第4章智能汽车设计基础—微控制器ppt课件

1、第4章 智能汽车设计根底微控制器.5.1 单片机简介15.2 单片机系统25.3 Freescale HCS12单片机 3第5章 智能汽车设计根底微控制器 思索题45.1 单片机简介 随着大规模集成电路的出现及开展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时/数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，构成芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机Single Chip Microcomputer，直译为单片机，又称为微控制器Microcontroller或嵌入式控制器Embedded Controller。近年来，单片机结合公用集成电路Application Specific Integr

2、ated Circuit, ASIC和精简指令集计算机Reduced Instruction Set Computer, RISC技术，开展为嵌入式处置器Embedded Processor，适用于数据与数值分析、信号处置、智能机器人及图像处置等高技术领域。5.2 单片机系统1 5.2.1 单片机最小系统2 5.5.2 单片机系统的扩展5.2.1 单片机最小系统 所谓单片机最小系统，是指在单片机外部添加尽能够少的元件电路，组成一个让单片机可独立任务的系统。以MCS-51系列单片机为例，图5.1和图5.2所示的分别是运用单片机内部程序存储器和单片外部程序存储器组成的单片机最小系统。在图5.2中，

3、8031的程序存储器是经过运用外部程序存储器EPROM实现的。74LS373是一种8D透明锁存器，其作用是存储单片机P0口输出的对EPROM取指令用的低8位地址。这两个最小系统的复位电路均由10 F的电容器与正电源相连，构成上电复位电路。时钟电路均采用内部振荡方式，外接一个频率为12 MHz的晶体振荡器。图5.2中，从接地，我们可以得知程序存储器在单片机外部，因此，对外部程序存储器来说，单片机的取指令操作有效的。5.2.1 单片机最小系统图5.1 完全运用单片机内部程序存储器的单片机最小系统5.2.1 单片机最小系统 图5.2 运用单片机外部程序存储器的单片机最小系统5.2.2 单片机系统的扩

4、展 在单片机运用系统硬件设计中，虽然单片机的最小运用系统拥有较高的性价比，但在功能很复杂的系统中，最小系统往往不能满足要求，往往需求衔接各种设备，构成各种接口通道。因此，单片机系统的扩展成了单片机运用系统硬件设计中最常遇到的也是不可防止的问题。 单片机系统的扩展包括数据存储器RAM扩展、程序存储器ROM/EPROM扩展、输入/输出I/O扩展、定时/计数器扩展、中断系统扩展及其他特殊功能扩展。5.2.2 单片机系统的扩展 1程序存储器扩展 单片机系统扩展中，最常见的是程序存储器扩展，在扩展时需留意以下几方面的问题： 1可分配地址空间。在MCS-51系列单片机中，程序存储器可占用0000 HFFF

5、F H间64 K的存储空间。虽然地址可与数据存储器或I/O口重叠，但它们实践上是两个相互对立的存储空间。硬件上程序存储器经过运用PSEN而不是用RD进展控制读操作；软件上用MOVC而非MOVX执行读操作命令。 2地址译码电路。随着大规模集成电路的开展，程序存储器的容量越来越大，仅需运用一两片芯片就可满足系统对容量的要求，因此地址译码通常采用直接或用反相器产生片选信号的方式。但是，在扩展多片程序存储器时，地址译码普通采用译码器方式，以获得地址范围延续而又不相重叠的片选信号。这是由于程序机器码在存储空间中需求延续放置，因此各存储器占用的程序存储器空间必需相互延续。另外，分配给程序存储器的地址范围还

