基于Freescale HCS12系列单片机的结晶器振动控制系统

1、内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）题 目：基于freescale hcs12系列单片机的结晶器振动控制系统位移数据采集40基于freescale hcs12系列单片机的结晶器振动控制系统位移数据采集摘 要结晶器是现代钢铁企业炼钢工艺的关键设备。钢水在结晶器中进行一次水冷，使其形成坯壳。最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯工程中极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动和拉漏事故，因此静止不振动的结晶器限制了连铸生产的工业化。结晶器按合适的规律进行振动能保证出料均匀，减少拉坯摩擦力，促使保护渣按一定的规律和节奏即使填充到结晶器和坯壳之间，形成一定厚度的润滑层，从而达到防止初生坯壳与结晶器之间粘结

2、而被拉裂。不难看出结晶器的振动位移对整个连铸过程起着至关重要的作用。针对上述问题，课题提出了一种基于freescale hcs12系列单片机的结晶器振动位移数据采集系统。本文详细介绍了系统结构框图、硬件原理图及软件流程图等。硬件部分主要使用了mc9s12dg128芯片、ad7367等。软件部分采用c语言进行编程。由传感器发出的电流信号通过电流/电压转换芯片变成010v电压信号，经过ad7367转换成数字信号，送入单片机，进行滤波、标度变换等处理，然后由串口发出，并用上位机接收显示。关键词：结晶器；freescale单片机；ad7367；数据采集内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）study

3、 of continuous casting mould oscillating based on the freescale hcs12 mcu - data acquisition displacementabstractin the modern iron and steel enterprises, mould oscillating is the key steelmaking process equipment. after awater-cooled molten steel in the mold form a green shell. the initial mold con

4、tinuous casting machine is fixedly in the works .it can easily make the mould felt with casting mold occur,and it may bring on pull leakage incidents. it does limit the vibration of a continuous casting mold of industrialized production . if the mould is in accordance with the laws of the right vibr

5、ation it will ensure uniformity of the material, and in a certain degree reduce the friction of the casting. it make the protecting liquid in accordance with the laws and rhythms, even if filled to the shell mold and the billet between the formation of a certain thickness of the lubrication layer.so

6、 as to achieve the prevention of new-born billet mold shell and pulled between the adhesive and crack. it is not difficult to see that the vibration displacement of mold plays a vital role in the entire continuous casting process.in response to these problems, the design put forward a mould mold vib

7、ration displacement data acquisition system based on the freescale hcs12 mcu. it gives the system block diagram, schematic diagram of hardware and software flow chart, it uses some of the major hardware like mc9s12dg128 chip, ad7367 and so on. software program uses c language.the sensor send out cur

8、rent signal and the signal through the current / voltage converter chip into a 0 10v voltage signal. after it thread ad7367 and conversion into digital signals. in the single-chip the signal would be filted, transformed and then sent by the serial port.at last the data is received and show by the ep

9、istatic machine.key words: vibration； freescale mcu；ad7367； data acquisition内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要iabstractii第一章 序言11.1 连铸结晶器振动技术的发展及现状11.2 课题研究目的及内容31.2.1 课题研究目的31.2.2 课题研究内容3第二章 结晶器技术简介42.1 结晶器技术简介42.2 结晶器结构和功能5第三章 嵌入式系统简介及hcs12单片机73.1 嵌入式系统简介73.2 freescale单片机83.2.1 freescale单片机83.2.2 freescal

10、e hcs12系列单片机10第四章 硬件设计114.1 整体电路设计114.2 mc9s12dg128单片机简介124.2.1 mc9s12dg128单片机的封装结构和引脚功能144.2.2 mc9s12dg128 mcu最小系统164.3 模数转换器件ad7367184.4 系统串口通信204.4.1 串行通信的基本概念214.4.1.1异步串行通信的格式214.4.1.2串行通信的波特率224.4.1.3 奇偶校验224.4.1.4串行通信的传输方式234.4.2 rs-232c的引脚功能234.4.2.1 rs-232c的引脚功能234.4.2.2 电平转换244.4.3 电平转换芯片m

11、ax20224第五章 软件设计及调试255.1 程序总体设计255.2 详细程序设计275.2.1 ad采样程序的软件设计275.2.2 滤波程序设计275.2.3 标度变换程序设计285.2.4 延时子程序285.2.5 串口程序设计295.2.6 软件调试30第六章 结论31参考文献32附录a 程序源程序34附录b 硬件原理图38致 谢39第一章 序言1.1 连铸结晶器振动技术的发展及现状在现代钢铁企业中，结晶器是炼钢工艺的关键设备。最初的连铸机结晶器是静止的，在拉坯过程中极易与结晶器壁发生粘结，从而导致拉不动和拉漏事故，因此静止不振动的结晶器限制了连铸生产的工业化。1993年现代连铸的奠

