基于32位微控制器MC68HC376的開發(fā)設計和應用

　　1 MC68HC376的基本特性 MC68HC376具有速度快、并行處理能力強、可靠性高、功耗低、功能強大等優(yōu)點。與目前常用的8位、16位微控制器相比，其片內資源極其豐富，適用于各種控制場合；內部集成度高，硬件可靠性和穩(wěn)定性強，外部擴展工作少，開發(fā)周期短。

1.1 主要功能模塊

　　MC68HC376為160腳的封裝結構。其主要功能模塊包括32位CPU；系統(tǒng)集成模塊(SIM)；4KB備用RAM；8KB片內ROM；10位隊列式的摸數(shù)轉換 器(QADC)，具有強大的數(shù)模轉換控制功能；隊列式串行通信模塊(QSM)，可以方便地實現(xiàn)同步、異步通信功能；可構造時鐘模塊(CTM4)，具有多種強大的定時、記數(shù)和脈沖調制功能；時間處理單元(TPU)，可對各種事件進行快速的智能處理；3.5KB靜態(tài)TPURAM；CAN控制模塊　　(TOUCAN)， 能方便地實現(xiàn)工業(yè)自動化等場合的局域網絡控制。

1.2 基本性能

　　(1)24位地址總線16位數(shù)據(jù)總線，支持32位數(shù)據(jù)操作；

　　(2)2個8位雙功能I/O，1個7位雙功能I/O，16～44個模擬量輸入通道；

　　(3)具有系統(tǒng)保護邏輯，同時可進行時鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視；

　　(4)速度快，在4.194MHz晶振下,系統(tǒng)時鐘可達20.97MHz；

　　(5)功耗低，具備低功率休眠功能；

　　(6)支持高級語言和背景調試。

2 基于MC68HC376的系統(tǒng)設計

2.1 片外Flash和RAM的擴展

　　MC68HC376有24位地址線和12位可編程的片選線。每根片選線可選通2KB～1MB的地址區(qū)，因此MC68HC376具有很強的擴展能力。注意： CS[6～10]與ADDR[19～23]復用。如何合理地安排這些地址線和片選線是系統(tǒng)優(yōu)劣的關鍵。
本系統(tǒng)擴展了2片128KB的片外Flash 29C010A，2片128KB的片外RAM HM628128，擴展電路圖略(詳見《電子技術應用》2002.10)。

　　值得注意的是：Flash和RAM均由A[1～17]尋址，實際上是一種字尋址方式，最低位A0不用。2片F(xiàn)lash和2片RAM的數(shù)據(jù)口分別接至 MC68HC376的D[8～15]和D[0～7]，對應字的高低字節(jié)。在程序中應注意存放高字節(jié)的芯片對應字的低字節(jié)地址。
2.2 系統(tǒng)功能選擇電路設計

　　與MCS-51和MCS-196系列單片機不同的是，MC68HC376復位時數(shù)據(jù)線的狀態(tài)決定控制器某些相關的功能和操作模式。因此，根據(jù)實際系統(tǒng)的功能需要來選擇對應的復位狀態(tài)，是系統(tǒng)設計的一個重要環(huán)節(jié)。

　　所有數(shù)據(jù)線都有內部弱上拉電阻，復位時默認狀態(tài)為高，對應系統(tǒng)相應的默認功能；當需要利用其非默認功能時，需要強制電路使相應數(shù)據(jù)線在復位時電位為低。相應的模式選擇電路圖略(詳見《電子技術應用》2002.10)。

　　為了避免復位時MCU與外部讀寫器件沖突，引入DS和R/W作為門控信號。這里，將SIM模塊構造成兩個通用的并行I/O 口，將DB8和DB9在復位時強制為低；而片選腳分別作為片選或者輸出口，所以DB[0～7]保持默認狀態(tài)；因系統(tǒng)采用晶振作為外部參考頻率源，所以MODCLK腳也應保持默認狀態(tài)。

