基于32位微控制器MC68HC376的開發(fā)設(shè)計(jì)和應(yīng)用

　　1 MC68HC376的基本特性 MC68HC376具有速度快、并行處理能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。與目前常用的8位、16位微控制器相比，其片內(nèi)資源極其豐富，適用于各種控制場(chǎng)合；內(nèi)部集成度高，硬件可靠性和穩(wěn)定性強(qiáng)，外部擴(kuò)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(jié)構(gòu)。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(nèi)ROM；10位隊(duì)列式的摸數(shù)轉(zhuǎn)換 器(QADC)，具有強(qiáng)大的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制功能；隊(duì)列式串行通信模塊(QSM)，可以方便地實(shí)現(xiàn)同步、異步通信功能；可構(gòu)造時(shí)鐘模塊(CTM4)，具有多種強(qiáng)大的定時(shí)、記數(shù)和脈沖調(diào)制功能；時(shí)間處理單元(TPU)，可對(duì)各種事件進(jìn)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(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化等場(chǎng)合的局域網(wǎng)絡(luò)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(gè)8位雙功能I/O，1個(gè)7位雙功能I/O，16～44個(gè)模擬量輸入通道；

　　(3)具有系統(tǒng)保護(hù)邏輯，同時(shí)可進(jìn)行時(shí)鐘監(jiān)視和總線監(jiān)視；

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

　　(5)功耗低，具備低功率休眠功能；

　　(6)支持高級(jí)語(yǔ)言和背景調(diào)試。

2 基于MC68HC376的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 片外Flash和RAM的擴(kuò)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(qiáng)的擴(kuò)展能力。注意： CS[6～10]與ADDR[19～23]復(fù)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(guān)鍵。
本系統(tǒng)擴(kuò)展了2片128KB的片外Flash 29C010A，2片128KB的片外RAM HM628128，擴(kuò)展電路圖略(詳見《電子技術(shù)應(yīng)用》2002.10)。

　　值得注意的是：Flash和RAM均由A[1～17]尋址，實(shí)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(duì)應(yīng)字的高低字節(jié)。在程序中應(yīng)注意存放高字節(jié)的芯片對(duì)應(yīng)字的低字節(jié)地址。
2.2 系統(tǒng)功能選擇電路設(shè)計(jì)

　　與MCS-51和MCS-196系列單片機(jī)不同的是，MC68HC376復(fù)位時(shí)數(shù)據(jù)線的狀態(tài)決定控制器某些相關(guān)的功能和操作模式。因此，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的功能需要來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的復(fù)位狀態(tài)，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。

　　所有數(shù)據(jù)線都有內(nèi)部弱上拉電阻，復(fù)位時(shí)默認(rèn)狀態(tài)為高，對(duì)應(yīng)系統(tǒng)相應(yīng)的默認(rèn)功能；當(dāng)需要利用其非默認(rèn)功能時(shí)，需要強(qiáng)制電路使相應(yīng)數(shù)據(jù)線在復(fù)位時(shí)電位為低。相應(yīng)的模式選擇電路圖略(詳見《電子技術(shù)應(yīng)用》2002.10)。

　　為了避免復(fù)位時(shí)MCU與外部讀寫器件沖突，引入DS和R/W作為門控信號(hào)。這里，將SIM模塊構(gòu)造成兩個(gè)通用的并行I/O 口，將DB8和DB9在復(fù)位時(shí)強(qiáng)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(rèn)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(yīng)保持默認(rèn)狀態(tài)。

2.3 時(shí)鐘部分的設(shè)計(jì)

2.3.1 系統(tǒng)時(shí)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(fù)位時(shí)為高，否則系統(tǒng)會(huì)出錯(cuò)。

