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1、基于Freescale HCS12系列单片机的结晶器振动控制振动波形发生摘 要在现代钢铁企业中，结晶器是连铸工艺的关键设备，为保证连铸生产的顺利进行，需要通过一个控制装置使结晶器按一定的规律振动。目前，先进的连铸机结晶器主要采用电液伺服振动装置,它可以方便地实现正弦波形和非正弦波形等多种振动规律、实时显示振动波形、在线修改振动参数、自动化程度高，是连铸生产中提高板坯表面和内在质量的先进技术。本设计的控制系统以Freescale HCS12系列单片机为核心，通过双缓冲方式D/A转换电路，可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波以及非正弦波等多种波形，通过所产生的波形可以对结晶器进行振动控制。本设计以正
2、弦波的产生和调试为主，从而达到我们预期的目的。关键词：结晶器；振动控制系统；Freescale单片机；正弦波；Series Vibration Control System Mold Based on the Freescale HCS12 MCU Mold Vibration Waveform HappenAbstractIn the modern enterprises of the iron and steel, mold is the key equipment of the continuous casting process, in order to ensure the smoo
3、th progress of production, through a control device makes mold according to the definit law of vibration. At present, the advanced mold continuous casting machines mainly use the device of the electro-hydraulic servo vibration, it can easily achieve sine wave-shaped and non-sinusoidal waveform vibra
4、tion, show the vibration waveform in real time, on-line modify the vibration parameters,improve the degree of automation, even is the advanced technology with improving the surface and internal quality of billet in the production of the continuous casting.The control system of the design is by way o
5、f the core with the Freescale HCS12 MCU, through the double buffer mode D / A conversion circuit ,can generate square wave, triangle wave, sawtooth, sine wave, as well as various non-sinusoidal waveforms, and through generated waveform can be to vibration control for mold. The design with the genera
6、tion and debugging of the sine wave is mainly in order to achieve our desired objective.Key words: mold; vibration control systems; Freescale microcontroller; sine wave;目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 结晶器的发展背景11.2 研究的目的与意义21.2.1 研究目的21.2.2 研究意义2第二章 结晶器简介32.1 结晶器的功能32.2 结晶器的结构32.3 结晶器振动规律的发展42.4 结晶器的振动方式
