【文章內容簡介】 果由于設計中的毛病，造成時鐘電路不穩(wěn)定，會導致嵌入式系統(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部總線時鐘。其電路圖如 圖 。 圖 外部振蕩電路 復位電路和 BDM 接口 復位電路是通過一個復位芯片在電壓達到正常值時給單片機一個復位信號。 復位電路使用了低壓復位芯片 MC34064， 使用專門的上電復位電路使系統(tǒng)上電復位更加可靠。 BDM 接口可用于 BDM 在線 調試，其中， BDMIN 接口是接 BDM 調試工具，向 MC9S2XS128 單片機 下載 和調試 程序用的。 電路原理如圖 。 圖 復位電路與 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，分別為單片機的內部電壓調整器， IO 端驅動器， AD 轉換器提供電源，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 學院 自動化技術創(chuàng)新中心 提供的 、 2Ah 的鎳鎘電池 作為電源 來 驅動直流電機，而飛思卡爾單片機的 額定 工作電壓 皆 為 5V，故需要進行5V穩(wěn)壓電路設計。 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)壓器的短路保護和熱 過載保護等功能。 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 ? 反接電池保護 ? 內部短路保護 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，以免損壞內部電路，經典實用穩(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。 焊接完進行調試，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， 通過碼盤轉軸齒輪與后輪車軸齒輪的嚙合，進行小車的測速 。 光電碼盤的工作原理及設計 光電 編碼器 [32]，是一種通過光電轉換將輸出軸上的機械幾何位移量轉換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應用最多的 傳感器 ， 廣泛用于自動控制，自動測量，作為轉角與轉速傳感器。 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 ，電動機旋轉時，光柵盤與電動機 以一定傳動比旋轉，經發(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)就能反映當前電動機的轉速。 增量式編碼器 是直接利用光電轉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方向，而 Z 相為 17 每轉一個脈沖，用于基準點定位。它的優(yōu)點是原理構造簡單，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 軸 圖 光電碼盤工作原理 產品型號與編號 ? 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 ? 最高轉速 10000rpm ? 允許角加速度 10000rad/s2 ? 最大負載 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 負載，嚴禁敲擊和 摔打。 18 光電編碼器的安裝結構 光電編碼器用于 測量電機轉速，由于電機驅動后輪，故需要安裝在后輪輪軸附近，通過與輪軸上的齒輪進行嚙合。 機械安裝結構如圖 。 圖 光電碼盤安裝結構 直流電機及其驅動模塊 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動，但要完成閉環(huán)調速的功能，決定了直流電機不可能直接由單片機或者外接電源供電，必須通過設計直流電機驅動器來驅動直流電機。 直流電機 直流電機 參數(shù) ： ? 電機 型號 RS380_ST ? 驅動電壓 ? 空載最大轉速 15300 轉 /分 19 ? 堵轉電 流 ? 最大功率 ? 堵轉扭矩 680gcm ? 電機直徑 直流電機驅動器 采用以恒壓恒流橋式 2A 驅動芯片 L298N 為驅動芯片 進行 直流電機驅動器設計。 L298N是 SGS 公司的產品，比較常見的是 15 腳 Multiwatt封裝的 L298N，內部同樣包含 4 通道邏輯驅動電路?？梢苑奖愕尿寗觾蓚€直流電機，或一個兩相步進電機。 L298N 可接受標準 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 2． 5 A，可驅動電感性負載。 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，本裝置我們選用驅動一臺電動機。 5，7 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉。 EnA 接控制使能端，控制電機的停轉。 表 列舉了 L298N 功能邏輯 。 表 L298N 功能邏輯 ENA In1 IN2 運轉狀態(tài) 0 停止 1 1 0 正轉 1 0 1 反轉 1 1 1 剎停 1 0 0 停止 20 由 表 可知 當 EnA 為低電平時，輸入電平對電機控制起作用，當 EnA為高電平，輸入電平為一高一低，電機正或反轉。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 電機驅動電路原理圖 本章小結 本章主要進行了系統(tǒng)硬件電路的 具體 設計 。 首先 對單片機 各 模塊 和內部功能 進行了詳細的說明， 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，并進行硬件的焊裝；測速傳感器模塊關系到本設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參數(shù) 進行了 介紹 ；隨后進行 LCD 顯示模塊的具體設計，它的設計 能否 完成很大程度上影響了整個系統(tǒng)的運行。 最后 直流電機驅動模塊單列出來，進行具體的設計說明，附電路原理圖、 工作邏輯圖 。 通過以上對進行硬件電路的設計，做出硬件實物。 21 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計 本 次 設計中 ， 軟件設計占據(jù)了非常大的比重， 軟件設計的好壞直接影響到系統(tǒng)的性能。 首先進行單片機系統(tǒng)各個部分的初始化， 初始化要具體到每個引腳， 進而保單片機模塊的正常啟用。速度控制程序是本設計的最重要程序，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用。最后是 LCD 顯示程序，在其它程序運行無誤的基礎上進行此程序的設計編寫。 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 設計 。 ? 延時程序 ： 采用循環(huán)體形式延時， 本程序對其它功能模塊 程序的順利運行起到相當大的作用，比如 采用軟件延時 產生 40KHz 方波， 抵消LCD 初始化時候的 讀取忙狀態(tài) 。 ? 調 速程序 ：作為 本設計 最重要的程序，采用 增量式 PID 控制算法對電機的速度進行閉環(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 進行報警器的 程序 設計 ，完成倒車防撞報警。 ? LCD 初始化 ：先初始化 LCD 字符液晶， 設置 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 初始化后進行進行速度顯示程序設計 ， 液晶顯示程序 完成的必要性在于： 首先是在電機調速時候方便調速，其次 大大 完善了了設計的功能 。 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]是單片機進行功能程序設計前的準備工作，只有初始化正確才能進行子程序的編寫。 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 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)的堆棧空間從哪里開始，沒有有效的堆棧指針，調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 置 S Y N RC R G F L G 位 是 否 為 “ 1 ” ？設 置 R E F D V設 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到 32MHz。 時鐘