6、必需包含单片机的启动程序。5.2.2 单片机系统的扩展 3程序存储器扩展方法。其他接口扩展芯片与程序存储器共用地址总线、数据总线和部分控制总线。其中控制总线有ALE低8位地址信号锁存控制、PSEN外部程序存储器读控制。EPROM程序存储器扩展电路如图5.3所示。图5.3(a)中系统只扩展一片EPROM，可将EPROM的片选端直接接地；图5.3(b)中的系统扩展了两片EPROM，假设P2.i等于0，就选择了EPROM(1)，假设P2.i等于1，就选择了EPROM(2)。 4常用程序存储器芯片。程序存储器芯片最常见的是Intel公司的典型系统芯片 27162K 8, 27324K 8, 27648

7、K 8, 2712816K 8, 2725632K 8和2751264K 8等。近年来大容量EPROM芯片不断涌现，2764以上的大容量芯片在单片机运用系统程序存储器扩展中得到越来越广泛的运用。5.2.2 单片机系统的扩展图5.3 EPROM程序存储器扩展电路 图5.3 EPROM程序存储器扩展电路5.2.2 单片机系统的扩展2数据存储器扩展在单片机系统扩展中，最常见的数据存储器扩展是静态随机存取存储器SRAM的扩展，在扩展时应留意以下几个方面的问题：1存储器地址空间。在MCS-51系列单片机中，任何扩展的数据存储器、I/O口及外围设备的地址都不能相互重叠，但可以和程序存储器地址重叠。由于数据

8、存储器与I/O口是一致编址的，共用0000 HFFFF H间的64K地址空间。2数据存储器读写控制。数据存储器与I/O口的读/写控制可以经过RD和WR指令，地址总线和数据总线那么与程序存储器共用。3数据存储器扩展方法。图5.4所示的是数据存储器扩展电路。除了在读写控制上运用不同信号和不同指令外，数据存储器扩展方法与程序存储器扩展方法是一样的。4常用数据存储器芯片。目前常用数据存储器芯片有SRAM 61162K8, 62648K8和6225632K8等。另外，电可擦除只读存储器、E2PROM 28162K8和E2PROM28648K8等也可作为数据存储器运用。5.2.2 单片机系统的扩展 图5.

9、4 RAM数据存储器扩展电路5.2.2 单片机系统的扩展3输入/输出I/O口扩展大部分单片机运用系统设计中都不可防止地要进展I/O口扩展。由于单片机本身能提供的有限的I/O口中的许多都有复用功能，当这些口被复用功能占用后，留给用户系统的I/O口就不多了。在进展I/O口扩展时，应留意以下几个方面的问题：1I/O口寻址空间。在MCS-51系列单片机运用系统中，扩展的I/O口与数据存储器占用一致编址的64K存储空间，而与外部程序存储器空间无关。指令上扩展I/O口具有与数据存储器一样的寻址方式，且地址总线、数据总线与控制总线的连线也与数据存储器一样。2单片机提供的I/O口。当单片机本身的I/O口在复用

10、功能未被运用时，这些口可当作普通的I/O口运用。5.2.2 单片机系统的扩展 图5.5所示的是用TTL芯片扩展的简单I/O口电路。图5.5(a)中经过锁存器74LS273扩展8位并行输出口。在经过数据总线扩展输出口时，锁存器被视为一个外部RAM单元，输出控制信号为WR，运用MOVX DPTR, A指令。当单片机向锁存器输出数据时，地址信号P2.7和写信号WR同时有效，使或门输出低电平接入锁存器CLK端。当WR由低变高时，锁存器CLK端的信号上升沿将数据总线上的数据锁存到输出端，完成输出操作。图5.5(b)所示为用三态门74LS245经过数据总线扩展的8位并行输入接口。三态门由P2.7和RD进展

11、或控制，运用MOVX DPTR, A指令。当单片机产生地址信号和RD信号，经或门产生低电平信号时，控制三态门翻开，输入信号便可经数据总线送入单片机内部。 5.2.2 单片机系统的扩展 图5.5 TTL芯片扩展的简单I/O接口电路5.2.2 单片机系统的扩展 此外，还可以利用单片机的串行口和移位存放器也可以实现I/O口的扩展。这种I/O是经过串行口把串行数据转换为并行数据，或是把并行数据转换为串行数据，此种扩展方法速度较慢，但所扩展的I/O口不占用片外I/O口地址。图5.6(a)所示是利用移位存放器74LS165并行输入串行输出扩展的8位并行输入接口电路。单片机与74LS165的串行输出端相连的

