摘要：針對(duì)“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車邀請(qǐng)賽，設(shè)計(jì)了基于MC9S12XS128(飛思卡爾專用芯片)的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，在此給出主要硬件電路和軟件設(shè)計(jì)流程。為驗(yàn)證該系統(tǒng)可靠性，設(shè)計(jì)了4×4矩陣鍵盤鍵號(hào)的識(shí)別與數(shù)碼管顯示電路。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，此開發(fā)板的應(yīng)用大大提高了智能車開發(fā)效率。同時(shí)可為大學(xué)本科學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及為汽車電子行業(yè)工程師提供良好的開發(fā)平臺(tái)，具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞：飛思卡爾；MC9S12XS128；CAN總線；矩陣鍵盤
0 引言
“飛思卡爾”杯全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽是以迅速發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)交叉學(xué)科的科技創(chuàng)意性比賽，該項(xiàng)目由大賽組委會(huì)統(tǒng)一提供車模，利用指定的微控制器作為核心控制單元，各參賽隊(duì)伍在此基礎(chǔ)上自主進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，完成智能車的制作，使其能夠在專門設(shè)計(jì)的跑道上自動(dòng)識(shí)別道路，并以最高速度行駛。此項(xiàng)賽事旨在加強(qiáng)大學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、團(tuán)隊(duì)合作精神和培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。本文設(shè)計(jì)了基于MC9S12XS128(飛思卡爾指定芯片)的單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)，為即將參加此項(xiàng)競(jìng)賽的同
學(xué)提供學(xué)習(xí)平臺(tái)。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，此項(xiàng)開發(fā)板的應(yīng)用大大提高了大學(xué)生制作智能車的開發(fā)效率。
1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
MC9S12XS128單片機(jī)開發(fā)板由MC9S12XS128單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源模塊、CAN／LIN總線接口、USB轉(zhuǎn)串口、標(biāo)準(zhǔn)異步串行接口、MAX 485通信接口、4×4矩陣鍵盤鍵號(hào)的識(shí)別與顯示電路(包括數(shù)碼管和液晶顯示接口)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。
1．1 電源模塊設(shè)計(jì)
此開發(fā)板上提供2種輸出電壓，分別為5 V和12 V，輸出的12 V電壓可以通過LIN總線接口外接，同時(shí)提供2種電壓輸入方式，通過公用一個(gè)電源插頭給此開發(fā)板送入5 V或12 V電壓，當(dāng)輸入5 V電壓時(shí)，開關(guān)s，需打到5 V檔上，板內(nèi)芯片ST662將5 V的電壓轉(zhuǎn)換為12 V電壓，給需要12 V電壓的模塊供電。當(dāng)選擇使用輸入12 V電壓給開發(fā)板供電時(shí)，開關(guān)S1需打到12 V檔上。此供電系統(tǒng)的原理圖如圖2所示。
1．2 CAN總線與LIN總線設(shè)計(jì)
TJA1041高速CAN收發(fā)器通過接頭與MC9S12XS128的CAN總線引腳相連。考慮到CAN總線的不常使用，和功耗比較大，所以系統(tǒng)不但設(shè)計(jì)了這2種總線接口，為了方便又設(shè)計(jì)了J-CAN-SELECT接頭和J-LIN-Selector接頭。當(dāng)使用CAN總線時(shí)，用跳線帽把J-CAN-SELECT接頭選通，當(dāng)使用LIN總線時(shí)，用跳線帽把J-LIN-SELECT接頭選通。CAN總線原理圖(LIN總線原理圖略)如圖3所示。
1．3 通信接口設(shè)計(jì)
文中采用單片機(jī)與PC機(jī)之間的異步通信模式，將單片機(jī)看成另外一個(gè)PC機(jī)，只需3根線：發(fā)送線，接收線和固定公地線。由于MC9S12XS 128內(nèi)部集成有2個(gè)串口控制器，可以選用其中一個(gè)作為RS 232串口使用，另外一個(gè)作為485總線的控制器。單片機(jī)內(nèi)部TTL電平與RS 232信號(hào)電平之間的電平轉(zhuǎn)換選用MAXIM公司的MAX 232芯片。串口和485接口原理圖如圖4所示。
