个eMIOS实例，每个emios实例具有24个通道，每个通道有四种通道类型（X、Y、G和H）区分，比如Y类型通道就只支持SAIC\ SAOC\ OPWMB\ OPWMT功能，其他通道类型支持的模式可以在用户手册自行查找。
但并不是所有模式只要一个通道配置成该模式，该模式功能就可以实现的。有些模式是需要用另一个通道配置成计数总线模式，用另一个通道给该模式提供时钟频率，该模式才可以正常工作。比如以OPWMT模式为例，手册规定OPWMT模式时钟必须是由MC或者MCB模式通道提供，所以就需要将一个通道配置成MC或者MCB模式去提供时钟，另一个通道配置成OPWMT模式才能起作用。

LCU

LCU(Logic Control Unit，逻辑控制单元)， LCU用于创建小型组合时序逻辑电路，该外设主要是与eMIOS或者SIUL2外设组合使用，将eMIOS生成的PWM或者SIUL2输入的电平经过LCU进行查表操作，从而输出对应的PWM或者电平。因为LCU可以理解为一个FPGA，其实现逻辑电路的灵活性也给电机控制提供了更多可能性。
一个LCU内部由3个LC组成，一个LC具有4个输入和4个输出，同时还具有强制控制功能，如图1所示。LC将输入的信号，通过查找表(LUT)产生输出信号，可以通过TRGMUX给到对应的外设，而查找表(LUT)就是LCU的核心内容，可由软件自由设置。用户可以使用LCU编程为与或非和异或等逻辑器件，也可以编程为S-R触发器，D触发器，JK触发器，增量编码器以及ACIM、PMSM和BLDC电机控制器。

图1  LCU内部框图

eMIOS+LCU组合使用

eMIOS和LCU的组合使用需要借助TRGMUX进行连接。以产生互补的PWM为例，如图2所示，eMIOS产生的PWM，通过TRGMUX连接到LCU其中一个LC的输入，LC内部进行查表，从而在LC的输出端产生一对互补的PWM波形。

图2 eMIOS和LCU组合使用

这上面只是eMIOS+LCU的一个应用，还可以有其他的应用方式，具体要根据实际场景进行使用。

ADC

S32K3XX系列微控制器ADC具有可选分辨率：8/10/12/14 bit，转化结果始终为15bit宽；在80MHz转化时钟下采样和转化时间约为1us，即高达1M samples/sec，且转化精度为+/-6LSB。

S32K3XX系列微控制器最多有3个ADC，每个ADC具有8个精密通道，16个标准通道，和最多支持32路外部通道，这三种通道的转化优先级顺序为：精密通道>标准通道>外部通道。其中精密通道和标准通道是实实在在可以在芯片引脚上可以找到复用引脚的，但外部通道却不一样，看手册描述一个ADC支持32路外部通道ADC，但看说手册发现一个ADC的外部通道输入引脚就只有4个，那么怎么支持32路外部通道呢？
每个ADC提供三个外部解码信号(“MA”)，用于从外部多路选择器选择一个通道（最多八个）输入到ADC的外部通道引脚，如图3所示。因为一个ADC有4个外部通道输入引脚，就可以有四个8通道数据选择器，所以最多连接32个外部通道。需要注意的是，ADCx_MA是格雷编码的，因此它不会从0到7连续计数，它计数顺序为0、1，3，2，6，7，5，4。

图3  ADC外部通道硬件实现框图

ADC支持三种转化模式：

• 正常转换：支持一次转换和连续转换。

• 注入转换：仅支持单次转换。注入转换可以在一组输入通道已经开始转化的过程中，注入另一组输入通道进行转换。

• BCTU转换：由BCTU外设触发ADC，每次触发运行一次转换，转化支持单一和列表转化。

BCTU

BCTU(Body Cross-triggering Unit)，BCTU外设可以理解就是为了方便控制ADC触发的外设。BCTU用于接收ADC转化请求触发输入，将请求路由到一个或多个ADC。BCUT触发源有三种方式：eMIOS定时器通道；TRGMUX输入和软件触发。BCTU具有多个并行转换功能，可以同时触发3个ADC同时进行转化，使用eMIOS同时触发ADC的框图如图4所示：

图4 BCTU同时触发多个ADC

并且，BCTU还具有对ADC通道有重复触发的功能，支持单个通道转化多次、单个触发产生一连串的转化、以及转化过程中暂停，等另一个触发过来再转化等功能，同时每个ADC具有两个FIFO来缓存ADC转化结果。

应用场景

如图5所示是S32K3xx外设硬件对带霍尔传感器的无刷直流电机BLDC的控制框图。

图5 S32K3xx对BLDC的控制框图

图中①路径是通过“eMIOS-TRGMUX-LCU”输出六路三相PWM，从而给到三相无刷电机预驱动器对电机进行控制；

图中②路径是通过“TRGMUX-LCU-TRGMUX-eMIOS”获取霍尔传感器的速度，通过TRGMUX和LCU结合，实现了根据霍尔信号硬件自动换向的，无需内核的干预。
图中③路径是通过“eMIOS-BCTU-ADC”或者eMIOS重装载时通过“EMIOS-TRGMUX-BCTU-ADC”触发ADC采集外部电压。

RX66T作为RX62T/RX62G/RX63T的后续产品于2018年11月推出，是一款适用于逆变器控制的产品。以RX66T为代表的RX-T系列主要用于空调外机和工业逆变器，在逆变器控制领域享有较高的评价。近年来，还广泛用于UPS、太阳能逆变器和EV充电器等电源控制应用中。——Kohei Aida（Senior Manager, Product Marketing）