12、RXD作为串行输入端，与74LS165的时钟输入端相连的TXD端作为移位脉冲输出端，控制74LS165数据输出节拍。移位和置数过程经过单片机的一根I/O线如P1.0来控制。图5.6(b)所示是利用串行输入并行输出移位存放器74LS164扩展的8位并行输出接口电路。单片机与74LS164的数据输入端相连的RXD和TXD分别作为串行数据输出端和移位脉冲输出端，普通I/O口P1.0用于去除74LS164的输出数据。5.2.2 单片机系统的扩展 除了以上I/O口的扩展方法外，I/O接口的扩展还可以经过公用接口芯片，例如可编程的并行I/O接口芯片8255，图5.7所示的就是经过8255进展I/O扩展的电

13、路。 8255由并行I/O端口、数据总线驱动器、读/写控制逻辑和A组, B组控制块四个逻辑构造组成。8255经过读、写控制逻辑实现全部的任务形状。在单片机运用系统中，8255的读写操作是经过单片机的地址信号线A0和A1、数据信号线D0D7，及控制信号线WR, RD, CS实现的。 在运用可编程接口芯片时，除要有正确的硬件，软件中应添加相应的初始化操作。这是由于，用可编程接口芯片扩展I/O口可以经过软件灵敏方便地选择接口的任务方式。初始化任务主要是根据运用对芯片的任务方式进展相应的设定，使各口线任务在输入或输出形状。5.2.2 单片机系统的扩展 图5.6 利用串行口扩展I/O接口电路5.2.2

14、单片机系统的扩展 图5.7 可编程芯片扩展I/O接口电路5.2.2 单片机系统的扩展 在运用可编程接口芯片时，除要有正确的硬件，软件中应添加相应的初始化操作。这是由于，用可编程接口芯片扩展I/O口可以经过软件灵敏方便地选择接口的任务方式。初始化任务主要是根据运用对芯片的任务方式进展相应的设定，使各口线任务在输入或输出形状。 3常用I/O口扩展芯片 常用的I/O口扩展的TTL芯片有三态门74LS241, 74LS244, 74LS245、锁存器74LS273, 74LS273, 74LS374、串行输入/并行输出移位存放器74LS164, 74LS595、并行输入/串行输出存放器74LS165,

15、 74LS166和可编程I/O接口芯片8255, 8155等。 5.2.2 单片机系统的扩展4其他外围芯片扩展在单片机运用系统中，除了程序存储器、数据存储器及I/O口这些系统主要部件外，还有一些满足系统运用的非常有用的外围芯片，如中断系统、定时/计数器、键盘、显示控制器及串行通讯控制器等。这些外围芯片内部大都设有与微处置器芯片的接口电路，接口电路主要由控制命令逻辑电路、形状存储器与设置电路、数据存储与缓冲电路三部分组成，用来实现单片机信号与外围芯片内部信号的转换任务。由于大部分外围芯片能与微处置器芯片直接相连，因此在单片机运用系统中扩展，接口电路比较简单。图5.8所示为外围芯片与微处置器芯片衔

16、接的典型电路，中央处置器CPU与外围芯片衔接的信号主要是总线信号，包括地址信号、数据信号、读写控制信号、定时信号、中断信号和复位信号等。 5.2.2 单片机系统的扩展 图5.8 普通外围芯片扩展电路 5.2.2 单片机系统的扩展此外，有些外围芯片接口芯片专门用来控制微处置器芯片与外围设备的衔接，它们与外围设备衔接的信号主要是输入/输出控制信号和数据信号。不同的控制方式下，接口信号的复杂程度也不同。由于中断接口与DMA接口的控制信号更为复杂，因此通常要由接口芯片提供公用控制信号才干完成数据传输。在单片机运用系统中用到的外围芯片较常见的有：可编程控制器8259，可编程直接存储器存取控制器DMA82