7、5第三章 结晶器总体系统设计83.1 设计思路83.1.1 设计方案选择83.1.2 总体系统框图93.2 硬件设计93.2.1 整体电路设计93.2.2 嵌入式系统与Freescale单片机103.2.2.1嵌入式系统介绍103.2.2.2 Freescale单片机的发展113.2.3 Freescale HCS系列单片机简介123.2.3.1 Freescale HCS系列单片机家族介绍123.2.3.2 MC9S12DG128内部介绍133.2.3.3MC9S12DG128引脚介绍143.2.3.4MC9S12DG128外围电路介绍173.2.4 D/A转换器AD5660193.2.5
8、单片机串口通信243.2.5.1RS232介绍243.2.5.2MAX202E芯片介绍263.3 软件设计273.3.1 定时器中断程序模块283.3.2 D/A转换子程序模块303.3.3 正弦波子程序模块323.3.4 主函数Main模块333.3.5 系统调试343.3.5.1硬件调试353.3.5.2软件调试35第四章 结论36参考文献37附录1：设计源程序39附录2：电路原理图45致谢46 第一章 绪论1.1 结晶器的发展背景回顾连续铸钢的发展历史，连续浇铸的生产方式首先是从有色金属开始的。结晶器振动技术早期也只应用于有色金属的浇铸，由于没有弄清与结晶器振动的关系，结晶器振动的概念也
9、经历了各种变化。在1913年瑞典人皮尔逊（AHPehrson）曾提出结晶器应按照一定的振幅和频率做往复运动的想法，但真正将这一想法付诸实施的却是德国人西格弗里德容汉斯（SJunghans）。1933年现代连铸的奠基人德国的西格弗里德容汉斯(Siegflied Junghans)开发了结晶器振动装置，并成功地应用于有色金属的连铸。1949年S汉斯的合作者艾尔文罗西(Irving Rossi)获得了容汉斯振动结晶器专利的使用权，并在美国约阿勒德隆钢公司(Allegheng Lundlum Steel Corporation)从Waterbliet厂的一台连铸试验机上采用了振动结晶器。与此同时，容汉
10、斯振动结晶器又被用于西德曼内斯曼(Mannesmann)公司胡金(Huckingen)厂的一台连续铸钢试验连铸机。容汉斯振动的结晶器在这两台连铸机上的成功应用，使其在钢连铸中迅速得到了广泛应用。从此，结晶器振动便成了连铸机的标准操作。在连铸结晶器振动技术的发展过程中，相继出现了同步振动、负滑动振动、正弦振动、非正弦振动等多种振动方式。但迄今为止，工业中广泛使用的仍然是用直流电机或交流变频电机通过偏心凸轮驱动双摇杆机构实现结晶器正弦振动。这主要是因为用偏心凸轮实现正弦波振动波形精确，而且加工容易；同时，正弦波振动与铸坯拉速没有严格要求，即不像同步振动那样，要求结晶器下降速度与铸坯同步，上升比拉速
11、大三倍；也不像负滑动振动那样，结晶器上、下振动与铸坯拉速有较严格的关系。而且，正弦振动的结晶器速度和加速度分别按正弦和余弦规律变化，在上、下死点速度变化瞬间，冲击力不会过大，速度变化较平稳。因此，近年来在板坯和方坯连铸机上得到了广泛应用。随着连铸和直接轧制的发展，不仅要求铸坯质量提高，而且还要求提高铸造速度。但在高速铸造时，结晶器和铸坯之间的保护渣润滑性能降低，易出现漏钢。因此，保护渣成了限制振速提高的关键问题。日本钢管中央研究所和福山研究所研究发现，采用上升时间比下降时间长的非正弦振动可以解决上述问题。但是采用机械式振动不易实现非正弦振动。为此，要实现高速铸造，解决的办法之一就是通过液压伺服
12、系统对振动装置进行控制，则能够实现任选的振动波形。与传统的结晶器机械式正弦振动相比，伺服驱动的连铸机结晶器振动系统具有能实现非正弦振动、易于实现计算机控制、布置方便和可以实现多连铸机共用泵站节能及群控等优点。采用计算机控制的伺服结晶器振动系统，可以很方便地产生各种振动规律，实现控制过程监督，实时显示并根据拉坯速度实时修改振动参数，从而实现连铸过程的自动化，是结晶器振动系统的发展方向。但是为完成这一振动控制任务，通常需要许多仪器，如伺服放大器、压力显示仪表、位移显示仪表、信号发生器等。这些仪器不仅价格昂贵，操作复杂，而且体积、重量庞大，效率也比较低；另外，传统仪器无法实现测试中所需要的特定要求，