瑞萨通过不断向社会推出符合客户需求的优质产品，为客户的创新做出了贡献。

这一次，某RX长期客户要求我们为高性能单电机控制提供最佳器件方案，用于下一代平台。从高性能和高功能的角度来看，RX66T是非常理想的候选方案，但本项目需要小型封装（48pin），以便将部件布置到现有的有限空间中，而RX66T最小的封装阵容只能达到64pin。因此，在客户需求的推动下，我们开发了RX66T的48pin产品。

关于RX-T系列的更多资料请复制以下链接到浏览器中打开查看：

RX66T/RX72T主要特征

• CPU/Accelerator性能

• 定时器功能单元

• 模拟功能单元

• 功能安全

接下来我将具体说明关键特性。首先是CPU及加速器性能。

01、RX CPU内核一览

• RXv3 CPU内核以5.8 CoreMark®/MHz提供业界领先的性能

• 32位RX MCU满足电机控制和工业应用所需的实时性能和增强稳定性

RX66T RX72T采用了最新的32位CISC架构的RXV3内核。RXV3内核的处理能力达到了业界领先的5.8coremark/Mhz，采用了5级流水线作业、标配DSP指令、FPU浮点数单元等等。

02、超越其他32位MCU性能的RX66T/RX72T

• RX66T性能高达928CoreMark，RX72T更是高达1160CoreMark的业界领先性能

• 业界领先的MCU配合5V工作电压，特别适合高性能的电机控制系统

CM4：Cortex-M4

CM7：Cortex-M7

*Based on nominal values by EEMBC and each company

03、REGISTER BANK SAVE功能 [RX72T]

提升对紧急事件的响应速度

• 通过加速对寄存器存取，提升响应速度

• 专有的Save Register bank

• 只有SAVE和RSTR指令可以访问Save Register bank

• Save Register bank的数量：16 in RX72T

• 减少响应时间，高效处理程序

  save：1 cycle，restore：3-6 cycle

相对于传统的中断响应，采用缓存寄存器单元后可将响应时间减少一半以上。

04、三角函数数学运算单元（TFU）[RX72T]

提供快速/固定周期的操作：sinf&cosf x2.5～x5.6, atan2f x8.7～x13.9

此结果是CC-RX V3.01测量的参考值，这不是详尽的输入值。

RX72T还加入了三角函数硬件单元TFU。相对于查表方式的运算，TFU单元可将sin cos数学运算速度提升2.5~5.6倍，开方运算速度提升8.7~13.9倍。对于FOC等复杂的算法，可以起到非常大的帮助。

05、MTU/GPT定时器功能一览

通过两个定时器单元（MTU3，GPT）支持多种控制方式，减少软件负担

RX66T RX72T里面有多个timer单元。其中比较重要的是MTU3和GPTW。

两个timer单元MTU3和GPT支持多达17种的控制功能，比如三相互补PWM输出、左右不对称互补输出、死区时间控制、高分辨率PWM输出、输出保护功能、编码器输入计数等等，可以满足电机控制中的各种特定需求。

06、丰富的模拟功能（ADC，Comparator，PGA）

增强的模拟功能单元，易于使用！

PGA：programmable gain amp

S/H：sample&hold

RX66T RX72T配备有丰富的模拟功能

1）独立的3个12位ADC单元，其中两个单元支持三路采样保持功能，非常适合多电机的控制。

2）3通道同步采样保持电路，可实现对3路信号的同步连续采样，减少ADC转换时间。

3）内置运算放大器可支持单端输入和伪差分输入模式。伪差分输入模式支持负端输入，可减少共模噪声的干扰。

4）此外还内置了比较器和12位DAC模块。

07、安全功能

RX66T RX72T提供了工业级的高安全性功能

1）加入了Trusted memory来实现对flash空间的保护。

2）在加密功能方面，配备了硬件加密电路TSIP-LITE，支持AES、真随机数校验。同时还加入了芯片唯一ID号。

3）为防止外部非法访问，加入了ID CODE保护，ROM code保护等机制，有效防止编译器等非法访问，防止盲拷贝的风险。

4）访问保护方面，加入了寄存器写保护和内存保护单元，从而防止重要的寄存器或内存被非法篡改，防止程序跑飞。

王雅洁，高级工程师，汽车数字产品营销部，汽车解决方案事业部，瑞萨电子有限公司

由于全球各地的环保监管日趋严格，汽车电气化趋势加快了混合动力汽车（HEV）的发展，电机独立控制和同步工作变得更加复杂。为了满足要求，需要处理高通信负荷并进行更多诊断工作，以达到目标ASIL安全等级。显然，优化这些工作的解决方案是将多个逆变器控制系统集成到一个ECU中，由单个高度专业化MCU进行操作。

按照这样的概念，多个逆变器控制环路之间的同步可在一个控制器内部实现，从而实现高通信带宽和低延迟。此外，由于选择了符合ASIL标准的目标器件，诊断和功能安全的实现将变得更加简单。集成解决方案的另一大优点是高度优化的物料清单（BOM），它可减小元器件所占空间，这对于整体系统的概念设计而言都是非常受欢迎的。

瑞萨RH850/C1M-Ax微控制器（MCU）提供了用于电力驱动的新一代逆变器，适合成本高度优化的ASIL-C汽车驱动电机控制系统。这款MCU的关键特性有利于降低整体系统成本。这些特性包括：

● 嵌入式电机控制IP（EMU3），可以降低CPU负载并实现更多功能集成；

● 嵌入式旋转变压器数字转换器（RDC），可以减少元器件数量并减少占用PCB空间；

● 这款MCU可以连接多种类型的位置传感器，例如旋转变压器和电感式传感器。

瑞萨电子为RH850/C1M-A2推出的“易于入门计划”包括提供样例、硬件入门套件、所需的文档、MCAL以及其他应用相关软件，让用户能够在线评估此产品解决方案。