12、基人德国的西格弗德里容汉斯(siegflied junghans)开发了结晶器振动装置，并成功地应用于有色金属的连铸。1949年s容汉斯的合作者艾尔文罗西(irving rossi)获得了容汉斯振动结晶器专利的使用权，并在美国约阿勒德隆钢公司(allegheng lundluln steel corporation) waterbliet厂的一台方坯连铸试验机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉斯振动结晶器又被用于西德曼内斯曼(mannesmann)公司胡金根(huckingen)厂的一台连续铸钢试验连铸机。容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得到了广泛应用。从此，结

13、晶器振动便成了连铸机的标准操作。1972年日本钢管厂的福山厂在其5号机上应用了液压伺服非正弦振动技术，实现了板坯2.3m/min的平均拉速，并且投入工业应用。1985年日本神户制刚所对铸坯表面质量的影响进行研究，在实验室用水模拟实际钢液。采用两台三级高响应的伺服阀直接装在液压缸上并联驱动对称液压缸，为改善结晶器液压振动系统的阻尼，在液压缸上下两腔用节流阀调节泄漏，工作液采用不易燃的磷酸脂。1992年德马克的isp薄板坯连铸连轧生产线在意大利的阿尔维迪厂建成，采用的连铸机为弧形，结晶器为上直下弧型。德马克认为在高频小振幅振动下结晶器铜板的磨损量最小。结晶器采用非正弦振动的振动机构为液压激振式。应

14、用液压振动的另一有代表性的研究工作是法国钢铁研究院(irstd)与cleclm设计制造的结晶器液压振动系统，并进行了模拟试验研究。结果表明，应用非正弦振动可以有效地减少结晶器内部的摩擦力，使振痕深度减轻，铸坯表面质量明显改善。在试验的基础上，又设计制造了两台数字模拟式液压振动工业试验装置，分别装在sollac的2号板坯连铸机和unlmetel normandie厂的小方坯连铸机上。随后，clecim又为sollac厂设计制造了一台工业性液压振动装置，采用了全数字控制方式，设备于1993年安装在sollac的2号板坯连铸机上。在国内，随着连铸铸坯热传送装置及直接轧制技术的发展，生产节奏大幅加快，

15、为了提高企业的生产效率，实现高效连铸的目标，需要工艺、设备、生产组织和管理、物流管理、生产操作以及与之配套的炼钢车间各个环节的协调与统一。而高精度、长寿的结晶器振动装置是高效连铸关键技术之一，这其中包括振动装置硬件的优选及结晶器振动形式、振动工艺参数的软件优化。因此一些较大企业开始出资引进国外先进设备和技术。(l)西安重型机械研究所(西重所)经过数年理论研究与试验，研发出国内第一套具有全部自主知识产权的液压振动装置。目前己在宝钢集团上钢五厂薄板坯连铸机、唐钢集团第一炼钢厂板坯连铸机、攀钢集团炼钢厂大方坯连铸机上得到良好应用。(2)由奥钢联提供的液压非正弦振动器技术于1995年在armco mn

16、afield厂薄板坯连铸机上首次投入运行。实践证明，液压伺服系统是可靠的，灵活的，液压伺服驱动的振动装置可以产生非正弦振动波形、正弦振动波形和其它任意的波形振动，实现控制过程监控，实时显示，并可根据拉坯速度的变化自动调节振动参数，便于实现结晶器振动操作的优化，它能为每一次浇铸设置最佳的振动参数，并且振动参数可以在线调节。(3)2004年攀枝花钢铁集团公司增建了2号板坯连铸机，该机采用达涅利公司开发的结晶器和结晶器液压振动inmo(integral motion)系统。inmo结晶器是dnacili的一项专利技术，它是结晶器和振动机构组合成一体，振动质量小，提供相对于铸流中心线的结晶器振动的精确

17、导向，可获得零误差导向系统，再配上液压振动装置，即可在所有浇铸条件下获得良好的铸坯表面质量。(4)2005年4月宝钢研究院建成兼顾板坯、薄板坯生产试验的多功能连铸试验平台，同时与国内协作单位共同研究，开发了国内首台适用于板坯连铸的结晶器电液伺服振动系统，通过半工业化试验环境下的优化研究，预期将形成设备和工艺相结合的成套技术，并拟将这一技术推广应用于市场。在连铸结晶器振动技术的发展过程中，相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式。但迄今为止，工业中广泛使用的仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动。这主要是因为用偏心凸轮实现正弦波振动波