13、其功能无法实现用户自己定义。 1.2 研究的目的与意义1.2.1 研究目的结晶器振动是连铸技术的一个基本特征，它在连铸中的主要作用是一次冷却。同时为了保证出料均匀，减小拉坯摩擦力，避免钢水粘壁、漏钢和改善钢坯内在质量及表面质量，还要通过一个振动机构驱动使结晶器按一定波形规律上下振动。1.2.2 研究意义结晶器按预定波形受控振动是连铸机正常生产的保障。目前先进的连铸机结晶器主要采用电液伺服振动装置,它可以方便地实现各种波形等多种振动规律、实时显示振动波形、在线修改振动参数、自动化程度高,是连铸生产中提高板坯表面和内在质量的先进技术。结晶器相当于连铸生产的心脏部分，属于连铸的关键设备。因此，结晶器
14、振动系统运行中的振动方式的优化显得异常重要，选择适当的振动方式对生产工艺意义非凡。从理论上了解正弦、非正弦振动参数（振幅、频率、偏斜率）和冶金理论参数（工艺参数）之间的关系，根据不同钢种和实际情况，进一步优化波形曲线，开发和研制监控软件，然后模拟运行，最终将其应用到工业生产实践中。第二章 结晶器简介2.1 结晶器的功能薄板坯连铸结晶器是薄板坯连铸技术的核心,也是薄板坯连铸区别于传统板坯连铸的标志。结晶器内钢水的流动、传热和应力应变行为对连铸工艺和铸坯质量有重要影响,同时结晶器内钢水流动及初生坯壳的传热与应力的研究对改善漏斗型结晶器的曲面形状以及水口与结晶器的适应性有重要意义。结晶器内初生凝固坯
15、壳的温度场、应力场及变形分布影响着连铸工艺的顺行和铸坯质量的提高,对结晶器内钢水流动的模拟研究可通过优化水口结构和浸入深度来改善钢水的流场,而对结晶器内坯壳与结晶器的传热以及凝壳在生长过程中与漏斗型结晶器间的应力行为进行模拟,优化工艺参数和结晶器内腔形状使凝壳厚度与应力分布均匀,从而避免由于凝壳厚度不均匀导致坯壳内局部应力集中而产生破裂。结晶器是连铸设备中最为关键的部件,在相当大的程度上影响着铸坯的质量和连铸生产的稳定性。结晶器铜板的工作环境非常严酷,因而对其物理性能的要求也十分苛刻。首先,结晶器铜板必须具备良好的导热性。这是为了保证钢液在结晶器内迅速凝固成一定厚度、一定强度的坯壳,防止铸坯出
16、结晶器后漏钢。其次,它要有高的屈服强度。由于结晶器铜板要和（14701600）的高温钢水接触,背面又受约30左右的冷却水冷却,在如此巨大的温度梯度下,反复产生的热应力也是极大的。铜板没有足够的强度,就会在表面或冷却水槽底部产生龟裂,甚至导致冷却水与钢水接触,并可能引起爆炸。此外,其要有足够的硬度和耐磨性,尤其是要有较高的软化温度。这是因为铜板表面要直接与铸坯接触而产生磨损,在高温下要求铜板不软化。2.2 结晶器的结构按结晶器的外形，结晶器可分为直结晶器和弧形结晶器。直结晶器用于立式、立弯式以及直弧形连铸机，而弧形结晶器用在全弧型和椭圆形连铸机上。从结构来看，有管式结晶器和组合式结晶器。具体结构
17、图如下：图2.1 薄板坯连铸结晶器实物图1盛钢桶；2中间罐；3结晶器图2.2 结晶器工艺流程图2.3 结晶器振动规律的发展结晶器由静止变为振动，引起了连铸工作者的广泛关注和兴趣，人们纷纷进行试验研究工作，对粘结性漏钢机理进行了研究，发展了各种结晶器振动规律。最早出现的是矩形速度振动规律，基于“拉裂焊合”理论，其特点是结晶器在下降时与铸坯做同步运动，然后以3倍的拉坯速度上升，即所谓的3:1型振动方式。这种振动方式对铸坯脱模是有效的，早期得到了应用。但其主要缺点是机械加工比较困难，振动机构和拉坯机构之间要有严格的电器连锁，在上升和下降的转折点处速度变化很大，设备冲击大，不利于采用高频振动。但这种波
18、形的采用，使固定的结晶器变为振动的结晶器，使结晶器技术产生一个飞跃。随着负滑动理论的出现，矩形速度规律被梯形速度规律所代替，其特点是结晶器向下运动过程中有较长一段时间其速度稍大于拉坯速度，即“负滑脱运动”，使坯壳中产生压应力，可以使拉裂的坯壳压合，使粘结的坯壳强制脱模，结晶器在上升、下降转折点处速度变化较缓和，提高了设备的平稳性，梯形波的出现使连铸的生产更加顺畅，这种速度波形沿用了很多年，负滑动理论一直沿用至今。随着负滑动理论的不断发展和完善，出现了正弦速度规律，正弦振动速度规律采用偏心轮实现。这种振动规律打破了结晶器和铸坯之间要有一定的速度关系的限制，着重发挥它的脱模作用，用偏心轮代替凸轮，
