新學(xué)習(xí)隊(duì)員章綜合應(yīng)用實(shí)例

《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》MC9S12XS單片機(jī)原理

及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)合肥工業(yè)大學(xué)張陽(yáng)，吳曄，滕勤Email：，，TEL：，《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》第13章

綜合應(yīng)用實(shí)例概述綜合應(yīng)用實(shí)例1綜合應(yīng)用實(shí)例2綜合應(yīng)用實(shí)例3綜合應(yīng)用實(shí)例4

《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.1概述

循跡智能車系統(tǒng)是多個(gè)學(xué)科知識(shí)的綜合應(yīng)用，該系統(tǒng)以MC9S12XS128為控制核心，通過(guò)路徑檢測(cè)、電動(dòng)機(jī)控制等各功能模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)最短時(shí)間的循跡功能，智能車必須具備較快的運(yùn)行速度和較高的穩(wěn)定性。前面章節(jié)主要介紹了MC9S12XS128中各模塊的原理及應(yīng)用，結(jié)合簡(jiǎn)單實(shí)例介紹了各模塊的程序設(shè)計(jì)方法。本章介紹4個(gè)綜合應(yīng)用實(shí)例，每個(gè)實(shí)例需要應(yīng)用微控制器中的多個(gè)模塊才能解決某個(gè)問(wèn)題，有助于讀者掌握綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的方法，也為智能車系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了有益借鑒。

注：因本章各綜合應(yīng)用代碼都比較長(zhǎng)，所以，幻燈中不再放置代碼內(nèi)容，請(qǐng)讀者參考電子檔源程序。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1

綜合應(yīng)用實(shí)例1主要功能：使用MC9S12XS128中的PIT模塊完成4s精確定時(shí)，當(dāng)4s定時(shí)時(shí)間到時(shí)，啟動(dòng)AD模塊完成2路模擬信號(hào)采樣，使用Nokia5110液晶顯示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果，并應(yīng)用SCI模塊，通過(guò)RS-232串口將轉(zhuǎn)換結(jié)果同步發(fā)送給PC，用戶在PC上利用串口調(diào)試軟件，能夠?qū)崟r(shí)顯示采樣數(shù)據(jù)?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.1系統(tǒng)組成

圖13.1是綜合應(yīng)用實(shí)例1的系統(tǒng)組成框圖，反映了實(shí)例1中需要使用到的MCU各功能模塊，以及與外設(shè)之間的連接，下面將簡(jiǎn)要介紹實(shí)例1中各部分應(yīng)用設(shè)計(jì)?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.2A/D輸入接口

圖13.2中的R_AD0和R_AD1是2個(gè)1k電位器，電位器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)0～5V模擬電壓輸出，將電位器可調(diào)端連接到AD模塊的通道0和通道1，AD轉(zhuǎn)換模塊參考電壓為5V。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.3顯示接口 Nokia5110液晶顯示屏是84×48點(diǎn)陣LCD模塊，可顯示4行漢字；使用串行接口與主處理器通信，支持多種串行通信協(xié)議（如SPI總線、MCS51的串口模式0等），傳輸速率高達(dá)4Mbps；可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無(wú)等待時(shí)間。液晶模塊實(shí)物如圖13.3所示?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.3顯示接口 MC9S12XS128與Nokia5110接口連接參見(jiàn)表13-1和圖13.4，其中5110液晶模塊中的引腳OSC為外部時(shí)鐘輸入，若使用片內(nèi)振蕩器該引腳接VCC；引腳VOUT為L(zhǎng)CD模塊電路供電，需外接一個(gè)0.1～10uF電容；引腳VCC為工作電源輸入（3.3～5V）。MCU引腳PM0驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED作為L(zhǎng)CD背光功能使用?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.3顯示接口《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.4通信接口

通信接口利用SCI模塊經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232A，實(shí)現(xiàn)與PC的RS-232串口通信，詳細(xì)信息請(qǐng)讀者查閱本書第11章?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.5應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本小節(jié)內(nèi)容不再詳細(xì)列出，請(qǐng)讀者參考電子檔源程序?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.2綜合應(yīng)用實(shí)例1 13.2.6軟件流程圖

綜合應(yīng)用實(shí)例1的程序流程如圖13.5所示《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2

綜合應(yīng)用實(shí)例2主要功能：使用MC9S12XS128中的SPI模塊對(duì)MircoSD卡進(jìn)行讀/寫操作，并應(yīng)用SCI模塊將寫入到MircoSD卡的數(shù)據(jù)，通過(guò)RS-232串口同步發(fā)送給PC，用戶在PC上利用串口調(diào)試軟件，檢查寫入SD卡的數(shù)據(jù)?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.1系統(tǒng)組成