17、37, 8257；可编程CRT控制器8275, 8276, MC6845, MC6847，可编程键盘、显示接口8279；可编程通讯接口8250, 8251；可编程定时器8253, 8254；点阵式打印机控制器8295；A/D和D/A转换芯片等。5.3 Freescale HCS12单片机1 5.3.1 Freescale HCS12单片机 系列简介 2 5.3.2 Freescale HCS12单片机 最小系统 5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介 Freescale HCS12微控制器系列产品是飞思卡尔公司于2002年在68HC12微控制器的根底上晋级开发出来的。它是基于

18、16位CPU的控制器，其前身是8位的68HC11微控制器。HCS12系列产品的任务电压为5 V，时钟频率最高为25 MHz。该系列产品微控制器的构造及特点如下：1HCS12的中心 16位HCS12CPU：20位ALU，指令队列，加强型索引寻址； 多种外部总线接口MEBI； 模块映射控制机制MMC； 中断控制INT； 5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介 断点BKP； 背景调试模块BDM。2CRG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。3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。5.3.1 Freesc

19、ale HCS12单片机系列简介4存储器HCS12存储器有内部存放器、RAM、EEPROM和FLASH/ROM。每个存储单元对应一个地址，共有64K个地址，用4位十六进制数表示0000HFFFFH。存储器中每个存储单元可存放一个8位二进制信息，这就是存储器存储单元内的内容。不同的存储器占用不同的存储空间。52个8通道A/D转换器HCS12内置了2个10位/8位的A/D模块：ATD0和ATD1。HCS12的ATD是逐次逼近型A/D转换器，它内置多路器，精度为2LSB，无需外部采样坚持电路。HCS12ATD在存放器区内共有28个存放器，其中3个仅用于HCS12消费线的内部调试。HCS12ATD的最

20、高转换频率约为2 MHz，ATD模块的特点如下：5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介 8位/10位精度可选择； 8位数字量转换时间仅需6 s，10位数字量转换时间仅需7 s； 具有采样缓冲器和放大器； 可编程采样时间； 数据可选择左/右对齐方式和无符号/有符号数据方式； 转换终了标志和转换终了中断； 外部触发控制； 模拟输入的8个通道为复用方式，采用多通道扫描方式； 模拟/数字输入引脚复用； 可选择单次转换方式或延续转换方式。5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介63个1 Mb/s的CAN总线模块，兼容CAN2.0 A/B 5个接纳缓冲器，3个发送缓冲器；

21、 4个独立的中断通道发送中断、接纳中断、错误中断和唤醒中断； 低通滤波器唤醒功能。7加强型捕捉定时器ECTECT功能相当于高速的I/O口，由一个16位自在运转计数器、8个16位的输入捕捉/输出比较通道、一个16位脉冲累加器以及一个16位模数递减计数器MDC组成。HCS12 ECT有以下特点： 4个具有16位缓冲存放器的输入捕捉通道； 4个8位脉冲累加器可以经过级联构成2个16位的脉冲累加器； 5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介 1个具有4位预分频的16位递减模/数计数器； 4个可选的延迟计数器用来加强输入抗干扰才干。88个PWM通道 每个通道的周期和占空比由程序决议； 8

22、个8通道或16个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。 5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介9串行口 2个异步串行通讯接口SCISCI是一种采用规范的不归零数据NRZ格式的异步串行通讯接口，它内置独立的波特率产生电路和SCI收发器，可以选择8或9个数据位其中9位数据格式的第9位可由SCI控制存放器的M位指定位奇或偶校验位。发送和接纳的奇偶校验位可以选择能否由硬件生成。SCI的特点是：双线串行接口，规范NRZ格式，硬件自动生成奇偶标志，全双工操作，独立波特率产生逻辑，独立的发送器和接纳器允许控

