基于32位微控制器MC68HC376的開(kāi)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(diǎn)。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(chǎng)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(kāi)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；系統集成模塊(SIM)；4KB備用RAM；8KB片內ROM；10位隊列式的摸數轉換 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(shí)現同步、異步通信功能；可構造時(shí)鐘模塊(CTM4)，具有多種強大的定時(shí)、記數和脈沖調制功能；時(shí)間處理單元(TPU)，可對各種事件進(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(xiàn)16位數據總線(xiàn)，支持32位數據操作；

　　(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)具有系統保護邏輯，同時(shí)可進(jìn)行時(shí)鐘監視和總線(xiàn)監視；

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

　　(5)功耗低，具備低功率休眠功能；

　　(6)支持高級語(yǔ)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(xiàn)和12位可編程的片選線(xiàn)。每根片選線(xiàn)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(xiàn)和片選線(xiàn)是系統優(yōu)劣的關(guān)鍵。
本系統擴展了2片128KB的片外Flash 29C010A，2片128KB的片外RAM HM628128，擴展電路圖略(詳見(jiàn)《電子技術(shù)應用》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(shí)數據線(xiàn)的狀態(tài)決定控制器某些相關(guān)的功能和操作模式。因此，根據實(shí)際系統的功能需要來(lái)選擇對應的復位狀態(tài)，是系統設計的一個(gè)重要環(huán)節。

　　所有數據線(xiàn)都有內部弱上拉電阻，復位時(shí)默認狀態(tài)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(shí)，需要強制電路使相應數據線(xiàn)在復位時(shí)電位為低。相應的模式選擇電路圖略(詳見(jiàn)《電子技術(shù)應用》2002.10)。

　　為了避免復位時(shí)MCU與外部讀寫(xiě)器件沖突，引入DS和R/W作為門(mén)控信號。這里，將SIM模塊構造成兩個(gè)通用的并行I/O 口，將DB8和DB9在復位時(shí)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(shí)鐘部分的設計

2.3.1 系統時(shí)鐘的獲得

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

　　本系統采用Motorola公司推薦的4.194MHz晶振頻率，同時(shí)通過(guò)寫(xiě)時(shí)鐘合成控制寄存器SYNCR中的相關(guān)位來(lái)獲得一定的系統時(shí)鐘。系統時(shí)鐘頻率SYNCR與的W位、X位和Y[0～5]區的值有關(guān)：Fsys=Fref x [4(Y+1) x 2(2w+x)]/128。
當寫(xiě)入W=1，X=0，Y=100111時(shí)，Fsys=5Fref=20.97MHz。(注意：不要超過(guò)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(shí)鐘的穩定性和內部鎖相環(huán)的性 能。濾波電路圖略(詳見(jiàn)《電子技術(shù)應用》2002.10)。

2.4 輸入輸出通道

　　系統輸入輸出通道包括模擬量輸入、開(kāi)關(guān)量輸入、鍵盤(pán)輸入、液晶顯示、控制量邏輯輸出等部分。為了減小干擾，開(kāi)關(guān)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(shí)現隊列式的模數轉換功能。

2.4.1 應用CTM4進(jìn)行頻率測量

　　Motorola公司的CTM4模塊包括總線(xiàn)接口單元BIUSM、計數器分頻子模塊CPSM、1個(gè)16位自由計數器FCSM、2個(gè)16位可自動(dòng)重裝載計數器MCSM、 4個(gè)動(dòng)作單元DASM、4個(gè)脈寬調節子模塊PWMSM。 GPSM通過(guò)對系統時(shí)鐘分頻向CTM4各個(gè)模塊提供6種不同的記數時(shí)鐘PCLK1～PCLK6。在運行CTM4各個(gè)單元之前，應先設置并啟動(dòng)CPSM。注意，CPSM的構造值關(guān)系到實(shí)際測頻和測周結果的計算。

　　在實(shí)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(jīng)過(guò)濾波、過(guò)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。測頻子程序包括測周測頻部分(流程圖和計數測頻部分圖略，詳見(jiàn)〈電子技術(shù)應用〉2002.10)。

　　(1)通過(guò)測周間接測頻

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

　　(2)通過(guò)計數器直接測頻

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

　　(3)應用測頻的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題

　　應用測頻的程序結構并不復雜，但有幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題值得注意：

　　*啟動(dòng)后，不應立即啟動(dòng)產(chǎn)生時(shí)鐘，否則會(huì )因為程序在設置相應子單元時(shí)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(shí)，實(shí)際對DSAM還有一個(gè)復位動(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)計數器都是在停止后讀值。

　　*在使用計數測頻方式時(shí)，FCSMCNT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(gè)溢出計數器N， 在每次溢出中斷時(shí)加1計數，同時(shí)，因為CTM2C腳最大允許輸入為Fsys/4，所以在20.97MHz的系統頻率下，N使用8位計數器就可以滿(mǎn)足要求。

　　*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(jìn)行計算，同時(shí)根據實(shí)際測量情況進(jìn)行調整。

2.4.2 利用QADC模塊實(shí)現A/D轉換

　　QADC的主要功能模塊包括兩個(gè)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(diǎn)是能夠通過(guò)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(shí)現A/D轉換時(shí) 要進(jìn)行的工作如下：

(1)構造相關(guān)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(jìn)行構造。本系統中16路模擬輸入口已經(jīng)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(chēng)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(guò)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(fā)的連續掃描方式。根據所測頻率經(jīng)過(guò)軟件倍頻后可以很容易地對相關(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來(lái)組織隊列。

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

(3)構造中斷和結果讀取

　　在QADC結構寄存器QADCMCR中寫(xiě)入中斷判決號，注意中斷判決號應該是非零且唯一的；寫(xiě)隊列控制寄存器QACR1 (2)，設置中斷允許位 CIE1、CIE2；寫(xiě)QADC中斷寄存器，通過(guò)IRLQ1(2)區設置隊列1(2)的中斷優(yōu)先級，通過(guò)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(wù)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

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

3 應用實(shí)例

　　應用該方案的數字式低頻低壓控制裝置，通過(guò)實(shí)時(shí)測量電力線(xiàn)的電流、電壓和頻率，進(jìn)行綜合快速的分析判斷，從而形成保護決策。該裝置已通過(guò)電力部電力設備及儀表質(zhì)量檢驗測試中心的產(chǎn)品型式試驗，各項指標均合格。通過(guò)國家電力公司主持的產(chǎn)品鑒定，鑒定結果為：
該裝置技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、適應性強、達到國內同類(lèi)裝置領(lǐng)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(jiǎn)單。系統能對多種模擬量、開(kāi)關(guān)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(shí)現各種應用控制功能，應用面廣、可再開(kāi)發(fā)性強。系統性能高，可實(shí)現高級控制算法，通過(guò)RS-232和CAN接口可方便地實(shí)現各種聯(lián)合控制功能，系統穩定可靠。

　　中國單片機公共實(shí)驗室提供多種開(kāi)發(fā)MC68HC376的平臺。