基于MC9S12XS128的單片機開發(fā)板的設計

摘要：針對“飛思卡爾”杯全國大學生智能車邀請賽，設計了基于MC9S12XS128(飛思卡爾專用芯片)的單片機開發(fā)系統(tǒng)，在此給出主要硬件電路和軟件設計流程。為驗證該系統(tǒng)可靠性，設計了4×4矩陣鍵盤鍵號的識別與數(shù)碼管顯示電路。實際應用結(jié)果表明，此開發(fā)板的應用大大提高了智能車開發(fā)效率。同時可為大學本科學生學習嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及為汽車電子行業(yè)工程師提供良好的開發(fā)平臺，具有較高的實用性和推廣價值。
關鍵詞：飛思卡爾；MC9S12XS128；CAN總線；矩陣鍵盤

0 引言
    “飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽是以迅速發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個交叉學科的科技創(chuàng)意性比賽，該項目由大賽組委會統(tǒng)一提供車模，利用指定的微控制器作為核心控制單元，各參賽隊伍在此基礎上自主進行系統(tǒng)設計，完成智能車的制作，使其能夠在專門設計的跑道上自動識別道路，并以最高速度行駛。此項賽事旨在加強大學生的創(chuàng)新意識、團隊合作精神和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。本文設計了基于MC9S12XS128(飛思卡爾指定芯片)的單片機開發(fā)系統(tǒng)，為即將參加此項競賽的同
學提供學習平臺。實際應用結(jié)果表明，此項開發(fā)板的應用大大提高了大學生制作智能車的開發(fā)效率。

1 系統(tǒng)硬件設計
    MC9S12XS128單片機開發(fā)板由MC9S12XS128單片機最小系統(tǒng)、電源模塊、CAN／LIN總線接口、USB轉(zhuǎn)串口、標準異步串行接口、MAX 485通信接口、4×4矩陣鍵盤鍵號的識別與顯示電路(包括數(shù)碼管和液晶顯示接口)和電機驅(qū)動接口組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1．1 電源模塊設計
    此開發(fā)板上提供2種輸出電壓，分別為5 V和12 V，輸出的12 V電壓可以通過LIN總線接口外接，同時提供2種電壓輸入方式，通過公用一個電源插頭給此開發(fā)板送入5 V或12 V電壓，當輸入5 V電壓時，開關s，需打到5 V檔上，板內(nèi)芯片ST662將5 V的電壓轉(zhuǎn)換為12 V電壓，給需要12 V電壓的模塊供電。當選擇使用輸入12 V電壓給開發(fā)板供電時，開關S1需打到12 V檔上。此供電系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。

1．2 CAN總線與LIN總線設計
    TJA1041高速CAN收發(fā)器通過接頭與MC9S12XS128的CAN總線引腳相連?？紤]到CAN總線的不常使用，和功耗比較大，所以系統(tǒng)不但設計了這2種總線接口，為了方便又設計了J-CAN-SELECT接頭和J-LIN-Selector接頭。當使用CAN總線時，用跳線帽把J-CAN-SELECT接頭選通，當使用LIN總線時，用跳線帽把J-LIN-SELECT接頭選通。CAN總線原理圖(LIN總線原理圖略)如圖3所示。

1．3 通信接口設計
    文中采用單片機與PC機之間的異步通信模式，將單片機看成另外一個PC機，只需3根線：發(fā)送線，接收線和固定公地線。由于MC9S12XS 128內(nèi)部集成有2個串口控制器，可以選用其中一個作為RS 232串口使用，另外一個作為485總線的控制器。單片機內(nèi)部TTL電平與RS 232信號電平之間的電平轉(zhuǎn)換選用MAXIM公司的MAX 232芯片。串口和485接口原理圖如圖4所示。

    其中PS1為對應的單片機上串行控制接口0的發(fā)送端，PS0為接口0的接收端。另外為了方便應用，設計了USB轉(zhuǎn)串口電路，原理圖如圖5所示。由于MC9S12XS128內(nèi)部只集成有2個SCI控制器，所以USB轉(zhuǎn)串口，串口，LIN，485四種通信接口需要公用2個SCI控制模塊：串口與USB轉(zhuǎn)串口公用SCI0，485與LIN公用SCI1。USB協(xié)議轉(zhuǎn)換成串口通信協(xié)議選用PL2303芯片。

1．4 直流電機驅(qū)動電路
    直流電機驅(qū)動電路采用組委會推薦的專用電機驅(qū)動芯片MC33886，驅(qū)動電路如圖6所示。其中，V1+接電池正極；VCC接系統(tǒng)+5 V；OUT+和OUT2-接直流電機；IN1和IN2控制MC33886輸出不同的值。

1．5 矩陣鍵盤按鍵識別
    在MC9S12XS128單片機的I／O口設計4×4行列式鍵盤，采用程序掃描識別鍵號，當有按鍵按下時，其鍵號顯示在共陰極LED數(shù)碼管上。其電路如圖7所示。在鍵盤的按鍵識別中通常采用“行掃描法”(逐行或列)掃描查詢法。判斷鍵盤中有無鍵按下時，將列線PT0～PT3置為輸出，將其中一條線置低電平其余3條線輸出高電平，然后檢測行線的狀態(tài)。只要有一行的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵為被拉低的低電平行線與4根列線中低電平線相交叉的對應按鍵。若判斷所有行線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下(具體可用查表的方法)。
    但是此種方法單片機需要通過不停的掃描查詢，方可準確的檢測到按鍵值?？紤]到PP口有中斷功能所以可將這4個口設置成中斷的模式來獲得按鍵值，本設計中是將拉高的4位通過一個與門接到單片機的帶中斷的引腳上，這樣當任意鍵按下時就會產(chǎn)生低電平發(fā)生中斷，這時單片機再進行按鍵判斷，從而無需一直查詢，減少了MCU的負荷量。
    數(shù)碼管顯示電路采用共陰極使用兩個鎖存器74HC573分別接到PORTA口和PORTB口來實現(xiàn)。也可應用液晶顯示接口：1602和12864接口顯示。

2 系統(tǒng)軟件設計
    系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，由于存在鍵盤陣列、數(shù)碼管顯示和液晶顯示，它可以完成較多的常規(guī)實驗項目。如LED流水燈實驗、基于PWM控制的蜂鳴器實驗、數(shù)碼管驅(qū)動、鍵盤驅(qū)動、1602液晶驅(qū)動、ATD轉(zhuǎn)換等多個實驗；還可以進行目前工業(yè)控制所常用的通信試驗，如串口，IIC，CAN，LIN，485總線實驗，基本具備單片機開發(fā)工業(yè)控制系統(tǒng)的能力。下面以電子鐘為例來介紹其軟件設計思想。
    在電子鐘設計中對于時間的產(chǎn)生，選擇PIT0，即對周期中斷定時器0做初始化，使其每隔1 ms產(chǎn)生1次中斷，定義4個變量分別為：毫秒，秒，分，時，然后在中斷服務程序中根據(jù)這4個變量在實際中的關系更新這4個變量。在主程序中判斷鍵盤按鍵值和進行時間顯示，這里定義3個鍵值：1，2，3。軟件程序流程圖如圖8所示。

3 結(jié)語
    本套單片機開發(fā)板為即將參加“飛思卡爾”競賽的學生提供了一個靈活高效的學習平臺，同時可為大學本科學生學習嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及為汽車電子行業(yè)工程師提供良好的開發(fā)平臺，具有較高的實用性和推廣價值。