23、制位，通讯中采用中断驱动机制，具有回送方式，可以监视发送器的输出，实现通讯过程的自诊断。5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介 2个同步串行设备接口SPISPI系统的时钟源是总线时钟，可以经过设置SPI波特率存放器来选择分频系数。HCS12 SPI的中心是一个8位移位存放器，数据传输时，在时钟信号SCK的控制下，数据存放器的数据从8位移位存放器移出或移入。SPI数据存放器有SPI控制存放器 1SPICR1和SPI控制器2SPICR2设置。SPI形状存放器可以经过设置改动SPI的任务形状。当SPI系统使能时，PORTS端口的PS7PS4四个引脚将分别为SPI的MISO,MOSI

24、, SCK, 引脚。SPI有三种任务方式：主机方式、从机方式和双工方式。5.3.1 Freescale HCS12单片机系列简介10总线 兼容总线规范； 多组总线模块。11LQFP-112和QFP-80封装选择 5 V输入和带驱动才干I/O； 5 V A/D转换器输入； 50 MHz系统频率； 单线背景调试模块； 片上硬件断点。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计MC9S12DG128芯片是全国智能汽车竞赛组委会指定各参赛队运用的Freescale HCS12系列中的一款芯片，本节引见以MC9S12DG128芯片为中心的最小系统的组成，如图5.9所示。该最小系统主要包括以下几个部分：

25、时钟电路、串口电路、BDM接口、供电电路、复位电路和调试用LED灯。各个部分的功能分别如下：1时钟电路为单片机提供一个外接的16 Hz的石英晶振。2串口的RS-232驱动电路可实现TTL电平与RS-232之间的转换。3BDM接口允许用户经过该接口向单片机下载和调试程序。4供电电路主要是给单片机提供+5 V的电源。5复位电路是经过一个复位芯片给单片机一个复位信号。6调试用LED灯和单片机的PORTB口相连，供程序调试运用。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计1时钟电路时钟电路是单片机系统可靠运转的关键之一。假设时钟电路在设计上存在问题，会呵斥时钟电路不稳定，且时钟电路的高频噪声会引起系

26、统的兼容性下降，会成为系统永久的隐患。这种不稳定要素带来的不可靠性会给整个系统的调试任务带来极大的困难，设计人员普通很难发现会是由于时钟电路设计不合理或辅助元器件参数有问题呵斥的。因此，时钟电路的设计需求引起初学者的注重，在辅助元器件参数的选择、印刷电路板的布线等方面需求给予很大程度的注重。对于初学者，在设计时钟电路时，可以首先运用有源振荡器作为外部时钟，并且振荡器的频率不用太高，积累足够的阅历后再运用频率更高的晶振。假设运用无源石英晶振时，也可以不运用内部锁相环倍频电路。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计 规范的MC9S12DG128

27、单片机的时钟电路，经过把一个16 MHz的外部晶振接到单片机的外部晶振输入接口EXTAL和XTAL上，然后利用MC9S12DG128内部的压控振荡器VCO和锁相环PLL把这个频率提高到25 MHz，使之作为单片机任务的内部总线时钟。值得留意的是，MC9S12DG128单片机的外时钟电路既可以运用串联振荡电路，也可以运用并联振荡电路。运用串联振荡电路时，XCLKS引脚即PE7引脚要拉低，而运用并联振荡电路或外部有源振荡器时，该引脚要拉高。因此，在最小系统的设计中，通常会设计一处跳线，方便选择外部有源振荡器还是串联振荡电路。图5.10所示是最小系统外接无源晶振的接口电路。假设直接运用有源振荡器，那