圖13.6是綜合應(yīng)用實(shí)例2的系統(tǒng)組成框圖，以下簡(jiǎn)要介紹實(shí)例2中各部分應(yīng)用設(shè)計(jì)。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.2MircoSD卡接口 MicroSD卡是一種標(biāo)準(zhǔn)快閃存儲(chǔ)器卡。MicroSD卡和SD卡傳輸原理、引腳定義完全相同，只是接口外形尺寸不同。MicroSD卡具有低功耗、非易失性、保存數(shù)據(jù)無(wú)須消耗能量等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于GPS設(shè)備、便攜式音樂(lè)播放器、數(shù)碼相機(jī)和許多快閃存儲(chǔ)器設(shè)備。MircoSD卡實(shí)物如圖13.7所示。

《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.2MircoSD卡接口 MircoSD卡支持兩種數(shù)據(jù)傳輸模式：SPI總線和SD總線傳輸模式。盡管SPI傳輸模式下的MircoSD卡工作效率和傳輸速率都沒(méi)有SD總線傳輸模式下的高。但SPI傳輸模式下的MircoSD卡協(xié)議簡(jiǎn)單易用，兼容性好，外圍電路簡(jiǎn)單，且MCU往往只有SPI接口而沒(méi)有SD總線接口。利用MC9S12XS128中SPI模塊，設(shè)計(jì)訪問(wèn)MicroSD卡接口電路如圖13.8所示。

《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.2MircoSD卡接口 SPI傳輸模式下，MC9S12XS128與MicroSD卡接口連接參見(jiàn)表13-6，其中卡引腳VDD為工作電源輸入（2.7～3.6V），引腳VSS和引腳VSS2為電源地，引腳RSV未用。

《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.3通信接口

通信接口與綜合應(yīng)用實(shí)例1中相同，在此不再贅述。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.4SD卡工作電源 MCU使用直流5V工作電源，經(jīng)過(guò)低壓差線性調(diào)壓器LM1117DT-3.3穩(wěn)壓輸出3.3V，為MircoSD卡提供工作電源，如圖13.9所示。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.5應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本小節(jié)內(nèi)容不再詳細(xì)列出，請(qǐng)讀者參考電子檔源程序?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.6MircoSD卡應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.6MircoSD卡應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.6MircoSD卡應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.3綜合應(yīng)用實(shí)例2 13.3.7軟件流程圖《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3

綜合應(yīng)用實(shí)例3主要功能：使用MC9S12XS128中的AD模塊完成1路模擬信號(hào)采樣，利用PWM模塊中的2路分別控制舵機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)，脈沖累加器獲取電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，Nokia5110液晶可顯示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)值、直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和舵機(jī)轉(zhuǎn)角等信息?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.1系統(tǒng)組成

圖13.16是綜合應(yīng)用實(shí)例3的系統(tǒng)組成框圖，以下簡(jiǎn)要介紹實(shí)例3中各部分應(yīng)用設(shè)計(jì)?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.2A/D輸入接口

圖13.17中的R_AD0是1k電位器，電位器調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)0～5V模擬電壓輸出，將電位器可調(diào)端連接到AD模塊通道0，A/D轉(zhuǎn)換模塊參考電壓為5V?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.2顯示接口

顯示接口與綜合應(yīng)用實(shí)例1中相似，在此不再贅述?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.4直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)接口

直流電動(dòng)機(jī)是智能車行駛動(dòng)力源，直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路既可使用分立的功率元件（如MOSFET）搭建，也可使用集成的直流電動(dòng)機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片。本書第7章以Freescale公司的H橋功率驅(qū)動(dòng)芯片MC33887為例，介紹了應(yīng)用PWM模塊控制直流電動(dòng)機(jī)的方法。現(xiàn)以Infineon公司的半橋功率驅(qū)動(dòng)芯片BTS7960為例，介紹使用MC9S12XS128的PWM模塊和該芯片控制直流電動(dòng)機(jī)。BTS7960芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖13.18所示。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.4直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)接口 BTS7960引腳功能參見(jiàn)表13-22。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.4直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)接口

智能車系統(tǒng)中，使用兩片BTS7960驅(qū)動(dòng)控制直流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)（與H橋功能相同）的原理圖如圖13.19所示。 PWM1（PWM0和PWM1級(jí)聯(lián)）和PWM5（PWM5和PWM6級(jí)聯(lián)）作為兩路級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)16位PWM輸出，分別與兩片BTS7960引腳IN相連，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的正反轉(zhuǎn)控制；通過(guò)PA1口的置1或清零操作，使能或禁止BTS7960引腳OUT驅(qū)動(dòng)輸出?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.5測(cè)速輸入信號(hào)調(diào)理電路

使用MC9S12XS128中的TIM模塊脈沖累加器和光電編碼器可實(shí)現(xiàn)智能車測(cè)速功能，請(qǐng)讀者參閱第9章和第10章相關(guān)內(nèi)容。

在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝機(jī)械碼盤，該碼盤嵌入槽形光耦中。當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)該碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，槽形光耦記錄碼盤的轉(zhuǎn)動(dòng)信息。測(cè)速輸入信號(hào)通過(guò)兩個(gè)運(yùn)放組成的調(diào)理電路，將相應(yīng)的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，由脈沖累加器計(jì)數(shù)，如圖13.20所示。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.6伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)接口