19、正弦振动仍有一小段负滑动阶段，有利于脱模，速度、加速度变化平缓，采用偏心轮设备简单，易于加工制造、安装和维护，运动精度高，设备运动平稳，冲击小，易于采用较高频率振动。正弦振动目前仍被广泛应用。2.4 结晶器的振动方式在结晶器振动技术发展过程中，在振动形式及振动装置的结构上出现了多种多样的形式，主要可归纳为如下四种:同步振动(矩形波)、负滑振动(梯形波)、正弦振动和非正弦振动。目前，在工业生产中应用量多的主要是正弦波模式。近年来，随着先进的液压振动装置的出现，采用了各种各样的非正弦波模式的振动曲线。(1) 同步振动采用同步振动方式，结晶器下降时与铸坯保持同步，可使拉裂的坯壳在下降阶段得以愈合，其
20、愈合时间约占振动周期的75%。由于同步振动减少了拉坯阻力，漏钢事故明显减少，铸坯质量有所改善，因而，在连铸技术开发初期同步振动得到了广泛的应用。同步振动一般是由凸轮机构来实现的，其设备的加工、制造比较复杂。同时，为了实现严格的同步运动，结晶器振动机构和拉坯机构之间要进行严格的电气连锁；此外，在向下与向上振动的转折处速度变化很快，机构中产生很大的冲击力，进而影响了结晶器振动的平稳性，对于铸坯质量和设备的正常运转非常不利。同步振动在当今工业生产中已不再使用。(2) 负滑振动采用负滑振动，结晶器下降的速度稍大于拉坯速度，使凝固坯壳在结晶器下降过程中承受一定的压力，有利于使拉裂坯壳有效地愈合，同时有利
21、于脱模。在结晶器下降和上升的转折点，速度的变化较同步式有所缓和，使运动的平稳性有所提高。该振动方式仍保留同步式振动愈合时间较长的特点，愈合时间约占整个周期的66% 71%。但负滑振动模式也需由凸轮机构来实现，与同步振动相仿，其在机械、电气及使用效果上的弱点仍然得到保留，因此，负滑振动在当今工业生产中同样不再被采用。(3) 正弦振动正弦振动就是结晶器的运动速度和时间成正弦曲线关系，这种振动规律的最大优点就是只要用简单的偏心机构即可实现，易于维护，速度变化平稳，无冲击。由于正弦振动的速度始终处于变化之中，在振动机构和拉坯机构之间没有严格的速度关系。因此，也不必建立严格的连锁关系。同时，在运动中仍有
22、一小段负滑脱阶段，具有脱模作用。由于加速度比较小，这种振动还能实现高频振动，减少负滑动时间以得到较浅的振痕，有利于改善铸坯表面质量，为了使这两个参数最佳化，曾经历了不同方向的发展。从大量实践经验可以得出结论，高频率小振幅对改善铸坯表面质量有明显的效果。但是，正弦振动的特性完全决定于其振幅和频率的数值，即正弦振动只有两个相互独立的振动参数。变量少，其波形的调节能力就小，难以完全满足高速连铸的工艺要求，特别是对于那些易于粘结的钢种，在高速浇注条件下采用具有较长的正滑动时间的非正弦式结晶器振动是更有利的，而且采用带可调程序控制装置的液压机构很容易实现这种非正弦振动方式。(4) 非正弦振动结晶器振动速
23、度随时间变化的规律不是正弦曲线的都称为非正弦振动。随着高速铸机的开发，拉坯速度越来越快，结晶器上振时与铸坯间的相对运动速度加大，特别是高频振动后此速度更大，由于拉速提高后结晶器保护渣用量相对减少，坯壳与结晶器壁之间发生粘结而导致了漏钢的可能性增加，为了解决这一问题，除了使用新型保护渣外，另一个措施就是采用非正弦振动；非正弦振动是结晶器上振动时间大于下振时间，以缩小结晶器上振与铸坯之间的相对运动速度。由此可见非正弦振动具有以下特点:（1）在正滑动时间里结晶器振动速度与拉坯速度之差减小。因此,可减小结晶器施加给铸坯向上作用的摩擦力,作用在弯月面下坯壳的拉应力减小,减少拉裂;（2）在负滑动时间里结晶
24、器振动速度与拉坯速度之差较大。因此,作用于坯壳上的压力增大,有利于铸坯脱膜。（3）负滑动时间短,铸坯表面振痕浅;正滑动时间长,可增加保护渣的消耗量,有利于结晶器的润滑。可以通过调节振动频率、振幅和波形偏斜因子来控制波形的变化,使非正弦运动的位移、速度和加速度都发生了变化,从而能够得到高质量铸坯,并能有效避免粘结的振动波形。近年来，现代连铸发展的一个特点是拉坯速度日益提高，同时，连铸坯热送直接轧制技术的发展也对连铸坯的表面质量提出了更高的要求。第三章 结晶器总体系统设计目前，结晶器的振动控制可以由单片机、虚拟仪器、VB等各种编程语言和可编程逻辑器件实现。利用单片机来控制波形的发生已经广泛应用于电
