【文章內(nèi)容簡介】 果由于設(shè)計中的毛病，造成時鐘電路不穩(wěn)定，會導(dǎo)致嵌入式系統(tǒng)癱瘓。通過把一個 16MHz的外部晶振 接在單片機的外部晶振接入口 EXTAL 和 XTAL 上，然后利用MC9S2XS128 內(nèi)部的壓控振蕩器和鎖相環(huán) （ PLL） 把這個頻率提高到了 13 40MHz。作為單片機工作的內(nèi)部總線時鐘。其電路圖如 圖 。 圖 外部振蕩電路 復(fù)位電路和 BDM 接口 復(fù)位電路是通過一個復(fù)位芯片在電壓達(dá)到正常值時給單片機一個復(fù)位信號。 復(fù)位電路使用了低壓復(fù)位芯片 MC34064， 使用專門的上電復(fù)位電路使系統(tǒng)上電復(fù)位更加可靠。 BDM 接口可用于 BDM 在線 調(diào)試，其中， BDMIN 接口是接 BDM 調(diào)試工具，向 MC9S2XS128 單片機 下載 和調(diào)試 程序用的。 電路原理如圖 。 圖 復(fù)位電路與 BDM 接口 電路原理圖 14 單片機 最小系統(tǒng) 電源電路 MC9S2XS128 系列單片機的外部供電電壓為 5V，分別為單片機的內(nèi)部電壓調(diào)整器， IO 端驅(qū)動器， AD 轉(zhuǎn)換器提供電源，下 圖中除了加入了扼流電感，濾波電容以外還串接了可恢復(fù)熔斷器 F1 和并接了穩(wěn)壓二極管 D，這樣就可以為單片機提供安全，穩(wěn)定和純凈的電源了。最后我們別忘了并接一個發(fā)光二極管來指示單片機的工作狀態(tài) 。 圖 單片機供電電路。 圖 單片機供電電路 5V 穩(wěn)壓電源模塊 由于采用 學(xué)院 自動化技術(shù)創(chuàng)新中心 提供的 、 2Ah 的鎳鎘電池 作為電源 來 驅(qū)動直流電機，而飛思卡爾單片機的 額定 工作電壓 皆 為 5V，故需要進(jìn)行5V穩(wěn)壓電路設(shè)計。 采用 低壓差穩(wěn)壓集成芯片 LM2940。 由于 LM2940 是低壓差線性穩(wěn)壓器（ low dropout regulator） ，靜態(tài)電流非常小，它的特點是在整個溫度范圍內(nèi)按典型 1V的失穩(wěn)電壓提供 1A 的電流輸出。此外還有靜態(tài)電流降低電路，當(dāng)輸入與輸出的電壓大于 3V時還可以 自動降低靜態(tài)電流，該穩(wěn)壓器同樣也具有一般穩(wěn)壓器的短路保護(hù)和熱 過載保護(hù)等功能。 主要性能： 15 ? 輸出電壓 5V ? 最大輸出電流 1A ? 典型失穩(wěn)電壓 ? 最大工作電壓 26V ? 工作溫度 40℃ ~+125℃ ? 引線溫度（焊接， 10S） +260℃ ? 輸出電壓組裝前微調(diào) ? 反接電池保護(hù) ? 內(nèi)部短路保護(hù) 圖 為 LM2940 的引腳圖。 圖 LM2940 的引腳圖 LM2940 引腳名稱見 表 。 表 LM2940 的引腳名稱 符號 名稱 INPUT 輸入 OUTPUT 輸出 GND 接地 LM2940 芯片在焊接時候注意引腳方向，切不能焊錯，也不能讓烙鐵 接觸引腳時間太長，以免損壞內(nèi)部電路，經(jīng)典實用穩(wěn)壓電路如 圖 所示。 16 圖 LM2940 穩(wěn)壓電路 注 意事項 ： C1 遠(yuǎn)離電源位置； 要穩(wěn)定的話 C2 必須高于 22μF，并盡可能的接近穩(wěn)壓器。 焊接完進(jìn)行調(diào)試，用 ，用萬用表電壓端測量輸出引腳，為 。 測速傳感器模塊 本 模塊 采用 光電碼盤作為測速傳感器， 通過碼盤轉(zhuǎn)軸齒輪與后輪車軸齒輪的嚙合，進(jìn)行小車的測速 。 光電碼盤的工作原理及設(shè)計 光電 編碼器 [32]，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的 傳感器 ， 廣泛用于自動控制，自動測量，作為轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速傳感器。 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光 柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤 與電動機 通過齒輪嚙合 ，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機 以一定傳動比旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。 增量式編碼器 是直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖 A、 B 和 Z 相；A、 B 兩組脈沖相位差 90amp。ordm。，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而 Z 相為 17 每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點定位。它的優(yōu)點是原理構(gòu)造簡單，機械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強，可靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 光電碼盤的工作原理如圖 。 