18、形精确，而且加工容易；同时，正弦波振动与铸坯拉速没有严格要求，既不像同步振动那样，要求结晶器下降速度与铸坯同步，上升比拉速大三倍；也不像负滑动振动那样，结晶器上、下振动与铸坯拉速有较严格的关系。而且，正弦振动的结晶器速度和加速度分别按正弦和余弦规律变化，在上、下死点速度变化瞬间，冲击力不会过大，速度变化较平稳。因此，近年来在板坯和方坯连铸机上得到了广泛应用。1.2 课题研究目的及内容1.2.1 课题研究目的连铸是指使钢水连续不断地通过水冷结晶器，凝成硬壳后从结晶器下方出口连续拉出，经喷水冷却全部凝固后切成坯料的铸造工艺。它与传统的“模铸开坯”工艺相比，具有明显优势。连铸坯的产量占整个钢产量的百

19、分率可反映一个国家炼钢工艺的先进水平，因而连铸比的提高受到国内外的广泛重视。结晶器及其激振系统是连铸机中的重要组成部分。使用飞思卡尔hcs12系列单片机实现结晶器振动位移的在线检测和控制，把钢水进行一次冷却，使其形成坯壳，同时保证出料均匀，减少拉坯摩擦力，避免钢水粘壁、漏钢，改善铸坯表面质量。数据通过can总线传至上位机，实现控制过程监督、实时显示振动参数，提高连铸坯质量和提高结晶器振动品质，从而实现连铸过程的自动化。1.2.2 课题研究内容结晶器振动促使保护渣按一定的规律和节奏及时填充到结晶器和坯壳之间，形成有一定厚度的润滑层，以防止其初生坯壳与结晶器之间粘结而被拉裂。本设计主要控制结晶器按

20、一定得规律振动，并在线检测振动效果，运用pid规律调节偏差。为了实现以上目标，本课题主要涉及以下内容：结晶器振动波形产生、位移数据采集、pid数据处理、can总线通信。本文负责位移数据采集系统的设计。第二章 结晶器技术简介2.1 结晶器技术简介结晶器的振动相当于一种脱模的作用，其目的是防止铸坯粘结发生拉裂或漏钢。结晶器振动装置由两个油缸驱动结晶器作上下振动，以防止在浇钢过程中钢水与结晶器铜板发生粘连。并且还能周期性地改变钢液面和结晶器壁的相对位置，有利于改善结晶器内壁表面的润滑状况，减小粘结阻力和摩擦阻力，还可改善铸坯的表面质量。结晶器振动的引入作为一个关键因素加速了连续铸钢技术的发展。结晶器

21、按照外部形状分为直结晶器和弧形结晶器；按铸坯断面形状分为方坯(大方坯的断面边长大于200mm、小方坯的断面边长小于150mm)、板坯(指厚度比超过2:51的铸坯)、矩形坯、圆坯和异形断面结晶器；按照结构形式分为整体式、管式、组合式和可调宽式。方坯连铸机的振动装置主要是采用机械振动(正弦振动曲线)，而板坯连铸机的振动装置主要采用机械振动(正弦振动曲线)和液压振动(正弦和非正弦曲线)。机械振动有电机驱动的短臂四连杆式和电机驱动的四偏心轮、板簧导向(或其他方式导向)式。液压振动有单液压缸驱动短臂四连杆式、双液压缸驱动的短臂四连杆式或垂直升降式。机械振动和液压振动在应用上各有优缺点，机械振动装置具有可

22、靠性高，技术成熟、加工制造比较容易，操作简单、整体投资低的优势；液压振动控制精度高，振动波形、振幅和频率可以在浇铸过程中随意调整，且更加适合板坯生产。中薄板坯连铸机生产工艺:钢水是由转炉(精炼炉)炼出，放到大包转台上的受包位，大包转台旋转180度到浇铸位。在钢包全部转到浇铸位置后，钢水由大包的滑动水口流入中间包车。此时钢水在大包中温度为1558.5，流入中间包车温度为1553。大包操作工人打开滑动水口，钢水由长水口流入中间罐车，当中间罐车里的钢水达到一定量后，中包工人调节中包塞棒，控制侵入式水口流入结晶器钢水的流量。钢水由结晶器向下流入扇形段(扇形段分为:弯曲段、弧形段、矫直段和水平段)。此时

23、，扇形段夹紧，驱动辊压下，把板坯从扇形段拉出，由火焰切割机通过定尺对板坯进行切割。切割好的板坯通过输出区辊道(移坯小车)把板坯运到下一道工序轧机的炉前辊道。图2.1连铸机结构示意图2.2 结晶器结构和功能结晶器类型按其内壁形状，可分直形及弧形等；按铸坯规格和形状，可分圆坯、矩形坯、正方坯、板坯及异型坯等；按其结构形式，可分整体式、套筒式、水平式及组合式等。（1）整体式结晶器的结构组成结晶器内壁和外壳部分都采用同一材料，即用整块紫铜或铸造黄铜机械加工而成，并在其内壁周围钻削许多小孔，用以通水冷却钢水和坯壳。结晶器内壁的形状和大小，取决于铸坯断面的形状和尺寸。（2）套管式结晶器的结构组成套管式结晶