伺服電動(dòng)機(jī)控制使用MC9S12XS128微控制器的PWM模塊功能，請(qǐng)讀者參閱第7章相關(guān)內(nèi)容，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制原理圖如圖13.21所示?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.7應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本小節(jié)內(nèi)容不再詳細(xì)列出，請(qǐng)讀者參考電子檔源程序?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.4綜合應(yīng)用實(shí)例3 13.4.8軟件流程圖《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.5綜合應(yīng)用實(shí)例4

綜合應(yīng)用實(shí)例4主要功能：使用MC9S12XS128中的IRQ中斷結(jié)合PIT模塊計(jì)算智能車在賽道上跑一圈的時(shí)間，測(cè)量分辨率為0.001s，測(cè)量結(jié)果在NoKia5110液晶模塊上顯示。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.5綜合應(yīng)用實(shí)例4 13.5.1系統(tǒng)組成

圖13.23是綜合應(yīng)用實(shí)例4的系統(tǒng)組成框圖，以下簡(jiǎn)要介紹實(shí)例4中各部分應(yīng)用設(shè)計(jì)?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.5綜合應(yīng)用實(shí)例4 13.5.2起始線信號(hào)檢測(cè)方法

要完成智能車跑完一圈的時(shí)間統(tǒng)計(jì)，前提是能夠識(shí)別賽道上的起始線。下文先介紹攝像頭組、光電組和電磁組三個(gè)不同組別的起始線識(shí)別方法。競(jìng)賽規(guī)則中的賽道起始線示意圖如圖13.24所示，攝像頭組和光電組在計(jì)時(shí)起始點(diǎn)兩邊分別有一個(gè)長(zhǎng)度10cm黑色計(jì)時(shí)起始線；電磁組在黑色計(jì)時(shí)起始線中間安裝有永久磁鐵，每一邊各三只。磁鐵參數(shù)：直徑7.5～15mm，高度1～3mm，表面磁場(chǎng)強(qiáng)度3000～5000G，起跑線附近的永磁鐵的分布是在跑道黑色中心線兩邊對(duì)稱分布?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.5綜合應(yīng)用實(shí)例4 13.5.2起始線信號(hào)檢測(cè)方法 1）電磁組

使用干簧管能夠檢測(cè)恒定磁場(chǎng)，干簧管是一種磁敏特性開(kāi)關(guān)，也稱為干簧繼電器。它通常有兩個(gè)或三個(gè)軟磁性材料做成的簧片觸點(diǎn)，觸點(diǎn)封裝在充有惰性氣體（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管內(nèi)平行封裝的簧片端部重疊，并留有一定間隙或相互接觸以構(gòu)成開(kāi)關(guān)的動(dòng)合或動(dòng)開(kāi)接點(diǎn)?，F(xiàn)選用動(dòng)合型干簧管，當(dāng)永久磁鐵靠近干簧管時(shí)，其內(nèi)部簧片的接點(diǎn)就會(huì)感應(yīng)出極性相反的磁極。由于磁極極性相反而相互吸引，當(dāng)吸引的磁力超過(guò)簧片的抗力時(shí)，分開(kāi)的接點(diǎn)便會(huì)吸合；當(dāng)磁力減小到一定值時(shí)，在簧片抗力的作用下接點(diǎn)又恢復(fù)到初始狀態(tài)（分開(kāi)）。《MC9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.5綜合應(yīng)用實(shí)例4 13.5.2起始線信號(hào)檢測(cè)方法

干簧管的連接圖和實(shí)物圖如圖13.25和圖13.26所示。為了防止誤觸發(fā)，需要在干簧管兩端并接0.1uF電容。干簧管閉合時(shí)IRQ中斷檢測(cè)到低電平，開(kāi)始計(jì)時(shí)；等到IRQ再次檢測(cè)到低電平時(shí)，則停止計(jì)時(shí)，這樣就可精確地記錄智能車跑一圈的時(shí)間?！禡C9S12XS單片機(jī)原理及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)》13.5綜合應(yīng)用實(shí)例4 13.5.2起始線信號(hào)檢測(cè)方法 2）光電組

假如光電傳感器為12組，傳感器編號(hào)和排放位置如圖13.27所示。當(dāng)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線個(gè)數(shù)大于2時(shí)，可初步判斷為起始線。為確保起始線判斷的準(zhǔn)確性，傳感器多接收幾組信號(hào)，進(jìn)行或運(yùn)算，并保存在數(shù)組中，對(duì)數(shù)組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

由于檢測(cè)到黑線的傳感器編號(hào)是連續(xù)的，假如接收到黑線的相鄰傳感器的編號(hào)不連續(xù)，則認(rèn)為接收到的信號(hào)發(fā)生了跳變。通過(guò)分析知道起始線處，黑線信號(hào)檢測(cè)會(huì)存