光 源透 鏡碼 盤透 鏡光 敏 元 件放 大 整 形脈 沖 數(shù) 出轉(zhuǎn) 軸 圖 光電碼盤工作原理 產(chǎn)品型號與編號 ? 電壓輸出型 ZVH4A50BMES~26E ? 精度 500P/r ? 零位寬 Tm=1T ? 工作電壓 DC 5~26V ? 碼盤直徑 Φ18mm ? 最高轉(zhuǎn)速 10000rpm ? 允許角加速度 10000rad/s2 ? 最大負(fù)載 軸向 徑向 注意事項 （ 1） 光電碼盤屬于高精密儀器，如安裝使用不當(dāng)會影響儀器的性能和壽命； （ 2） 避免與光電編碼器剛性聯(lián)接； （ 3） 安裝時注意其允許的軸 最大 負(fù)載，嚴(yán)禁敲擊和 摔打。 18 光電編碼器的安裝結(jié)構(gòu) 光電編碼器用于 測量電機轉(zhuǎn)速，由于電機驅(qū)動后輪，故需要安裝在后輪輪軸附近，通過與輪軸上的齒輪進(jìn)行嚙合。 機械安裝結(jié)構(gòu)如圖 。 圖 光電碼盤安裝結(jié)構(gòu) 直流電機及其驅(qū)動模塊 直流電機作為本系統(tǒng)的動力來源，通過齒輪來帶動后輪轉(zhuǎn)動，但要完成閉環(huán)調(diào)速的功能，決定了直流電機不可能直接由單片機或者外接電源供電，必須通過設(shè)計直流電機驅(qū)動器來驅(qū)動直流電機。 直流電機 直流電機 參數(shù) ： ? 電機 型號 RS380_ST ? 驅(qū)動電壓 ? 空載最大轉(zhuǎn)速 15300 轉(zhuǎn) /分 19 ? 堵轉(zhuǎn)電 流 ? 最大功率 ? 堵轉(zhuǎn)扭矩 680gcm ? 電機直徑 直流電機驅(qū)動器 采用以恒壓恒流橋式 2A 驅(qū)動芯片 L298N 為驅(qū)動芯片 進(jìn)行 直流電機驅(qū)動器設(shè)計。 L298N是 SGS 公司的產(chǎn)品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt封裝的 L298N，內(nèi)部同樣包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進(jìn)電機。 L298N 可接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號 VSS， VSS 可接 4． 5～ 7 V電壓。4 腳 VS 接電源電壓， VS 電 壓范圍 VIH 為＋ 2． 5～ 46 V。輸出電流可達(dá) 2． 5 A，可驅(qū)動電感性負(fù)載。 1 腳和 15 腳下管的發(fā)射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。 L298 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1， OUT2和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機，本裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。 5，7 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。 EnA 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。 表 列舉了 L298N 功能邏輯 。 表 L298N 功能邏輯 ENA In1 IN2 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 0 停止 1 1 0 正轉(zhuǎn) 1 0 1 反轉(zhuǎn) 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 20 由 表 可知 當(dāng) EnA 為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當(dāng) EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉(zhuǎn)。同為低電平電機停止，同為高電平電機剎停。 L298N 與 MC9S12XS128 的連接電路 如 圖 。 圖 電機驅(qū)動電路原理圖 本章小結(jié) 本章主要進(jìn)行了系統(tǒng)硬件電路的 具體 設(shè)計 。 首先 對單片機 各 模塊 和內(nèi)部功能 進(jìn)行了詳細(xì)的說明， 并附有原理圖和實物圖；而 超聲波測距模塊作為主要功能模塊，是討論的重要對象，從超聲波 的發(fā)射 接收原理到 發(fā)送接收電路，都做了說明，并進(jìn)行硬件的焊裝；測速傳感器模塊關(guān)系到本設(shè)計最主要的速度閉環(huán)控制部分， 在此 對光電編碼器的原理跟技術(shù)參數(shù) 進(jìn)行了 介紹 ；隨后進(jìn)行 LCD 顯示模塊的具體設(shè)計，它的設(shè)計 能否 完成很大程度上影響了整個系統(tǒng)的運行。 最后 直流電機驅(qū)動模塊單列出來，進(jìn)行具體的設(shè)計說明，附電路原理圖、 工作邏輯圖 。 通過以上對進(jìn)行硬件電路的設(shè)計，做出硬件實物。 