24、器的外壳是圆筒形，结晶器的内壁用冷拔无缝钢管制成。在结晶器的下部安装辊子目的是减少铸坯塌方。结晶器需用润滑油润滑。（3）组合式结晶器组合式结晶器广泛应用在大型连铸机上，特别是板坯连铸机上，宽度和厚度都能调节。 结晶器内衬铜壁直接影响了结晶器的使用寿命，正确选择材质是延长结晶器使用寿命的关键，目前通常采用铜基合金。如图2.2为结晶器电液伺服振动装置，采用阀控缸驱动双摇杆机构实现结晶器的往复振动，将液压缸的位置通过位移传感器反馈到综合端与指令信号比较得到误差信号，然后由计算机算得控制量并经过d/a和电流负反馈放大器后驱动电液伺服阀构成闭环控制系统。利用计算机产生各种指令信号，通过选择适当的控制规律

25、使系统输出跟踪指令信号从而获得所要求的振动规律。 机械振动的振动装置由直流电动机驱动，通过万向联轴器，分两端传动两个蜗轮减速机，其中一端装有可调节轴套，蜗轮减速机后面再通过万向联轴器，连接两个滚动轴承支持的偏心轴，在每个偏心轮处装有带滚动 图2.2结晶器电液伺服振动装置轴承的曲柄，并通过带橡胶轴承的振动连杆支撑振动台，产生振动。 结晶器振动装置用于支撑结晶器并使其沿铸机半径作近似圆弧的上下往复振动。连续浇铸中一直进行这种振动，以防止坯壳与结晶器粘结而被拉裂，并有利于保护渣在结晶器壁的渗透使结晶器得以充分润滑和顺利脱模。对结晶器振动的技术要求是：（1）振动的方式能有效地防止因坯壳的粘结而造成拉漏

26、事故；（2）振动参数有利于改善铸坯表面质量，形成表面光滑的铸坯。结晶器振动的功能是防止拉坯坯壳与结晶器粘结，同时获得良好的铸坯表面，因而结晶器向上运动时，减少新生的坯壳与铜壁产生粘结，以防止坯壳受到较大的应力，使铸坯表面出现裂纹；而当结晶器向下运动时，借助摩擦，在坯壳上施加一定的压力，愈合结晶器上升时拉出的裂痕，这就要求向下的运动速度大于拉坯速度，形成负滑脱。第三章 嵌入式系统简介及hcs12单片机3.1 嵌入式系统简介嵌入式系统最初的应用是基于单片机的。嵌入式系统是一种将底层硬件、实时操作系统和应用软件相结合的专用计算机系统。嵌入式系统是对对象进行自动化控制，而使其具有智能化并可嵌入对象体系

27、中的专用计算机系统，“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。嵌入式系统通常由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统和嵌入式应用软件等几大部分组成。1嵌入式处理器嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入式处理器与通用的处理器的最大不同点在于嵌入式cpu大多工作在为特定用户群设计的系统中。它通常把通用cpu中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、高可靠性等特征。嵌入式处理器可分为低端的嵌入式微控制器、中高端的嵌入式微处理器、嵌入式处理器和高度集成的嵌入式片上系统。几乎每个大的硬件厂商都推出了自己的嵌入式处理器，其中以f

28、reescale、arm、powerpc、mc68000、mips等使用得最为广泛。2. 嵌入式外围设备嵌入式外围设备是指在一个嵌入式硬件系统中，除了嵌入式处理器以外的完成存储、通信、保护、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3类：(l)存储器类型:静态易失型存储器(ram，sram)、动态存储器(dram)、非易失型存储器(rom，eprom，eeprom，flash)。其中，flash(闪存)以可擦写次数多，存储速度快，容量大及价格便宜等优点在嵌入式领域得到广泛的应用；(2)接口类型:目前存在的所有接口在嵌入式领域中都有广泛的应用，但是以下几种接口，其应用最为广泛，

29、包括rs一232接口(串口)、irda(红外线接口)、spi(串行外设接口)、i2c(现场总线)、usb(通用串行接口)，enternet(以太网接口)和并口；(3)显示类型：ctr，lcd和触摸屏等外围显示设备。3嵌入式操作系统在嵌入式应用中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，就需要具备相应的管理存储器分配，中断处理，任务间通信和定时器响应，以及提供多任务处理等功能的软件模块集合，即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统的引入大大提高了嵌入式系统的性能，方便了嵌入式应用软件的开发设计。当今流行的嵌入式操作系统包括vxworks，linux，c/os-，deltaus，psos等。每一种嵌入式操作系统都有

