【文章內(nèi)容簡介】 板。 以 S12 為核心的單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)板使用 MC9S12DG128 單片機(jī)，80 引腳封裝。MC9S12DG128 是 Freescale 公司推出的 S12 系列微控制器中的一款增強(qiáng)型 16 位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括 SPI、SCI、I2C、A/D、PWM 等。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10 頁它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高檔機(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域有廣泛的用途，而且在FLASH 存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能。MC9S12DG128 微控制器采用增強(qiáng)型 16 位 S12 CPU,片內(nèi)總線時(shí)鐘頻率最高可25MHz；片內(nèi)資源包括 8KB RAM、128KB FLASH、2KB EEPROM。SCI、SPI、PWM 串行接口模塊；PWM 模塊可設(shè)置成 4 路 8 位或 2 路 16 位，可寬范圍選擇邏輯始終頻率；它還提供 2 個(gè) 8 路 10 位精度 A/D 轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)模塊 CAN 和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（BDM）.下面主要介紹 S12 系列的特點(diǎn)、基本結(jié)構(gòu)、引腳功能、操作模式、振蕩電路、系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)視、實(shí)時(shí)中斷、復(fù)位電路等。（1）S12 的核心：16 位 S12CPU：20 位 ALU,指令隊(duì)列，增強(qiáng)型索引尋址；多種外部總線接口（MEBI）；模塊映射控制機(jī)制（MMC）；中斷控制（INT）；斷點(diǎn)（BKP）。背景調(diào)試模塊（BDM）。（2）CGR 時(shí)鐘和復(fù)位發(fā)生器：鎖相環(huán)（PLL）；看門狗（COP watchdog）；實(shí)時(shí)中斷（RTI）；時(shí)鐘監(jiān)視器（CM）。（3）帶中斷功能的 8 位和 4 位端口：可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)。（4）存儲(chǔ)器：128 KB FLASH；2 KB EEPROM；8 KB RAM。（5）2 個(gè) 8 通道模/數(shù)轉(zhuǎn)換器： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁10 位精度；外部觸發(fā)轉(zhuǎn)變功能。（6）3 個(gè) 1Mbps 的 CAN 總線模塊，兼容 A/B：5 個(gè)接受緩沖器，3 個(gè)發(fā)送緩沖器；4 個(gè)獨(dú)立的中斷通道，分別是發(fā)送中斷、接受中斷、錯(cuò)誤中斷和喚醒中斷；低通濾波器喚醒功能。（7）增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器：16 位計(jì)數(shù)器，7 位預(yù)分頻功能；8 個(gè)可編程輸入捕捉或輸出比較通道；4 個(gè) 8 位或 2 個(gè) 16 位脈沖累加器。（8）8 個(gè) PWM 通道：每個(gè)通道的周期和占空比由程序決定；8 位 8 通道或 16 位 4 通道；各通道獨(dú)立控制；脈沖在周期內(nèi)中心對(duì)稱或左對(duì)齊輸出；可編程時(shí)鐘選擇邏輯；緊急事件關(guān)斷輸入；可作為中斷輸入。（9）串行口：2 個(gè)異步串行通信接口（SCI）；2 個(gè)同步串行設(shè)備接口（SPI）；Byteflight 模塊。（10）I2C 總線：兼容 I2C 總線標(biāo)準(zhǔn)；多主 I2C 總線模塊。（11）LQFP112 和 QFP80 封裝選擇：5V 輸入和帶驅(qū)動(dòng)能力 I/O；5VA/D 轉(zhuǎn)換器輸入； 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁50MHz 系統(tǒng)頻率（相當(dāng)于 25MHz 總線頻率）；單線背景調(diào)試模塊；片上硬件斷點(diǎn)。