21 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本 次 設(shè)計中 ， 軟件設(shè)計占據(jù)了非常大的比重， 軟件設(shè)計的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。 首先進(jìn)行單片機系統(tǒng)各個部分的初始化， 初始化要具體到每個引腳， 進(jìn)而保單片機模塊的正常啟用。速度控制程序是本設(shè)計的最重要程序，從控制算法的選擇到具體程序的編寫，都要進(jìn)行規(guī)劃。超聲波防撞報警程序也是重要的功能程序，涉及到超聲波硬件的應(yīng)用。最后是 LCD 顯示程序，在其它程序運行無誤的基礎(chǔ)上進(jìn)行此程序的設(shè)計編寫。 軟件的實現(xiàn)是在CodeWarrior 集成環(huán)境中實現(xiàn)的，因此一些用法取決于 CodeWarrior 所使用的編譯器。 軟件功能及流程 編程時候首先要對用到的單片機各個模塊進(jìn)行初始化，包括：系統(tǒng)初始化、端口初始化、中斷初始化、 PWM 初始化、定時器初始化、時鐘初始化等，然后是各個模塊程序 設(shè)計 。 ? 延時程序 ： 采用循環(huán)體形式延時， 本程序?qū)ζ渌δ苣K 程序的順利運行起到相當(dāng)大的作用，比如 采用軟件延時 產(chǎn)生 40KHz 方波， 抵消LCD 初始化時候的 讀取忙狀態(tài) 。 ? 調(diào) 速程序 ：作為 本設(shè)計 最重要的程序，采用 增量式 PID 控制算法對電機的速度進(jìn)行閉環(huán)控制，使其運行在 期望 的速度值下。 ? 超聲波測距程序 ：測距程序 是 倒車防撞 報警 功能實現(xiàn) 的前提，實現(xiàn)測距后才能 進(jìn)行報警器的 程序 設(shè)計 ，完成倒車防撞報警。 ? LCD 初始化 ：先初始化 LCD 字符液晶， 設(shè)置 LCD 的現(xiàn)實方式，換行功能等， 保 證 LCD 能正常工作。 ? 速度顯示程序： LCD 初始化后進(jìn)行進(jìn)行速度顯示程序設(shè)計 ， 液晶顯示程序 完成的必要性在于： 首先是在電機調(diào)速時候方便調(diào)速，其次 大大 完善了了設(shè)計的功能 。 系統(tǒng)整體 軟件功能框圖如圖 所示。 22 堆 棧 指 針 初 始 化移 動 小 車 控 制 系 統(tǒng)主 程 序端 口 初 始 化定 時 器 初 始 化P W M 初 始 化中 斷 初 始 化L C D 初 始 化延 時 程 序電 機 控 制 算 法超 聲 波 測 距 算 法L C D 顯 示 程 序防 撞 報 警 程 序時 鐘 初 始 化 圖 系統(tǒng)軟件框圖 單片機系統(tǒng)初始化 單片機系統(tǒng)初 始化 [16]是單片機進(jìn)行功能程序設(shè)計前的準(zhǔn)備工作，只有初始化正確才能進(jìn)行子程序的編寫。 包括始化分為以下幾個部分：單片機最小系統(tǒng)初始化、定時器初始化、 PWM 初始化。 初始化流程圖如圖 所示。 堆 棧 指 針 初 始 化始 終 初 始 化中 斷 初 始 化I/O端 口 初 始 化開 始結(jié) 束 圖 單片機初始化 單片機 最小系統(tǒng) 初始化 MC9S12XS128 單片機是一片超大規(guī)模集成電路，要讓單片機工作，要供給電源、時鐘源，要有能和人溝通的接口。這些是構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)的基本輔助硬件。讓系統(tǒng)能工作，軟件上要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)初始化的 23 過程就是建立單片機運行環(huán)境的過程，具體完成三件事： 初始化堆棧指針 初始化堆棧是告訴 CPU，單片機系統(tǒng)的堆?？臻g從哪里開始，沒有有效的堆棧指針，調(diào)用子程序的指令就無法正常工作 [6]。這部分工作事實上不用我們完成，在 CodeWarrior 生成的系統(tǒng)工程中包含有一個 文件，該文件完成了系統(tǒng)最基本的初始化，其中就包括堆棧初始化。 堆棧的初始化只能通過一句匯編指令實現(xiàn) ,因此為了在 C 語言中初始化堆棧，應(yīng)該使用如下宏定義： ＃ define Initial_Stack_Pointer {_asm LDS $3FD7。} 初始化時鐘 由于為了減少干擾，片外晶振的頻率趨向于盡可能低，因此有必要對片外晶振進(jìn)行超頻得到系統(tǒng)時鐘。同時 Flash 的讀寫、串口通信都依靠時鐘的設(shè)置 [16]。 時 鐘 模塊 的初始化要通過對幾個寄存器的讀寫來實現(xiàn)。具體實現(xiàn)框圖見圖 。 設(shè) 置 S Y N RC R G F L G 位 是 否 為 “ 1 ” ？設(shè) 置 R E F D V設(shè) C L K S E L 位 為“ 1 ”是否 圖 始終初始化框 圖 24 其中 REFDV， SYNR 與外部晶振頻率 （ OSCCLK） 、鎖相環(huán)時鐘頻率（ PLLCLK） 關(guān)系為： PLLCLK=2 OSCCLK1REFDV 1SYNR ??? （ ） 圖 中的判斷作用是使鎖相環(huán)穩(wěn)定后選擇鎖相環(huán)時鐘為系統(tǒng)時鐘 。實際使用的外部晶振為 16MHz，因此選擇 SYNR 為 32， REFDV為 15，就可以使時鐘頻率達(dá)到 32MHz。 時鐘