30、自身的优越性，我们需要根据自己的实际应用来合理选择。4嵌入式应用软件嵌入式系统的软件开发的特点是:以面向过程为主，代码的利用率高，代码的规模小，实时性强。过去的嵌入式系统软件开发，大多从汇编开始，并以汇编语言开发为主。这样的开发只能做简单的控制和算法，而应用需求复杂时，开发周期将大大增加，不利于新产品的快速面市。随着嵌入式系统硬件的不断发展，如处理器主频提高，存储器容量扩大，硬件体积减小等特点，嵌入式系统的软件开发也发生了一些变革。嵌入式应用软件是针对特定的实际专业领域的，基于相应的嵌入式硬件平台的，并能完成用户预期任务的计算机软件。用户的任务可能有时间和精度的要求。嵌入式应用软件和普通的应用

31、软件有一定的区别。由于嵌入式应用对成本十分敏感，因此为减少系统成本，除了精减每个硬件单元的成本外，尽可能地减少嵌入式应用软件的资源消耗也是不可忽视的重要因素。这就要求嵌入式应用软件不但保证准确性、安全性、稳定性以满足应用要求，还要尽可能地优化。3.2 freescale单片机3.2.1 freescale单片机freescale系列单片机采用哈佛结构和流水线指令结构，在许多领域内都表现出低成本，高性能的的特点，它的体系结构为产品的开发节省了大量时间。此外freescale提供了多种集成模块和总线接口，可以在不同的系统中更灵活的发挥作用。飞思卡尔（freescale）半导体公司，就是原来的mot

32、orola公司半导体产品部。于2004年从motorola分离出来，更名为freescale。 freescale提供了多种集成模块和总线接口，可以在不同的系统中更灵活的发挥作用。freescale单片机的特有的特点如下：（1）全系列：从低端到高端，从8位到32位全系列应有尽有，最近还新推出8位/32位管脚兼容的qe128，可以从8位直接移植到32位,弥补单片机业界8/32 位兼容架构中缺失的一环！（2）多种系统时钟模块：三种模块，七种工作模式多种时钟源输入选项，不同的mcu具有不同的时钟产生机制，可以是rc振荡器，外部时钟或晶振，也可以是内部时钟，多数cpu同时具有上述三种模块！可以运行在f

33、ei，fee，fbi，fbilp，fbe，fbelp，stop这七种工作模式。（3）多种通讯模块接口：与其它系列的单片机不同，freescale单片机几乎在内部集成各种通信接口模块：包括串行通信接口模块sci，多主i2c总线模块,串行外围接口模块spi，mscan08控制器模块，通用串行总线模块（usb/ps2）。（4）具有更多的可选模块：某些mcu具有lcd驱动模块，某些mcu带有温度传感器，某些mcu具有超高频发送模块，部分mcu含有同步处理器模块，某些含有同步处理器的mcu还具有屏幕显示模块，还有少数的mcu具有响铃检测模块和双音多频/音调发生器模块。（5）可靠性高，抗干扰性强（6）低功

34、耗也许freescale系列的单片机具有全静态的“等待”和“停止”两种模式，从总体上降低了功耗。（7）多种引脚数和封装选择 可以说freescale系列单片机具有的mcu种类是最多的了，有些mcu本身就有几种不同的引脚数和封装形式，这样就可以满足用户的各种需求。图3.1 freescale单片机结构框图freescale 系列中都包含了一个mcu（微控制器），它的基本含义是：在一块芯片上集成了中央处理器、存储器（ram/rom等）、定时器/计数器以及多种输入/输出接口的比较完整的数字处理系统。具体框图如图3.1。3.2.2 freescale hcs12系列单片机freescale公司的hcs

35、12系列mcu型号有很多种，其工作电压一般为5v，时钟频率最高可达25mhz。在这些不同型号的mcu中，资源各有不同，即使是同一种型号的mcu，也有多种封装形式，其中i/o口数目也不尽相同，mc9s12dg128就有80引脚的qfp、112引脚的lqef两种封装形式。freescale hcs12系列mcu的型号数量庞大，为了方便实际应用选型，需要了解freescale hcs12系列mcu的命名方法。下面是mc9s12dx128b为例介绍起基本命名规则：mc 9 s12 dx 128b xxx e 为产品状态。mcfully qualified，在实际应用中，通常都选用mc类型的产品。 为存

36、储器类型标志。无表示内带rom或者片内没有程序存储器；7表示片内带有eprom或者一次可编程rom；8表示片内带eprom；9表示片内带flash eprom。 为cpu标志。hcs12表示其中央处理器使用cpu12核。 为系列标志。dx表示为d系列产品。 为存储空间的大小及版本。256为flash版本，表示256kb的flash存储空间。 为工作温度范围标志。“无”表示商用温度范围070；c表示-4085；v表示-40105；m表示-40125。 为封装标志位。它表示芯片的封装形式：fu表示80引脚的qep封装，pv表示112引脚的lqfp封装。 为无铅组装标志。e表示芯片生产过程无铅化，是

