S12系列单片机系统在智能车中的应用
单片机系统在智能车中的应用
1.引言
随着汽车的普及,智能车及其相关技术的研究已经成为热门。现在半导体在汽车中的应用越来越普及，汽车的电子化已成为行业发展的必然趋势。它包括了汽车电子控制装置，即通过电子装置控制汽车发动机、底盘、车身、制动防抱死及动力转向系统等，到车载汽车电子装置，即汽车信息娱乐系统、导航系统、汽车音响及车载通信系统等等，几乎覆盖了汽车的所有系统。汽车电子的迅猛发展必将满足人们逐步增长的对于安全、节能、环保以及智能化和信息化的需求。作为全球最大的汽车电子半导体供应商，飞思卡尔一直致力于为汽车电子系统提供全范围应用的单片机、模拟器件和传感器等器件产品和解决方案。飞思卡尔在汽车电子的半导体器件市场拥有领先的地位并不断赢得客户的认可和信任。其中在8位、16位及32位汽车微控制器的市场占有率居于全球第一。飞思卡尔的S12是一个非常成功的芯片系列，在全球以及中国范围内被广泛应用于各种汽车电子应用中。
2. S12系列微控制器综述
Freescal MC9S12系列MCU是以高速CPU12内核为基础的微控制器系列，简称S12系列。典型的HC12总线频率为8MHZ，而典型的S12总线频率为25MHZ。HC12与S12指令完全兼容，故在很多场合统称为HCS12系列微控制器。HCS12是世界上第一款包含完整的模糊逻辑指令的标准MCU，应用模糊控制指令可以简化控制系统，减少代码，加快程序运行速度。
智能产品的设计人员可利用S12系列微控制器低成本的Flash存储器，轻松实现以微控制器为基础的远程升级、换代和现场进行快速再编程系统设计，可缩短嵌入式产品的设计周期，改善性能，同时也能降低售后服务系统的整体成本。S12微控制器已广泛应用于通信、工业以及无数消费类电子产品中，例如空调、冰箱、洗衣机、电机控制、PC外围设备和通用机电产品。
2.1 S12系列微控制器的最小系统
S12系列微控制器的最小系统主要包括：
（1）MC9S12DG128单片机：MC9S12DG128系统结构分为两部分：MCU核心和MCU外设。MCU核心有三种存储128KB FLASH、8KBRAM、2KBEEPROM；
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多电压调整器（包括数字电路和模拟电路电源电压）；单线背景调试接口BDM和运行监视功能的增强S12CPU；程序存储器的页面模式控制；中断识别、读/写控制模式等控制功能的系统综合模块SIM；可用于系统扩展的分时复用总线端口，其中A口、B口可作为外扩存储器或接口电路的分时复用地址/数据总线，E口的部分口可作为控制总线。MCU外设有A/D转换器（ATD0、ATD1）；增强型定时模块（ECT）；串行接口SPI、IIC、CAN、Bytelight等。
（2）时钟电路：时钟电路在单片机系统硬件设计中往往是一个关键的部分，因为晶振体的工作频率很高，设计不当很有可能使其工作时的产生的高频信号对其他电路造成干扰，尤其是对模拟部分如 AD 转换输入信号的干扰；或者甚至晶振体不工作，导致整个单片机系统无法运行。
（3）滤波电路：滤波电路常用于滤去电压中的纹波，保证系统供电的稳定性。它一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器 C，或与负载串联电感器 L，以及由电容，电感组成而成的各种复式滤波电路。S12 系列单片机内部带有电压调整器,它主要负责为单片机的内部提供不同的电压，其中为锁相环电路提供的电压为 2.5V，因此其电源端 VDDPLL与 XFC需要外部连接滤波电路才能保证其正常运行。同样 FREESCALE 也要求我们为 S12 单片机的 VDD1、VDD2外接滤波电容。
（4）BDM接口电路：BDM接口是连接BDM调试工具的，其中BDMIN接口是接BDM调试工具，向MC9S12DG128单片机下载程序用的。若下载相应的BDM调试工具软件到目标板后，这块目标板就具有了BDM调试器功能。BDMOUT接口是当开发上的应用程序为BDM调试器程序时，此接口可以用做BDM调试器的输出口。如果不打算将这块目标板用做BDM调试器，可以不引出BDMOUT接口，从而有更多的I/O口可供用户的应用程序使用。
（5）电源电路：
使用5v供电的端口有如表2-1所示。
表2-1 使用5v供电的端口
VDDR VDDX VDDA 接+5V 接+5V 接+5V VSSR VSSX VSSA 接地 接地 接地 内部电压调整器供电端 I/O 驱动供电端 AD 转换器供电端 使用2.5v供电的端口有(内部电压调整器开启时不必进行外部供电)如表2-2所示。
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表2-2 使用2.5v供电的端口
VDDPLL 接+2.5V VDD1 VDD2 接+2.5V 接+2.5V VSSPLL 接地 VSS1 VSS2 接地 接地 锁相环供电端 内部电源供电端 1 内部电源供电端 2 此外还有其他供电端口如2-3所示。
表2-3 其他供电的端口
VRH VRL AD 转换器参考电压（不得大于 5V） VREGEN 电压调整器使能端 (上拉 3.3K电阻或直接连接可开启内部电压调整器) 需要说明的是当 VREGEN接地时，单片机的内部电压调整器关闭，我们需要外部对 VDDPLL，VDD1，VDD2提供稳定的 2.5V 电源，当 VREGEN接高电平时，单片机的内部电压调整器开启，我们不必对单片机进行外部供电，只需按照DEMON 滤波电路设计中讲的那样外接滤波电路即可。
（6）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，使系统上电启动。在最小系统中，通常使用低电压复位芯片MC34064，使上电复位更加可靠。而在设计系统目标板时，也可以只用一只0.1 ?F的电容替代电路中的MC34064。同时，在系统目标板上通常添加一个手动复位按钮，以方便调试时使用。作为MCU操作模式的选择引脚，次引脚的状态在RESET信号的上升沿被锁入MODB位。在复位中作为MCU操作模式的选择引脚，在RESET信号的上升沿这个引脚的状态锁入MODC位，此引脚有一个固定的上拉电阻，并且一直使能。
（7）I/O接口电路：112 引角封装的S12 系列单片机接口一共有92个，包括AD、A、B、E、H、J、K、M、P、S、T 共 11 组端口，并且采用了引角复用功能，每组端口不仅可设定为普通的 I/O 端口，还各自具备特殊的功能，例如S 端口可设置为 SPI 和 SCI 通讯接口，T 端口可设置为增强型捕捉定时器的输入，输出接口等。
