新学习队员章综合应用实例

《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》MC9S12XS单片机原理

及嵌入式系统开发合肥工业大学张阳，吴晔，滕勤Email：，，TEL：，《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》第13章

综合应用实例概述综合应用实例1综合应用实例2综合应用实例3综合应用实例4

《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.1概述

循迹智能车系统是多个学科知识的综合应用，该系统以MC9S12XS128为控制核心，通过路径检测、电动机控制等各功能模块协同工作，实现最短时间的循迹功能，智能车必须具备较快的运行速度和较高的稳定性。前面章节主要介绍了MC9S12XS128中各模块的原理及应用，结合简单实例介绍了各模块的程序设计方法。本章介绍4个综合应用实例，每个实例需要应用微控制器中的多个模块才能解决某个问题，有助于读者掌握综合分析问题和解决问题的方法，也为智能车系统设计提供了有益借鉴。

注：因本章各综合应用代码都比较长，所以，幻灯中不再放置代码内容，请读者参考电子档源程序。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1

综合应用实例1主要功能：使用MC9S12XS128中的PIT模块完成4s精确定时，当4s定时时间到时，启动AD模块完成2路模拟信号采样，使用Nokia5110液晶显示AD转换结果，并应用SCI模块，通过RS-232串口将转换结果同步发送给PC，用户在PC上利用串口调试软件，能够实时显示采样数据。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.1系统组成

图13.1是综合应用实例1的系统组成框图，反映了实例1中需要使用到的MCU各功能模块，以及与外设之间的连接，下面将简要介绍实例1中各部分应用设计。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.2A/D输入接口

图13.2中的R_AD0和R_AD1是2个1k电位器，电位器调节实现0～5V模拟电压输出，将电位器可调端连接到AD模块的通道0和通道1，AD转换模块参考电压为5V。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.3显示接口 Nokia5110液晶显示屏是84×48点阵LCD模块，可显示4行汉字；使用串行接口与主处理器通信，支持多种串行通信协议（如SPI总线、MCS51的串口模式0等），传输速率高达4Mbps；可全速写入显示数据，无等待时间。液晶模块实物如图13.3所示。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.3显示接口 MC9S12XS128与Nokia5110接口连接参见表13-1和图13.4，其中5110液晶模块中的引脚OSC为外部时钟输入，若使用片内振荡器该引脚接VCC；引脚VOUT为LCD模块电路供电，需外接一个0.1～10uF电容；引脚VCC为工作电源输入（3.3～5V）。MCU引脚PM0驱动4个LED作为LCD背光功能使用。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.3显示接口《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.4通信接口

通信接口利用SCI模块经过电平转换芯片MAX232A，实现与PC的RS-232串口通信，详细信息请读者查阅本书第11章。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.5应用软件设计

本小节内容不再详细列出，请读者参考电子档源程序。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.2综合应用实例1 13.2.6软件流程图

综合应用实例1的程序流程如图13.5所示《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2

综合应用实例2主要功能：使用MC9S12XS128中的SPI模块对MircoSD卡进行读/写操作，并应用SCI模块将写入到MircoSD卡的数据，通过RS-232串口同步发送给PC，用户在PC上利用串口调试软件，检查写入SD卡的数据。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.1系统组成

图13.6是综合应用实例2的系统组成框图，以下简要介绍实例2中各部分应用设计。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.2MircoSD卡接口 MicroSD卡是一种标准快闪存储器卡。MicroSD卡和SD卡传输原理、引脚定义完全相同，只是接口外形尺寸不同。MicroSD卡具有低功耗、非易失性、保存数据无须消耗能量等特点，广泛应用于GPS设备、便携式音乐播放器、数码相机和许多快闪存储器设备。MircoSD卡实物如图13.7所示。

《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.2MircoSD卡接口 MircoSD卡支持两种数据传输模式：SPI总线和SD总线传输模式。尽管SPI传输模式下的MircoSD卡工作效率和传输速率都没有SD总线传输模式下的高。但SPI传输模式下的MircoSD卡协议简单易用，兼容性好，外围电路简单，且MCU往往只有SPI接口而没有SD总线接口。利用MC9S12XS128中SPI模块，设计访问MicroSD卡接口电路如图13.8所示。

《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.2MircoSD卡接口 SPI传输模式下，MC9S12XS128与MicroSD卡接口连接参见表13-6，其中卡引脚VDD为工作电源输入（2.7～3.6V），引脚VSS和引脚VSS2为电源地，引脚RSV未用。

《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.3通信接口

通信接口与综合应用实例1中相同，在此不再赘述。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.4SD卡工作电源 MCU使用直流5V工作电源，经过低压差线性调压器LM1117DT-3.3稳压输出3.3V，为MircoSD卡提供工作电源，如图13.9所示。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.5应用软件设计

本小节内容不再详细列出，请读者参考电子档源程序。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.6MircoSD卡应用软件设计《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.6MircoSD卡应用软件设计《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.6MircoSD卡应用软件设计《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.3综合应用实例2 13.3.7软件流程图《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3

综合应用实例3主要功能：使用MC9S12XS128中的AD模块完成1路模拟信号采样，利用PWM模块中的2路分别控制舵机和直流电动机，脉冲累加器获取电动机转速信号，Nokia5110液晶可显示AD转换结果数值、直流电动机转速和舵机转角等信息。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.1系统组成