其中PS1為對(duì)應(yīng)的單片機(jī)上串行控制接口0的發(fā)送端，PS0為接口0的接收端。另外為了方便應(yīng)用，設(shè)計(jì)了USB轉(zhuǎn)串口電路，原理圖如圖5所示。由于MC9S12XS128內(nèi)部只集成有2個(gè)SCI控制器，所以USB轉(zhuǎn)串口，串口，LIN，485四種通信接口需要公用2個(gè)SCI控制模塊：串口與USB轉(zhuǎn)串口公用SCI0，485與LIN公用SCI1。USB協(xié)議轉(zhuǎn)換成串口通信協(xié)議選用PL2303芯片。
1．4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用組委會(huì)推薦的專用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886，驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。其中，V1+接電池正極；VCC接系統(tǒng)+5 V；OUT+和OUT2-接直流電機(jī)；IN1和IN2控制MC33886輸出不同的值。
1．5 矩陣鍵盤按鍵識(shí)別
在MC9S12XS128單片機(jī)的I／O口設(shè)計(jì)4×4行列式鍵盤，采用程序掃描識(shí)別鍵號(hào)，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，其鍵號(hào)顯示在共陰極LED數(shù)碼管上。其電路如圖7所示。在鍵盤的按鍵識(shí)別中通常采用“行掃描法”(逐行或列)掃描查詢法。判斷鍵盤中有無鍵按下時(shí)，將列線PT0～PT3置為輸出，將其中一條線置低電平其余3條線輸出高電平，然后檢測(cè)行線的狀態(tài)。只要有一行的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵為被拉低的低電平行線與4根列線中低電平線相交叉的對(duì)應(yīng)按鍵。若判斷所有行線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下(具體可用查表的方法)。
但是此種方法單片機(jī)需要通過不停的掃描查詢，方可準(zhǔn)確的檢測(cè)到按鍵值。考慮到PP口有中斷功能所以可將這4個(gè)口設(shè)置成中斷的模式來獲得按鍵值，本設(shè)計(jì)中是將拉高的4位通過一個(gè)與門接到單片機(jī)的帶中斷的引腳上，這樣當(dāng)任意鍵按下時(shí)就會(huì)產(chǎn)生低電平發(fā)生中斷，這時(shí)單片機(jī)再進(jìn)行按鍵判斷，從而無需一直查詢，減少了MCU的負(fù)荷量。
數(shù)碼管顯示電路采用共陰極使用兩個(gè)鎖存器74HC573分別接到PORTA口和PORTB口來實(shí)現(xiàn)。也可應(yīng)用液晶顯示接口：1602和12864接口顯示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，由于存在鍵盤陣列、數(shù)碼管顯示和液晶顯示，它可以完成較多的常規(guī)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。如LED流水燈實(shí)驗(yàn)、基于PWM控制的蜂鳴器實(shí)驗(yàn)、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、鍵盤驅(qū)動(dòng)、1602液晶驅(qū)動(dòng)、ATD轉(zhuǎn)換等多個(gè)實(shí)驗(yàn)；還可以進(jìn)行目前工業(yè)控制所常用的通信試驗(yàn)，如串口，IIC，CAN，LIN，485總線實(shí)驗(yàn)，基本具備單片機(jī)開發(fā)工業(yè)控制系統(tǒng)的能力。下面以電子鐘為例來介紹其軟件設(shè)計(jì)思想。
在電子鐘設(shè)計(jì)中對(duì)于時(shí)間的產(chǎn)生，選擇PIT0，即對(duì)周期中斷定時(shí)器0做初始化，使其每隔1 ms產(chǎn)生1次中斷，定義4個(gè)變量分別為：毫秒，秒，分，時(shí)，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)這4個(gè)變量在實(shí)際中的關(guān)系更新這4個(gè)變量。在主程序中判斷鍵盤按鍵值和進(jìn)行時(shí)間顯示，這里定義3個(gè)鍵值：1，2，3。軟件程序流程圖如圖8所示。
3 結(jié)語
本套單片機(jī)開發(fā)板為即將參加“飛思卡爾”競(jìng)賽的學(xué)生提供了一個(gè)靈活高效的學(xué)習(xí)平臺(tái)，同時(shí)可為大學(xué)本科學(xué)生學(xué)習(xí)嵌入式開發(fā)系統(tǒng)以及為汽車電子行業(yè)工程師提供良好的開發(fā)平臺(tái)，具有較高的實(shí)用性和推廣價(jià)值。