MC9S12DG128 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致可分為 MCU 核心與 MCU 外設(shè)兩部分。MCU 核心該部分包括 MCU 的 3 種存儲(chǔ)器（FLASH、RAM、EEPROM）；多電壓調(diào)整器，包括數(shù)字電路和模擬電路電源電壓；具有單線背景調(diào)試接口（BDM）和運(yùn)行監(jiān)視功能的增S12CPU；程序存儲(chǔ)器的頁面模式控制；具有中斷識(shí)別、讀/寫控制、工作模式等控制功能的系統(tǒng)綜合模塊（SIM）；可用于系統(tǒng)擴(kuò)展的分時(shí)復(fù)用總線端口，其中 A 口、B 口可作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器或接口電路時(shí)的分時(shí)復(fù)用地址/數(shù)據(jù)總線，E 口的部分可作為控制總線。MCU 外設(shè)S12 外設(shè)部分包括：A/D 轉(zhuǎn)換器（ATD0、ATD1），增強(qiáng)型定時(shí)捕捉模塊（ECT）,串行接口 SPI、I2C。CAN、Byteflight 等接口是許多微控制器所沒有的。Byteflight 協(xié)議接口是只針對(duì)安全臨界（Safety Critical）應(yīng)用的時(shí)間控制協(xié)議，有 BWM 聯(lián)合 Freescale、Elmos 及 Infineon 公司聯(lián)合開發(fā)，主要用于機(jī)動(dòng)車輛中的安全臨界應(yīng)用。該系統(tǒng)應(yīng)用在 BMW7 系列汽車中，主要用于安全氣囊系統(tǒng)中的時(shí)間臨界（Time Critical）數(shù)據(jù)的處理與傳輸。另外，咳可用于傳輸車身及底盤電子系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)。Byteflight 的傳輸速率為 10Mbps，采用塑料光纖作為傳輸介質(zhì)。Byteflight技術(shù)不僅可以應(yīng)用在汽車系統(tǒng)中，而且在需要實(shí)現(xiàn)高實(shí)時(shí)性、高傳輸速率以及在惡劣的電磁環(huán)境中保證傳輸無故障等領(lǐng)域都大有用武之地。為減少電路板空間，我們?cè)O(shè)計(jì)的板上僅將本系統(tǒng)所用到的引腳引出，包括兩路 PWM接口，一路外部中斷接口，17 路普通 IO 接口。其他部分還包括電源濾波電路、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、串行通訊接口、BDM 接口。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)板原理圖為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，我們使用有源晶體振蕩器為單片機(jī)提供時(shí)鐘。單片機(jī)最小系統(tǒng)板電路原理圖如圖 。我們自行設(shè)計(jì)的 PCB 電路板尺寸為 38mm*40mm，在尺寸和重量上有了很大的改善。如圖 圖 最小體統(tǒng) 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁 主板主板上裝有組成本系統(tǒng)的主要電路，它包括如下部件：電源穩(wěn)壓電路、視頻同步分離電路、攝像頭接口、舵機(jī)接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、測速接口、電源接口、單片機(jī)最小系統(tǒng)板插座、跳線、指示燈、開關(guān)等。本系統(tǒng)中電源穩(wěn)壓電路有三路，一路為+5V 穩(wěn)壓電路，第二路路為+ 穩(wěn)壓電路，第三路為攝像頭 9V 穩(wěn)壓電路。為整個(gè)智能模型車自動(dòng)控制系統(tǒng)中除后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，轉(zhuǎn)向舵機(jī)外的所有設(shè)備供電。其中+ 穩(wěn)壓電路為加速度傳感器供電，使用串聯(lián)穩(wěn)壓芯片 TPS7333。電路原理圖如圖 所示圖 TPS7333 電源穩(wěn)壓電路由于整個(gè)系統(tǒng)中+5V 電路功耗較小，為了降低電源紋波，我們首先使用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路，另外，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作時(shí)，電池電壓壓降較大，為提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，必須使用低壓降電源穩(wěn)壓芯片，常用的低壓降串聯(lián)穩(wěn)壓芯片主要有 LM29LM1117 等等。