37、绿色电子组装技术的发展方向。第四章 硬件设计4.1 整体电路设计结晶器振动控制系统主要可分为6大部分：数字量输入/输出模块、a/d转换模块、阀芯反馈拉速、d/a转换模块、电源模块、can总线模块。本次设计四人主要负责d/a转换模块、a/d转换模块、pid控制系统的设计和can总线模块。本文主要讨论a/d转换模块的设计和调试，其它部分有其他同学分工完成。图4.1 总体设计框图图4.2 a/d采集模块原理图a/d转换模块主要完成位移数据的采集功能，并对数据进行初步的整理运算。硬件选择mc9sdg128型单片机，ad7367作为ad转换芯片。传感器发出的电流信号转换为010v电压信号，a/d转换器件

38、ad7367接收此电压信号（本设计中由于设备的原因，采用模拟的电压信号作为输入信号），转换后的数字量在freescale hcs12系列单片机hc9s12dg128进行处理后，重新变为位移量，并通过串口传输到上位机，上位机显示所接收到的位移量。总体设计框图如图4.1。为了实现这些功能，硬件设计原理图如图4.2。4.2 mc9s12dg128单片机简介mc9s12dg128微控制器采用增强型16位s12cpu，片内总线时钟频率最高可达25mhz；片内资源包括8kb ram、128kb flash、2kb eeprom；sci、spi、pwm串行接口模块；pwm模块可设置成4路8位或2路16位，可

39、宽范围选择逻辑时钟频率；它还提供2个8路10位精度a/d转换器、控制器局域网模块can和增强型捕捉定时器，并支持背景调试模式（bdm）。具体s12微控制器特点如下：*s12的核心：16位s12cpu：20位alu，指令队列，增强型索引地址；多种外部总线接口（mebi）；模块映射控制机制（mmc）；断点（bkp）；背景调试模块（bdm）。*crg时钟和复位发生器：锁相环（pll）；看门狗（cop watchdog）；实时中断（rti）；时钟监视器（cm）。*带中断功能的8位和4位端口：可编程的上升沿或下降沿触发。*存储器：128kb flash；2kb eeprom；8kb ram。*2个8通道

40、模/数转换器：10位精度；外部触发转变功能。*3个1mbps的can总线模块，兼容can2.0a/b：5个接收缓冲器，3个发送缓冲器；4个独立的中断通道，分别是发送中断、接收中断、错误中断和唤醒中断；低通滤波器唤醒功能。*增强型捕捉定时器：16位计数器，7位预分频功能；8个可编程输入捕捉或输出比较通道；4个8位或2个16位脉冲累加器。*8个pwm通道：每个通道的周期和占空比由程序决定；8位8通道或16位4通道；各通道独立控制；脉冲在周期内中心对称或左对齐输出；可编程时钟选择逻辑；紧急事件关断输入；可作为中断输入。*串行口：2个异步串行通信接口（sci）；2个同步串行设备接口（spi0；byte

41、flight模块。*i2c总线：兼容i2c总线标准；多主i2c总线模块。*lqfp112和qfp80封装选择：5v输入和带驱动能力i/o；5va/d转换器输入；50mhz系统频率；单线背景调试模块；片上硬件断点。4.2.1 mc9s12dg128单片机的封装结构和引脚功能mc9s12dg128 mcu具有两种封装形式，分别是80引脚和112引脚，本文给出112引脚，如图：图4.3 mc9sdg128引脚图可以把全部引脚分为i/o引脚及mcu最小系统支撑引脚两大类：（1）i/o口引脚:模拟量输入：atd1引脚号为68、70、72、74、76、78、80、82作为第一功能时普通输入口，第二功能是a

42、dt1输入引脚，第三功能82引脚是adt1外部触发输入引脚；atd0引脚号为67、69、71、73、75、77、79、81作为第一功能也是普通的输入口，第二功能是adt0输入引脚，第三功能81引脚是adt0外部触发输入引脚。a口：引脚号5764，作为第二功能，宽总线模式下，多路复用外部地址和数据。b口：引脚号2431，作为第二功能，宽总线模式下，多路复用外部地址和数据。e口：36号引脚，作为第二功能，总线模式下当前总线是否处于空闲周期，作为第三功能，晶振选择；37、38号引脚，作为第二功能，mcu工作模式的选择，作为第三功能，指令队列跟踪信号引脚，并且内部下拉；39号引脚，作为第二功能，非正常

43、单片模式，内总线时钟外部链接引脚；53号引脚，作为第二功能，低字节选通，作为第三功能，的引脚；54号引脚，作为第二功能，外部读写功能引脚且内部上拉；55、56号引脚，作为第二功能，外部中断输入引脚且内部上拉。h口：引脚号3235，作为第三功能，中断输入引脚；引脚号4952，作为第二功能，串行外围接口（spi1），作为第三功能，中断输入引脚。j口：98、99号引脚，作为第二功能，can4的发送数据的输出引脚；作为第三功能，i2c模块的串行时钟引脚；21、22号引脚，作为第二功能，kwj1、kwj0；作为第三功能，pj1、pj0。k口：108号引脚，作为第二功能，仿真芯片选择输出引脚；作为第三功能