28、么可以接一个16 MHz的外部有源晶体振荡器，经单片机内部分频后得到一个8 MHz的总线时钟。由于EXTAL的输入电压为2.5 V，故有源晶体振荡器输出的时钟信号必需经分压后才可以和EXTAL衔接。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计 图5.10 最小系统外接无源晶振的接口电路 5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计 对于锁相环模块，需求加上一个如图5.11所示的滤波器电路。其中，VDDPLL引脚由单片机内部提供2.5 V电压，XFC端是压控振荡器VCO的电压控制端，经过给锁相环电路编程，以数字方式锁定VCO的控制端电。而Cs, Cp和Rs的取值与晶振、REFDV存放器和SY

29、NR存放器有关，需求经过计算得出，假设其参数选择不当，会使得VCO的控制端电压抖动，导致系统任务不正常。 图5.11 锁相环滤波电路 5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计 时钟电路的振荡器一方面为单片机系统提供时钟，另一方面时钟电路又是一个很强的高频干扰源，因此，为防止对电路板上其他元件呵斥高频干扰，时钟电路部分的印刷电路板的设计要做得特别讲究。在设计印刷线路板的布线时，为使系统的电磁兼容性得到保证，单片机系统时钟电路和单片机电源电路印刷线路板布线必需满足以下的原那么：1时钟产生器尽量接近用到该时钟的器件。2尽量让时钟信号回路周围电场趋近于零。要用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短。

30、3石英晶振的外壳要接地。4在石英晶振的下面和对噪声特别敏感的器件下面不要布线。5锁相环的滤波电路要尽量接近MCU。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计6单片机的每个电源端和接地端都要接一个去耦电容，去耦电容要尽量接近MCU。对于给单片机不同电源端供电的VDD线也要遵照上述规那么，如模拟电路供电端VDDA、给单片机I/O模块供电端VDDX、给MCU内部电压调整器供电端VDDR等。片内的电压调整器向片内各模块输出多种不同规格的电压，如VDD1, VDD2，需求外接滤波电容时，一定不要省略。特别是时钟、锁相环电路的电源端VDDPLL，是由内部电压调整器给出的2.5 V电压，因此一定要接滤波

31、器件。A/D变换用的参考电压端的供电也要经过特殊的处置才干保证A/D变换的精度。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计2串行口的RS-232驱动电路经过串口驱动电路中的RS-232电平转换芯片，单片机可以利用异步通讯协议与PC机通讯。RS-232电平转换芯片可以实现TTL电平与RS-232电平之间的转换，然后再经过9芯串行口与PC进展串口通讯。3电源电路HCS12单片机的芯片内部运用3 V电压，而I/O端口和外部供电电压为5 V。通常需求采用滤波电路改善系统的电磁兼容性，降低系统对电源的高频干扰。4复位电路复位电路的作用是产生一个低电压信号给MC9S12DG128的RESET端，使系统

32、上电启动。在最小系统中，通常运用低电压复位芯片MC34064，使上电复位更加可靠。而在设计系统目的板时，也可以只用一只0.1 F的电容替代电路中的MC34064。同时，在系统目的板上通常添加一个手动复位按钮，以方便调试时运用。5.3.2 MC9S12DG128最小系统设计5BDM接口BDM接口是衔接BDM调试工具的，其中BDMIN接口是接BDM调试工具，向MC9S12单片机下载程序用的。假设下载相应的BDM调试工具软件到目的板后，这块目的板就具有了BDM调试器功能。BDMOUT接口是当开发上的运用程序为BDM调试器程序时，此接口可以用做BDM调试器的输出口。假设不计划将这块目的板用做BDM调试器，可以不引出BDMOUT接口，从而有更多的I/O口可供用户的运用程序运用。6单片机并行口及驱动才干并行口模块是单片机中最简单的I/O模块，其他功能模块如SCI, SPI, PWM, CAN等在不作为相应功能模块运用时，也可以作为并行口模块运用。假设在单片机的并行口上衔接一些发光二极管LED，可用于调试时显示系统运用程序的