2.3 時鐘部分的設計

2.3.1 系統(tǒng)時鐘的獲得

　　本系統(tǒng)采用晶振作為外部參考頻率源,電路和普通電路一樣。但要注意確保 MODCLK腳在復位時為高，否則系統(tǒng)會出錯。

　　本系統(tǒng)采用Motorola公司推薦的4.194MHz晶振頻率，同時通過寫時鐘合成控制寄存器SYNCR中的相關位來獲得一定的系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)時鐘頻率SYNCR與的W位、X位和Y[0～5]區(qū)的值有關：Fsys=Fref x [4(Y+1) x 2(2w+x)]/128。
當寫入W=1，X=0，Y=100111時，F(xiàn)sys=5Fref=20.97MHz。(注意：不要超過MC68HC376系統(tǒng)頻率的最大允許值20.97MHz)。

2.3.2 外部濾波電路

　　由于采用外部參考頻率源，所以需要在XFC腳上接入濾波電路。應盡可能降低XFC腳的泄露電流，以提高時鐘的穩(wěn)定性和內部鎖相環(huán)的性 能。濾波電路圖略(詳見《電子技術應用》2002.10)。

2.4 輸入輸出通道

　　系統(tǒng)輸入輸出通道包括模擬量輸入、開關量輸入、鍵盤輸入、液晶顯示、控制量邏輯輸出等部分。為了減小干擾，開關量輸入采取光電隔離方式。運用MC68HC376的CTM4模塊測量頻率，由QADC模塊實現(xiàn)隊列式的模數(shù)轉換功能。

2.4.1 應用CTM4進行頻率測量

　　Motorola公司的CTM4模塊包括總線接口單元BIUSM、計數(shù)器分頻子模塊CPSM、1個16位自由計數(shù)器FCSM、2個16位可自動重裝載計數(shù)器MCSM、 4個動作單元DASM、4個脈寬調節(jié)子模塊PWMSM。 GPSM通過對系統(tǒng)時鐘分頻向CTM4各個模塊提供6種不同的記數(shù)時鐘PCLK1～PCLK6。在運行CTM4各個單元之前，應先設置并啟動CPSM。注意，CPSM的構造值關系到實際測頻和測周結果的計算。

　　在實際測量中，為了提高測量精度，對于較高的頻率采用計數(shù)測頻法，對于較低的頻率采用測周測頻法。外部信號經過濾波、過零比較后同時接入MC68HC376的CTM2C腳和CTD3腳，由軟件選擇判斷實際采用的方式。測頻子程序包括測周測頻部分(流程圖和計數(shù)測頻部分圖略，詳見〈電子技術應用〉2002.10)。

　　(1)通過測周間接測頻

　　當待測頻率不高時，采用測周測頻方法。DASM單元的特點在于不需要軟件的干預而自動高速、精確地捕捉CTD3腳上兩個連續(xù)的上(下)跳沿，兩次捕捉的時間差即為待測信號的周期。

　　(2)通過計數(shù)器直接測頻

　　當待測頻率較高時，采用直接測頻方式。用CMSM2作定時器，利用FCSM12對CTM2C引腳的方波信號進行計數(shù)。

　　(3)應用測頻的幾個實際問題

　　應用測頻的程序結構并不復雜，但有幾個實際問題值得注意：

　　*啟動后，不應立即啟動產生時鐘，否則會因為程序在設置相應子單元時不同步而造成測量誤差。

　　*在完成一次測周后，一般應選擇模式0停止DASM；但注意在停止DASM時，實際對DSAM還有一個復位動作，所以最好在關閉DASM前讀出捕捉寄存器A、B的值。而一般的定時計數(shù)器都是在停止后讀值。

　　*在使用計數(shù)測頻方式時，F(xiàn)CSMCNT在不溢出的狀態(tài)下最大可計量216Hz的頻率。這對更高頻率的測量是不夠的。設置一個溢出計數(shù)器N， 在每次溢出中斷時加1計數(shù)，同時，因為CTM2C腳最大允許輸入為Fsys/4，所以在20.97MHz的系統(tǒng)頻率下，N使用8位計數(shù)器就可以滿足要求。