44、，决定misc寄存器的romon位值且内部上拉；19、20、58号引脚，作为第二功能，总线模式下外部总线扩展地址且内部上拉。m口：87、88号引脚，作为第二功能，byteflight；100、101号引脚，作为第二功能，byteflight；作为第三功能，spi0；102105号引脚，作为can/bdlc。p口：109112号引脚，作为第二功能，中断输入引脚；作为第三功能，pwm模块；14号引脚，作为第二功能，中断输入引脚；作为第三功能，pwm模块且作为spi1。s口：9396号引脚，作为第二功能，spi0；8992号引脚，作为第二功能，sci。 t口：1518、912号引脚，作为第二功能，定

45、时器模块。（2） mcu最小系统支撑引脚电源：vddx、vssx分别是107、106号引脚作为i/o的外部电源。 vddr、vssr分别是41、40号引脚作为i/o和内部电压调节模块的外部电源。 vdd1、vss1、vdd2、vss2分别是13、14、65、66号引脚作为mcu的电源。 vdda、vssa分别是83、86号引脚作为电压调节及内部a/d转换的电源。 vrh、vrl分别是84、85号引脚作为a/d转换的参考电压端。 vddpll、vsspll分别是43、45号引脚作为pll的电源供给端。 vregen是97号引脚作为片内电压调节模块的使能端。控制： reset是42号引脚作为复位引

46、脚（有内部上拉）。 bkgd/modc/是23号引脚作为背景调试（有内部上拉）。其他： xfc是44号引脚作为pll的外部滤波电容连接引脚。 extal、xtal分别是46、47号引脚作为片内振荡器引脚。4.2.2 mc9s12dg128 mcu最小系统mcu最小系统是指可使内部程序运行所需要的外围电路。dg128芯片的最小系统包括电源电路、pll电路、复位电路、晶振电路、bdm调试接口电路等，具体介绍如下：（1）电源电路hcs12mcu的芯片内部使用3v电压，i/o端口和外部供电电压为5v。在图4.4给出的dg128最小系统电路中，电源电路部分的cd和cs构成滤波电路，可以改善系统的电磁兼容

47、性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。另外，为标识系统通电与否，可以增加一个电源指示灯。图4.4电源电路(2)pll电路片内的pll电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。图4.5 pll电路在图所示的pll电路中，vddpll引脚由片内提供2.5v电压；c1、c2和r5的取值与晶振、refdv寄存器和synr寄存器有关。mcu系统时钟电路和电源电路在布pcb板时，要按照以下规则布线，才能使系统的电磁兼容性得到保证：1.尽量让时钟信号回路周围电场趋近于零。用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短。2.

48、石英晶振下面及噪声特别敏感的器件下面不要走线。3.pll的滤波电路要尽可能靠近mcu，每个电源端和接地端都要接一个去耦电容，去耦电容要尽可能靠近mcu。（3）复位电路hcs12系列mcu在响应各种外部或侦测到的内部系统故障时可进行系统复位。当mcu检测到需要复位时，它将寄存器和控制位设置成已知的起始默认值。系统复位的用途时错误复位，即当mcu检测到内部故障时，它尝试回到一个已知的、明确的状态而从故障中恢复。具体电路图如下： 图4.6复位电路 图4.7晶振电路（4）晶振电路晶体振荡器分为无源晶振和有源晶振两种类型。需要外接电源的晶振称为有源晶振。相反无需外接电源的称为无源晶振。本设计用无源晶振，

49、引脚xtal和extal分别接该单片机的输入端和输出端。这个单片机与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。具体电路图如图4.7。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c9、c10接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c9、c10虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，推荐电容使用30pf10pf，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pf10pf。（5）bdm接口电路图4.8 bdm接口电路背景调试模式bdm（background ddbug mode）是由freescale半导体公

50、司自定义的偏上调试规范。bdm调试方式为开发人员提供了基层的调试手段。开发人员可通过它初次向目标板下载程序，同时也可通过bdm调试器对目标板mcu的flash存储器进行写入、擦除等操作。用户也可通过它进行应用程序的下载和在线更新，在线动态调试和编程，读取cpu各个存储器的内容，mcu内部资源的配置与修复，程序的加密处理等操作。而这些仅需要向cpu发送几个简单的指令就可以实现，从而使调试软件的编写变的非常简单。bdm硬件调试的插头制作的设计也非常的简单，关键是满足通信时序关系和电平转换的要求。4.3 模数转换器件ad7367ad7367是一款双极性、14-bit、高速、低功耗、逐次逼近型模数转换