　　本系統(tǒng)采用Motorola公司推薦的4.194MHz晶振頻率，同時(shí)通過寫時(shí)鐘合成控制寄存器SYNCR中的相關(guān)位來(lái)獲得一定的系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率SYNCR與的W位、X位和Y[0～5]區(qū)的值有關(guān)：Fsys=Fref x [4(Y+1) x 2(2w+x)]/128。
當(dāng)寫入W=1，X=0，Y=100111時(shí)，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(yīng)盡可能降低XFC腳的泄露電流，以提高時(shí)鐘的穩(wěn)定性和內(nèi)部鎖相環(huán)的性 能。濾波電路圖略(詳見《電子技術(shù)應(yīng)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(guān)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(guān)量輸入采取光電隔離方式。運(yùn)用MC68HC376的CTM4模塊測(cè)量頻率，由QADC模塊實(shí)現(xiàn)隊(duì)列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能。

2.4.1 應(yīng)用CTM4進(jìn)行頻率測(cè)量

　　Motorola公司的CTM4模塊包括總線接口單元BIUSM、計(jì)數(shù)器分頻子模塊CPSM、1個(gè)16位自由計(jì)數(shù)器FCSM、2個(gè)16位可自動(dòng)重裝載計(jì)數(shù)器MCSM、 4個(gè)動(dòng)作單元DASM、4個(gè)脈寬調(diào)節(jié)子模塊PWMSM。 GPSM通過對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘分頻向CTM4各個(gè)模塊提供6種不同的記數(shù)時(shí)鐘PCLK1～PCLK6。在運(yùn)行CTM4各個(gè)單元之前，應(yīng)先設(shè)置并啟動(dòng)CPSM。注意，CPSM的構(gòu)造值關(guān)系到實(shí)際測(cè)頻和測(cè)周結(jié)果的計(jì)算。

　　在實(shí)際測(cè)量中，為了提高測(cè)量精度，對(duì)于較高的頻率采用計(jì)數(shù)測(cè)頻法，對(duì)于較低的頻率采用測(cè)周測(cè)頻法。外部信號(hào)經(jīng)過濾波、過零比較后同時(shí)接入MC68HC376的CTM2C腳和CTD3腳，由軟件選擇判斷實(shí)際采用的方式。測(cè)頻子程序包括測(cè)周測(cè)頻部分(流程圖和計(jì)數(shù)測(cè)頻部分圖略，詳見〈電子技術(shù)應(yīng)用〉2002.10)。

　　(1)通過測(cè)周間接測(cè)頻

　　當(dāng)待測(cè)頻率不高時(shí)，采用測(cè)周測(cè)頻方法。DASM單元的特點(diǎn)在于不需要軟件的干預(yù)而自動(dòng)高速、精確地捕捉CTD3腳上兩個(gè)連續(xù)的上(下)跳沿，兩次捕捉的時(shí)間差即為待測(cè)信號(hào)的周期。

　　(2)通過計(jì)數(shù)器直接測(cè)頻

　　當(dāng)待測(cè)頻率較高時(shí)，采用直接測(cè)頻方式。用CMSM2作定時(shí)器，利用FCSM12對(duì)CTM2C引腳的方波信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

　　(3)應(yīng)用測(cè)頻的幾個(gè)實(shí)際問題

　　應(yīng)用測(cè)頻的程序結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但有幾個(gè)實(shí)際問題值得注意：

　　*啟動(dòng)后，不應(yīng)立即啟動(dòng)產(chǎn)生時(shí)鐘，否則會(huì)因?yàn)槌绦蛟谠O(shè)置相應(yīng)子單元時(shí)不同步而造成測(cè)量誤差。

　　*在完成一次測(cè)周后，一般應(yīng)選擇模式0停止DASM；但注意在停止DASM時(shí)，實(shí)際對(duì)DSAM還有一個(gè)復(fù)位動(dòng)作，所以最好在關(guān)閉DASM前讀出捕捉寄存器A、B的值。而一般的定時(shí)計(jì)數(shù)器都是在停止后讀值。