图13.16是综合应用实例3的系统组成框图，以下简要介绍实例3中各部分应用设计。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.2A/D输入接口

图13.17中的R_AD0是1k电位器，电位器调节实现0～5V模拟电压输出，将电位器可调端连接到AD模块通道0，A/D转换模块参考电压为5V。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.2显示接口

显示接口与综合应用实例1中相似，在此不再赘述。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.4直流电动机驱动接口

直流电动机是智能车行驶动力源，直流电动机驱动电路既可使用分立的功率元件（如MOSFET）搭建，也可使用集成的直流电动机功率驱动芯片。本书第7章以Freescale公司的H桥功率驱动芯片MC33887为例，介绍了应用PWM模块控制直流电动机的方法。现以Infineon公司的半桥功率驱动芯片BTS7960为例，介绍使用MC9S12XS128的PWM模块和该芯片控制直流电动机。BTS7960芯片内部结构如图13.18所示。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.4直流电动机驱动接口 BTS7960引脚功能参见表13-22。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.4直流电动机驱动接口

智能车系统中，使用两片BTS7960驱动控制直流电动机正反转（与H桥功能相同）的原理图如图13.19所示。 PWM1（PWM0和PWM1级联）和PWM5（PWM5和PWM6级联）作为两路级联实现16位PWM输出，分别与两片BTS7960引脚IN相连，实现电动机驱动的正反转控制；通过PA1口的置1或清零操作，使能或禁止BTS7960引脚OUT驱动输出。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.5测速输入信号调理电路

使用MC9S12XS128中的TIM模块脉冲累加器和光电编码器可实现智能车测速功能，请读者参阅第9章和第10章相关内容。

在电动机转轴上安装机械码盘，该码盘嵌入槽形光耦中。当电动机转动时，转轴带动该码盘转动，槽形光耦记录码盘的转动信息。测速输入信号通过两个运放组成的调理电路，将相应的光信号转换为电脉冲信号，由脉冲累加器计数，如图13.20所示。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.6伺服电动机驱动接口

伺服电动机控制使用MC9S12XS128微控制器的PWM模块功能，请读者参阅第7章相关内容，伺服电机驱动控制原理图如图13.21所示。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.7应用软件设计

本小节内容不再详细列出，请读者参考电子档源程序。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.4综合应用实例3 13.4.8软件流程图《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.5综合应用实例4

综合应用实例4主要功能：使用MC9S12XS128中的IRQ中断结合PIT模块计算智能车在赛道上跑一圈的时间，测量分辨率为0.001s，测量结果在NoKia5110液晶模块上显示。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.5综合应用实例4 13.5.1系统组成

图13.23是综合应用实例4的系统组成框图，以下简要介绍实例4中各部分应用设计。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.5综合应用实例4 13.5.2起始线信号检测方法

要完成智能车跑完一圈的时间统计，前提是能够识别赛道上的起始线。下文先介绍摄像头组、光电组和电磁组三个不同组别的起始线识别方法。竞赛规则中的赛道起始线示意图如图13.24所示，摄像头组和光电组在计时起始点两边分别有一个长度10cm黑色计时起始线；电磁组在黑色计时起始线中间安装有永久磁铁，每一边各三只。磁铁参数：直径7.5～15mm，高度1～3mm，表面磁场强度3000～5000G，起跑线附近的永磁铁的分布是在跑道黑色中心线两边对称分布。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.5综合应用实例4 13.5.2起始线信号检测方法 1）电磁组

使用干簧管能够检测恒定磁场，干簧管是一种磁敏特性开关，也称为干簧继电器。它通常有两个或三个软磁性材料做成的簧片触点，触点封装在充有惰性气体（如氮、氦等）或真空的玻璃管里，玻璃管内平行封装的簧片端部重叠，并留有一定间隙或相互接触以构成开关的动合或动开接点。现选用动合型干簧管，当永久磁铁靠近干簧管时，其内部簧片的接点就会感应出极性相反的磁极。由于磁极极性相反而相互吸引，当吸引的磁力超过簧片的抗力时，分开的接点便会吸合；当磁力减小到一定值时，在簧片抗力的作用下接点又恢复到初始状态（分开）。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.5综合应用实例4 13.5.2起始线信号检测方法

干簧管的连接图和实物图如图13.25和图13.26所示。为了防止误触发，需要在干簧管两端并接0.1uF电容。干簧管闭合时IRQ中断检测到低电平，开始计时；等到IRQ再次检测到低电平时，则停止计时，这样就可精确地记录智能车跑一圈的时间。《MC9S12XS单片机原理及嵌入式系统开发》13.5综合应用实例4 13.5.2起始线信号检测方法 2）光电组

假如光电传感器为12组，传感器编号和排放位置如图13.27所示。当传感器同时检测到黑线个数大于2时，可初步判断为起始线。为确保起始线判断的准确性，传感器多接收几组信号，进行或运算，并保存在数组中，对数组数据进行分析。

由于检测到黑线的传感器编号是连续的，假如接收到黑线的相邻传感器的编号不连续，则认为接收到的信号发生了跳变。通过分析知道起始线处，黑线信号检测会存