51、器，采样速率高达 1 msps。它采用 adi公司的工业 cmos工艺 icmos制作，icmos工艺结合了低电压与高电压 cmos、双极性以及高电压 dmos 工艺的优势，该工艺允许 ad7367接收高电压双极性信号，而且降低功耗与封装尺寸。ad7367内部功能图如图4-8所示，它包括两个 adc，每个 adc的前面都有一个双通道多路复用器，以及一个低噪声、宽带、跟踪与保持放大器，可以处理超过 10 mhz的输入频率。ad7367内置 2.5 v基准电压源，但是可使用外部基准电压。如表 4.1模拟通道输入参数所示，ad7367可以接收10 v、5 v以及 0- 10 v范围的真双极性模拟输入

52、信号。图4.9 ad7367内部功能图ad7367通过 spi串行通讯方式与 dsp通讯，节省了使用 i/o口的数量。表4.1 ad7367模拟通道输入参数输入电压范围(v)输入电压范围(v)最小测量值(mv)1020163841.22510163840.610-1010163840.61如图4.10为ad7367的接线图，3.3v电压经过10f/10v旁路电容和0.1f耦合电容后接2脚(vdrive)，选择ad7367接口逻辑电源为3.3v。3脚(dvcc)和8脚(avcc)分别为ad7367的数字和模拟电源，它们要尽可能的短接在一起。4脚(rang1)、5脚(rang0)决定了输入模拟量的

53、范围，为了保证最大灵敏度，选择了0-10v的模拟量输入范围。利用9脚(dcapa)、16脚(dcapb)分别接0.1f电容，可以对ad转换器基准电压去藕，提高基准电压的质量。10脚(vss)、15脚(vdd)分别为ad7367的正负电源，必须有外部提供干净的12v电源。11脚(va1)、12脚(va2)、13脚(vb1)、14脚(vb2)分别为ad转换器的模拟量输入脚。18脚(refsel)用于选择基准电压，图4.10中接高电平，使用内部2.5v基准电压。19脚(cs)、20脚(sclk)、1脚(douta)为spi通讯接口，因为接口逻辑电平选择3.3v，dsp可以直接和它通讯。21脚(cnv

54、st)用来控制ad转换的开始，当该引脚出现一个下降沿后，ad转换开始，低电平其间进行ad转换，此时22脚(busy)为高电平指示ad转换器正忙，转换结束后22脚(busy)为低电平，如果21脚(cnvst)变高，转换器将重新上电，若21脚(cnvst)仍然保持低电平，ad7367进入低功耗模式。图4.10 ad7367接线图4.4 系统串口通信串行通信使mcu与外部设备之间进行通信的一种简单而有效的硬件方法。串行通信接口可以将终端或者个人计算机连接到mcu，也可以将几个分散的mcu连接成通信网络。如图4.11为串口硬件接线图，本系统了选用最常用的标准接口rs232，采用max202作为串口的电

55、平转换芯片。图4.11 串口硬件接线图4.4.1 串行通信的基本概念“位”（bit）单个二进制数字的简称，是有两种状态的最小二进制值，分别用0和1表示。在计算机中，通常一个信息单位用8位二进制表示，称为1字节（byte）。串行通信的特点是：数据以字节为单位，按位的顺序从一条传输线上发送出去。串行通信分为异步通信和同步通信两种方式。4.4.1.1异步串行通信的格式在mcu的应为芯片手册上，通常说sci采用的是nrz数据格式，英文全称是standard non-return-zero mart/space data format，可以译为“标准不归零传号/空号数据格式”。这是一个通信术语。“不归零

56、”的最初含义是：用负电平表示一种二进制值，正电平表示另一种二进制值，不使用零电平。mark/space即“传号/空号”，分别表示两种状态的物理名称，逻辑名称记为1/0。表中给出了8位数据、无校验位的传送格式。表4.2串行通信的帧格式开始位第0位第1位第2位第3位第4位第5位第6位第7位停止位这种格式下的空闲状态为1，发送器通过发送一个0表示一字节传输的开始，随后是数据位（在mcu中一般是8或者9位，可以包含校验位）。最后，发送器发送12位的停止位，表示一字节传送结束。若继续发送下一字节，则重新发送开始位。若不发送新的字节，则维持1的状态，使发送数据线处于空闲。从开始位到停止位结束的时间间隔称为1帧。因此，也称格式为帧格式。通过这段内容可以知道，在异步串行通信中，是通过开始位和停止位来区分每个传送字节的。因此，没发送一个字节，都要发送开始位和停止位，这是影响一部串行通信传送速度的因素之一。同时，因为没发送一字节，不许首先发送开始位，所以称之为“异步”通信。4.4.1.2串行通信的波特率“位长”（bit length）也称为位的持续时间。其倒数就是单位时间内传送的位数。人们把每秒内传送的为数称为“波特率”（baud rate）。波特率的单位是位/秒，记为b/s或bps。bps是英文bit per second的缩写，习惯上这个缩写不用大写，而用小写。通