（8）RS-232 串行通讯电路：通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信协议与PC机通信。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，然后再通过9芯串行口与PC进行串口通信。
2.2 S12系列的优点
（1） 具有Flash存储器：16位S12系列可以提供32到512KB的第三代Flash
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嵌入式存储器，采用0.25um技术生产。第三代Flash存储器技术提供快速编译能力、灵活的时钟保护和安全性，帮助客户保护软件编码中的识产权。另外，具有Flash存储器的Freescal微控制器的在线可编程功能，是专门为用户在生产阶段和远程升级时可灵活编程而设计的。
Freescal S12系列产品具备引脚兼容性和不同容量的片上Flash存储器，以方便嵌入式系统设计师无需重新设计“内部”系统，就可以应用不同容量的片上存储器，设计多种多样的S12衍生电子产品。
（2）编码方式效率高：S12系列采用的C语言已进行了最优化设计。HCS12的硬件结构比其他16位结构的MCU具备更高的编码效率。高效的编码效率不仅降低了对MCU存储器空间的需求，而且可降低智能电子产品的整体系统成本。与其他16位结构的MCU仅能采用固定的16位操作码不同，S12结构的编码方式可以使用多8个操作码。S12还具备更先进的寻址方式，比如多字节前减量、后增量可变址寻址等。为更有效的进行应用开发，提高编码效率，S12还设计了更多的寻址方式。其总线频率可达25MHZ，并可进行高效的片上纠错，为现有的用户升级到下一代更高性能微控制器提供了技术保证。
（3） 低成本调试功能：S12系列控制器具有单引脚接口的背景调试（BDM）方式。该方式为实时、无干扰、100%电路仿真，解决了传统背插式仿真器在兼容性、仿真速度、电平和机械接口方面普遍存在的问题。嵌入式系统设计师可以在浏览和更改存储器的同时，实时调试一个真实的系统，并且可通过调整系统性能，监控程序的运行结果和参数变化。
S12的片内RAM 和EEPROM容量可达2到14KB。在串行接口方面，S12最多可支持5个CAN总线接口、1个I2C总线接口、2个SCI接口、3个SPI接口。HCS12时钟发生器模块内设锁相环，内部时钟可软件调节。
3 结论
本次课题重要任务是建立一个以飞思卡尔16位微控制MC9S12DG128芯片为核心的最小系统。该最小系统主要包括：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16M 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；
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（3）BDM接口允许用户通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）复位电路是通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，供程序调试使用；
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参考文献
[1] 安鹏，马伟.S12单片机模块应用及程序调试[J].电子产品世界，2006,162-163.
[2] 卓青，黄开胜，邵贝贝.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京航空航天出版社，2007. [3] 黄开胜，金华民，蒋狄南.汽车安全与节能国家重点实验室韩国智能模型车技术方案分析[J].
电子产品世界，2006.
[4] 第一届“飞思卡尔”杯全国大学生智能车邀请赛比赛规则[J].,2005. [6] MC92S12DG128 数据手册[OL].
[7] 卓青，黄开胜,邵贝贝.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京航空航天出版社，2007. [8] 李朝青.单片机原理及其接口技术[M].北京航空大学出版社，1998. [9] 邬宽明.单片机外围器件实用手册[M].北京航空大学出版社，1998. [10] 沙占友.单片机外围电路设计[M].电子工业出版社，2003，46-48.
[11] 刘守义.单片机应用技术[M].西安电子科技大学出版社，2002，218-222，269-280. [12] 邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].清华大学出版社，北京2004. [13] 阎石.数字电子技术基础[M].高等教育出版社，第四版.
[14] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社，第二版. [15] 康华光.电子技术基础 模拟部分[M]. 高等教育出版社，第四版. [16] 谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].华中科技大学出版社，第二版. [17] 张肃文.高频电子线路[M].高等教育出版社，第四版. [18] 卜益民.模拟电子技术[M].北京邮电大学出版社，2004.7.
[19] 肖玲妮，袁增贵.Protel 99 SE印刷电路板设计教程[M].清华大学出版社,2003. [20] 崔玮.Protel 99 SE电路原理图与电路板设计教程[M].海军出版社，2005. [21] 赵晶.电路设计与制版 Protel 99 高级应用[M].人民邮电出版社，2000. [22] 陈绮，姜雪松.印制电路板设计[M].机械工业出版社，2006. [23] http://www.freescale.com.cn [24] http://www.21ic.com [25] http://www.maxim-ic.com.cn [26] http:// www.intelligentcar.cn
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