LM2940 雖然壓降比 LM1117 更低，但是紋波電壓較大。相比之下，1117 的性能更好一些，具有輸出電壓恒定、壓降較低的優(yōu)點(diǎn)，但是其線性調(diào)整工作方式在工作中會(huì)造成較大的熱損失，導(dǎo)致電源利用率不高，工作效率低下。為了提高電源的利用率，我們進(jìn)一步選擇 DC/DC 電源穩(wěn)壓電路。DC/DC 是開關(guān)型穩(wěn)壓電路，它的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)電源的高頻干擾有較強(qiáng)的抑制作用、效率高，輸入電壓的范圍寬，輸出電壓，電流的紋波值較小。DC/DC 電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖 所示： 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁但是 DC/DC 也存在一些缺點(diǎn)，如體積大，成本較高，紋波電壓相對(duì)理論值較大，并且工作壓降要求在 以上，不便于電池電源的使用，因此我們又探索了新的穩(wěn)壓芯片 TPS7350。TPS7350 是微功耗低壓差線性電源芯片，具有完善的保護(hù)電路，包括過流、過壓、電壓反接保護(hù)。使用這個(gè)芯片只需要極少的外圍元件就能構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。與前兩種穩(wěn)壓器件相比，TPS7350 具有更低的工作壓降和更小的靜態(tài)工作電流，可以使電池獲得相對(duì)更長的使用時(shí)間。由于熱損失小，因此無需專門考慮散熱問題。圖 DCDC 穩(wěn)壓電路原理圖TPS7350 電源穩(wěn)壓電路原理圖如圖 所示：圖 TPS7350 電源穩(wěn)壓電路整個(gè)系統(tǒng)中只有攝像頭采用 9V 電壓，因?yàn)樽约涸O(shè)計(jì)的可調(diào)的電源穩(wěn)壓電路使用的元器件比較多，在設(shè)計(jì) PCB 電路板的時(shí)候會(huì)占用很大的空間，所以我們使用了比較簡單的辦法，直接用 DCDC 為攝像頭供電，電路圖和 相同，只是采用的是 0509 的型號(hào)。輸入電壓相同，輸出電壓不同而已。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16 頁舵機(jī)的工作電壓為 46V,在舵機(jī)穩(wěn)定工作的前提下，電壓越高舵機(jī)的響應(yīng)速度越高。因此我們?cè)O(shè)計(jì)了 6V 的工作電壓，并保留了電池電壓的接口。6V 的電壓采用 TPS7350 芯片，在接地端串聯(lián)兩個(gè)二極管，使端電壓太高 1V。電路圖不再重復(fù)。舵機(jī)的控制信號(hào)（PWM 信號(hào)）由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。圖 PWM 占空比對(duì)舵機(jī)的控制視頻采集模塊由攝像頭、1881 視頻信號(hào)分離芯片以及 S12 的 AD 模塊構(gòu)成。視頻信號(hào)是 AD 采集的基礎(chǔ)，下面先簡要介紹視頻信號(hào)的特征，然后再逐步展開。攝像頭分黑白和彩色兩種，根據(jù)賽道特點(diǎn)可知，為達(dá)到尋線目的，只需提取畫面的灰度信息，而不必提取其色彩信息，所以本設(shè)計(jì)中采用的是黑白攝像頭。攝像頭主要由鏡頭、圖像傳感芯片和外圍電路構(gòu)成。圖像傳感芯片是其最重要的部分，但該芯片要配以合適的外圍電路才能工作。將芯片和外圍電路制作在一塊電路 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17 頁板上，稱為“單板”。若給單板配上鏡頭、外殼、引線和接頭，就構(gòu)成了通常所見的攝像頭。攝像頭通常有三個(gè)端子：電源端、地端和視頻信號(hào)端（有的還多出一個(gè)端子，那是音頻信號(hào)端）。電源接的電壓要視具體的單板而定，目前一般有兩種規(guī)格，69V 或912V。視頻信號(hào)的電壓一般位于 之間。攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將此電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。具體而言（參見圖 ），攝像頭連續(xù)地掃描圖像上的一行，則輸出就是一段連續(xù)的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)的高低起伏反映了該行圖像的灰度變化。