??? 摘? 要: 研究了一種新型的32位高性能微控制器" title="微控制器">微控制器MC68HC376,提出了一種基于MC68HC376的應用系統設計" title="系統設計">系統設計方案,對MC68HC376比較有特色的部分做了較深入的開發和討論,通過一種實際產品驗證了該方案的可行性。?

　　關鍵詞: 32位微控制器? MC68HC376? 可構造時鐘模塊(CTM4)? 模數轉換器(QADC)? 系統設計? 測頻" title="測頻">測頻?

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　　MC68HC376是Motorola公司推出的一種新型的32位高性能單片機,具有極強的數據處理、邏輯運算和信息存儲能力,可以實現諸如人工智能、模糊控制等復雜的控制運算模型,有很好的開發前景。其開發手段簡單、方便。芯片支持BDM(Background Debug Mode)模式,通過簡易的專用電纜接口,而不需要使用傳統的仿真器和編程器就可以直接對微控制器系統進行仿真開發和燒錄程序。本文介紹了在電力系統保護中應用MC68HC376的一種實際開發方案。?

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,適應于各種控制場合;內部集成度高,硬件可靠性和穩定性強,外部擴展工作少,開發周期短。?

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;系統集成模塊(SIM);4KB備用RAM;8KB片內ROM;10位隊列式的模數轉換器(QADC),具有強大的數模轉換控制功能;隊列式串行通信模塊(QSM),可以方便地實現同步、異步通信功能;可構造時鐘模塊(CTM4),具有多種強大的定時、計數和脈沖調制功能;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TPURAM;CAN控制模塊(TOUCAN),能方便地實現工業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位數據總線,支持32位數據操作;?

　　(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)具有系統保護邏輯,同時可進行時鐘監視和總線監視;?

　　(4)速度快,在4.194MHz晶振" title="晶振">晶振下,系統時鐘可達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,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優劣的關鍵。?

??? 本系統擴展了2片128KB的片外Flash 29C010A,2片128KB的片外RAM HM628128,擴展電路如圖1所示(其中的片選信號均采用10kΩ的上拉電阻,圖1未畫出)。?

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　　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Flash和2片RAM的數據口分別接至MC68HC376的D[8～15]和D[0～7],對應字的高低字節。在程序中應注意存放高字節的芯片對應字的低字節地址。?

2.2 系統功能選擇電路設計?

　　與MCS-51和MCS-196系列單片機不同的是,MC68HC376復位時數據線的狀態決定控制器某些相關的功能和操作模式。因此,根據實際系統的功能需要來選擇對應的復位狀態,是系統設計的一個重要環節。?

　　所有數據線都有內部弱上拉電阻,復位時默認狀態為高,對應系統相應的默認功能;當需要利用其非默認功能時,需要強制電路使相應數據線在復位時電位為低。相應的模式選擇電路如圖2所示。

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　　為了避免復位時MCU與外部讀寫器件沖突,引入這里,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;因系統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。?

2.3 時鐘部分的設計?

2.3.1 系統時鐘的獲得?

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

　　本系統采用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" title="控制寄存器">控制寄存器SYNCR中的相關位來獲得一定的系統時鐘。系統時鐘頻率與SYNCR的W位、X位和Y[0～5]區的值有關:F_sys=F_ref×[4(Y+1)×2^(2W+X)]/128?

　　當寫入W=1,X=0,Y=100111時,F_sys=5F_ref=20.97MHz。(注意:不要超過MC68HC376系統頻率的最大允許值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,以提高時鐘的穩定性和內部鎖相環的性能。濾波電路如圖3所示。?

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2.4 輸入輸出通道?

　　系統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模塊實現隊列式的模數轉換功能。?

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、計數器分頻子模塊CPSM、1個16位自由計數器FCSM、2個16位可自動重裝載計數器MCSM、4個動作單元DASM、4個脈寬調節子模塊PWMSM。?

　　CPSM通過對系統時鐘分頻向CTM4各個模塊提供6種不同的計數時鐘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(流程如圖4)和計數測頻部分(流程如圖5)。?

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??? (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。?

　　(3)應用CTM4測頻的幾個實際問題?

　　應用CTM4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CTM4后,不應立即啟動CPSM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DASM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。而一般的定時計數器都是在停止后讀值。?

　　·在使用計數測頻方式時,FCSMCNT在不溢出的狀態下最大可計量2¹⁶Hz的頻率。這對更高頻率的測量是不夠的。設置一個溢出計數器N,在每次溢出中斷時加1計數,同時,因為CTM2C腳最大允許輸入為F_sys/4,所以在20.97MHz的系統頻率下,N使用8位計數器就可以滿足要求(FCSMCNT溢出中斷處理程序的流程圖略)。?

　　·判斷是采用計數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,同時根據實際測量情況進行調整。?

2.4.2 利用QADC模塊實現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字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轉換序列,并將結果按一定的格式存放于結果字表中。在實現A/D轉換時需要進行的工作如下:?

　　(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]。最后在數據方向寄存器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,即軟件觸發的連續掃描方式。根據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,按一定的順序和優先級來組織隊列。?

　　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)區設置隊列1(2)的中斷優先級,通過IVB區提供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。然后清除隊列狀態寄存器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。CAN接口通過TouCAN模塊與外部的CAN250芯片連接實現。?

3 應用實例?

　　應用該方案的數字式低頻低壓控制裝置RSA800,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。該裝置已通過電力工業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。系統能對多種模擬量、開關量以及頻率信號做精確的測量。根據不同的應用程序可靈活實現各種應用控制功能,應用面廣、可再開發性強。系統性能高,可實現高級控制算法,通過RS-232和CAN接口可方便地實現各種聯合控制功能。系統穩定、可靠。?

參考文獻?

1 Motorola.Inc. MC68336/376 user′s manual. 1996?

2 Motorola.Inc. CPU32 reference manual. 1996?

3 Motorola. Inc. CTM configurable timer module reference manual. 1996?

4 Motorola.Inc. QADC queued analog-to-digital converter reference manual. 1996?

5 Motorola. Inc. SIM system integration module reference manual. 1996?

6 Motorola.Inc.QSM queued serial module reference manual.1996?

7 王福瑞. 單片微機測控系統設計大全[M].北京:北京航空航天大學出版社,1999?