　　*在使用計(jì)數(shù)測(cè)頻方式時(shí)，F(xiàn)CSMCNT在不溢出的狀態(tài)下最大可計(jì)量216Hz的頻率。這對(duì)更高頻率的測(cè)量是不夠的。設(shè)置一個(gè)溢出計(jì)數(shù)器N， 在每次溢出中斷時(shí)加1計(jì)數(shù)，同時(shí)，因?yàn)镃TM2C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(jì)數(shù)器就可以滿足要求。

　　*判斷是采用計(jì)數(shù)測(cè)頻還是測(cè)周測(cè)頻的頻率定值，應(yīng)該以減少測(cè)量誤差為準(zhǔn)則，需要對(duì)理論誤差進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)根據(jù)實(shí)際測(cè)量情況進(jìn)行調(diào)整。

2.4.2 利用QADC模塊實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換

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

(1)構(gòu)造相關(guān)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(fù)用功能腳。在使用相應(yīng)管腳之前要先對(duì)其進(jìn)行構(gòu)造。本系統(tǒng)中16路模擬輸入口已經(jīng)夠用，不需多路復(fù)用(可達(dá)44路)，因此先對(duì)控制寄存器QACR0中的MUX位清零。相應(yīng)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(yīng)位清零，即管腳設(shè)為輸入。

(2)構(gòu)造隊(duì)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(duì)列1和2工作方式。為減少軟件干涉、提高轉(zhuǎn)換程序效率，設(shè)置MQ1=MQ2=101，即軟件觸發(fā)的連續(xù)掃描方式。根據(jù)所測(cè)頻率經(jīng)過軟件倍頻后可以很容易地對(duì)相關(guān)量進(jìn)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(jí)來(lái)組織隊(duì)列。

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

(3)構(gòu)造中斷和結(jié)果讀取

　　在QADC結(jié)構(gòu)寄存器QADCMCR中寫入中斷判決號(hào)，注意中斷判決號(hào)應(yīng)該是非零且唯一的；寫隊(duì)列控制寄存器QACR1 (2)，設(shè)置中斷允許位 CIE1、CIE2；寫QADC中斷寄存器，通過IRLQ1(2)區(qū)設(shè)置隊(duì)列1(2)的中斷優(yōu)先級(jí)，通過IVB區(qū)提供QADC中斷向量號(hào)的高6位。

　　當(dāng)隊(duì)列轉(zhuǎn)換完成后申請(qǐng)中斷，中斷服務(wù)程序從結(jié)果字表中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后清楚隊(duì)列狀態(tài)寄存器QASR中的中斷標(biāo)志位CF1、CF2，準(zhǔn)備下一輪隊(duì)列轉(zhuǎn)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(duì)列式串行模塊QSM和外部的MAX232芯片連接實(shí)現(xiàn)。CAN接口通過TouCAN模塊與外部的CAN250芯片連接實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)用實(shí)例

　　應(yīng)用該方案的數(shù)字式低頻低壓控制裝置，通過實(shí)時(shí)測(cè)量電力線的電流、電壓和頻率，進(jìn)行綜合快速的分析判斷，從而形成保護(hù)決策。該裝置已通過電力部電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心的產(chǎn)品型式試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均合格。通過國(guó)家電力公司主持的產(chǎn)品鑒定，鑒定結(jié)果為：
該裝置技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、達(dá)到國(guó)內(nèi)同類裝置領(lǐng)先水平。這充分驗(yàn)證了該方案的可行性。

　　本設(shè)計(jì)方案充分利用 MC68HC376內(nèi)部功能，外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。系統(tǒng)能對(duì)多種模擬量、開關(guān)量以及頻率信號(hào)做精確的測(cè)量。根據(jù)不同的應(yīng)用程序可靈活實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用控制功能，應(yīng)用面廣、可再開發(fā)性強(qiáng)。系統(tǒng)性能高，可實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制算法，通過RS-232和CAN接口可方便地實(shí)現(xiàn)各種聯(lián)合控制功能，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

　　中國(guó)單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室提供多種開發(fā)MC68HC376的平臺(tái)。