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（如 ），并保持一段時(shí)間。這樣相當(dāng)于，緊接著每行圖像信號(hào)之后會(huì)有一個(gè)電壓“凹槽”，此“凹槽”叫做行同步脈沖，它是掃描換行的標(biāo)志。然后，跳過一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描的），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場消隱區(qū)。該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長于）其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。場同步脈沖標(biāo)志著新的一場的到來，不過，場消隱區(qū)恰好跨在上一場的結(jié)尾和下一場的開始部分，得等場消隱區(qū)過去，下一場的視頻信號(hào)才真正到來。攝像頭每秒掃描 25 幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描 50 場圖像。奇場時(shí)只掃描圖像中的奇數(shù)行，偶場時(shí)則只掃描偶數(shù)行。圖 攝像頭視頻信號(hào)攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo)：分辨率和有效像素。分辨率實(shí)際上就是每場行同步脈沖數(shù)，這是因?yàn)樾型矫}沖數(shù)越多，則對(duì)每場圖像掃描的行數(shù)也越多。事實(shí)上，分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。有效像素常寫成兩數(shù)相乘的形式，如“320x240”， 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18 頁其中前一個(gè)數(shù)值表示單行視頻信號(hào)的精細(xì)程度，即行分辨能力；后一個(gè)數(shù)值為分辨率，因而有效像素=行分辨能力分辨率。我們的智能模型車自動(dòng)控制系統(tǒng)中使用黑白全電視信號(hào)格式 CMOS 攝像頭采集賽道信息。攝像頭視頻信號(hào)中除了包含圖像信號(hào)之外，還包括了行同步信號(hào)、行消隱信號(hào)、場同步信號(hào)、場消隱信號(hào)以及槽脈沖信號(hào)、前均衡脈沖、后均衡脈沖等。因此，若要對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集，就必須通過視頻同步分離電路準(zhǔn)確地把握各種信號(hào)間的邏輯關(guān)系。要能有效地對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采樣，首先要處理好的問題是如何提取出攝像頭信號(hào)中的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖。這里有兩種可行的方法。第一，直接通過單片機(jī) AD 進(jìn)行提取。因?yàn)樾型矫}沖、消隱脈沖或場同步脈沖信號(hào)的電平低于這些脈沖以外攝像頭信號(hào)的電平，所以據(jù)此可設(shè)定一個(gè)信號(hào)電平閾值來判斷 AD 采樣到的信號(hào)是否為上述三類脈沖。第二，就是給單片機(jī)配以合適的外圍芯片，此芯片要能夠提取出攝像頭信號(hào)的行同步脈沖、消隱脈沖和場同步脈沖以供單片機(jī)作控制之用。我們使用了 LM1881 芯片對(duì)黑白全電視信號(hào)進(jìn)行視頻同步分離，得到行同步、場同步信號(hào)。由 1881 及其外圍電路構(gòu)成的攝像頭采樣電路如圖 所示。攝像頭視頻信號(hào)端接 1881 的視頻信號(hào)輸入端，同時(shí)也接入 S12 的一路 AD 轉(zhuǎn)換端口（選用 AD0）。1881 的行同步信號(hào)端（引腳 1）接入外部中斷引腳（IRQ），同時(shí)將 LM1881 的場同步信號(hào)和奇偶場同步信號(hào)輸入到 ECT 模塊中（選用 PT1，PT2），這樣，既可以采用查詢方式獲取奇偶場信號(hào)跳變，又可以采用脈沖捕捉方式獲取電平變化。通過這樣的接線，為軟件開發(fā)提供了多種選擇的機(jī)會(huì)，使程序更加靈活。圖 視頻同步分離電路 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19 頁其中，引腳 2 為視頻信號(hào)輸入端，引腳 1 為行同步信號(hào)輸出端（如圖 中的