　　*判斷是采用計數(shù)測頻還是測周測頻的頻率定值，應該以減少測量誤差為準則，需要對理論誤差進行計算，同時根據(jù)實際測量情況進行調整。

2.4.2 利用QADC模塊實現(xiàn)A/D轉換

　　QADC的主要功能模塊包括兩個隊列(QUEUE)、命令字(CCW)表、結果字表和一些相應的控制寄存器。QADC的最大特點是能夠通過寄存器和命令組織待轉換的模擬量，使其按一定的隊列形式在一定條件下觸發(fā)轉換序列，并將結果按一定的格式放于結果字表中。在實現(xiàn)A/D轉換時 要進行的工作如下：

(1)構造相關的管腳

　　QADC的管腳可作為模擬量I/O、數(shù)字量I/O或多路復用功能腳。在使用相應管腳之前要先對其進行構造。本系統(tǒng)中16路模擬輸入口已經夠用，不需多路復用(可達44路)，因此先對控制寄存器QACR0中的MUX位清零。相應管腳的引用名稱為AN[52～59]、AN[48～51]、AN[0～3]。最后在數(shù)據(jù)方向寄存器DDRQA中將相應位清零，即管腳設為輸入。

(2)構造隊列和命令字表

　　先通過控制寄存器QACR1和QACR2中的MQ1和MQ2區(qū)選擇隊列1和2工作方式。為減少軟件干涉、提高轉換程序效率，設置MQ1=MQ2=101，即軟件觸發(fā)的連續(xù)掃描方式。根據(jù)所測頻率經過軟件倍頻后可以很容易地對相關量進行跟蹤采樣，而不需要外部鎖相跟蹤電路。然后，按一定的順序和幽閑級來組織隊列。

　　由于沒有多路復用，這里用16個轉換命令字(CCW)分別控制16路輸入通道。在CCW中寫入通道號、采樣輸入時間選擇和放大模式選擇。轉換命令字表中最多可有40個CCW。

(3)構造中斷和結果讀取

　　在QADC結構寄存器QADCMCR中寫入中斷判決號，注意中斷判決號應該是非零且唯一的；寫隊列控制寄存器QACR1 (2)，設置中斷允許位 CIE1、CIE2；寫QADC中斷寄存器，通過IRLQ1(2)區(qū)設置隊列1(2)的中斷優(yōu)先級，通過IVB區(qū)提供QADC中斷向量號的高6位。

　　當隊列轉換完成后申請中斷，中斷服務程序從結果字表中讀取轉換結果。然后清楚隊列狀態(tài)寄存器QASR中的中斷標志位CF1、CF2，準備下一輪隊列轉換。

2.5 通信口電路

　　本系統(tǒng)包括RS-232接口和CAN接口。RS-232接口通過隊列式串行模塊QSM和外部的MAX232芯片連接實現(xiàn)。CAN接口通過TouCAN模塊與外部的CAN250芯片連接實現(xiàn)。

3 應用實例

　　應用該方案的數(shù)字式低頻低壓控制裝置，通過實時測量電力線的電流、電壓和頻率，進行綜合快速的分析判斷，從而形成保護決策。該裝置已通過電力部電力設備及儀表質量檢驗測試中心的產品型式試驗，各項指標均合格。通過國家電力公司主持的產品鑒定，鑒定結果為：
該裝置技術先進、性能可靠、適應性強、達到國內同類裝置領先水平。這充分驗證了該方案的可行性。

　　本設計方案充分利用 MC68HC376內部功能，外部結構簡單。系統(tǒng)能對多種模擬量、開關量以及頻率信號做精確的測量。根據(jù)不同的應用程序可靈活實現(xiàn)各種應用控制功能，應用面廣、可再開發(fā)性強。系統(tǒng)性能高，可實現(xiàn)高級控制算法，通過RS-232和CAN接口可方便地實現(xiàn)各種聯(lián)合控制功能，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

　　中國單片機公共實驗室提供多種開發(fā)MC68HC376的平臺。