25、子电路、智能仪表、自动控制等领域。本设计所介绍的是一种基于Freescale HCS12系列单片机来控制结晶器的波形发生。它不同于以往的51系列单片机，它引脚众多可实现多功能的输入输出、结构紧凑有序、外围设备和电子电路可满足生产中各种需求，是一种比较前卫和现代的微控制器。3.1 设计思路本设计以Freescale HCS12系列单片机为核心，通过单片机来控制各种外围芯片及电路。波形的产生是通过Freescale HCS12单片机执行某一波形发生程序，在其数据线上送出一系列按一定规律变化的数据信息，通过D/A转换模块输出波形。本设计主要以正弦波的发生为主，通过在函数中对一个数组附值，经过AD56
26、60输出，在示波器上就会观察到对应的波形。通过函数对数组中的数附值之后不是一次就输出显示出来的，这要对Freescale单片机编写控制字，使其开中断，再用计数器计数，当计数器溢出时便提出中断请求，这时调用中断函数，将数组中一个值送到AD5660中，这样连续不断的进行送值，输出的就是一完整波形。3.1.1 设计方案选择实现结晶器振动波形发生的方法很多，可有单片机、虚拟仪器、VB等等。但是选择一个比较合适和最佳方案要进行如下比较：方案1：采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些高次谐波分
27、量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉。方案2：首先，利用Freescale单片机和AD5660数模转换器来生成波形。这种方案不同于方案1会同时产生多种波形，它是通过对各种波形进行编写程序，设定数值送入单片机中，再经过AD5660输出，在示波器上就会观察到不同函数值的波形。每产生一种波形就伴随着软件滤波，而不会有寄生的高次谐波分量，产生的波比较纯净、清晰。其次，Freescale这种单片机的特点是结构紧凑、性能优越、低功耗、可靠性和稳定性高、专用性很强而且技术含量高。综合以上各方面，最终选择方案2。3.1.2 总体系统框图本设计主要是基于Freescale HCS系列单片机在结晶器振
28、动控制系统中的应用。通过以单片机为核心控制各种外围芯片和电路。具体如下框图所示：图3.3 波形发生系统方框图由框图可以看出，HCS系列单片机系统接收数字信号，然后通过D/A转换变成模拟信号，由于单片机本身具有波形发生功能以此执行波形发生程序，进而会有正弦或非正弦等波形输出，在示波器上就会观察到不同函数值的波形。再通过对波形参数值的控制和调节来掌握结晶器的振动规律。本设计主要是以输出正弦波为例，通过实验的方法希望达到预期的效果。3.2 硬件设计3.2.1 整体电路设计在结晶器振动的控制中，包括各种控制模块：数字量输入/输出模块、A/D转换模块、D/A转换模块、电源模块、阀芯反馈拉速模块、CAN总
29、线模块以及单片机主体模块。本设计主要讨论利用单片机通过D/A转换使波形输出这一块，其他模块由其他同学负责。波形发生的主要原理是通过Freescale单片机来执行用C语言编写的波形程序，在其数据线上送出一系列按一定规律变化的数据信息，通过D/A转换模块输出波形。具体硬件原理图如下：图3.4 波形发生硬件原理3.2.2 嵌入式系统与Freescale单片机3.2.2.1嵌入式系统介绍在任何大系统中由计算机控制的电气或机械系统都可以称为一个嵌入式系统。简单地说，嵌入式系统就是指由位于该系统中的计算机控制系统。嵌入式计算机可以采用和通用计算机一样的高性能CPU，但通常只需要完成系统所需的某些特定功的任
30、务。因此，嵌入式计算机在应用时必须满足特定系统的要求。在通信、测控与数据传输等领域，人们对计算机技术给予了更大的期待。这些领域的应用与单纯的高速计算要求不同，主要表现在以下几个方面：（1） 直接面向控制对象；（2） 嵌入到具体的应用体中，以非计算机的面貌出现；（3） 能在现场连续可靠地运行；（4） 体积小，应用灵活；（5） 突出控制功能，特别是对外部信息的捕捉与丰富的输入/输出功能等。由此可以看出，满足这些要求的计算机与满足高速数值计算的计算机是不同的。因此一种称之为单片机或微控制器的技术得以产生并发展。3.2.2.2 Freescale单片机的发展在嵌入式处理器领域, 飞思卡尔打下了坚实的基
31、础。 1974年,Freescale发布了MC6800处理器,这是第一个仅需要单个5V电源输入的模块产品。同年，Freescale推出第一款HC088位到MCU。到30余年后的今天 ,Freescale已生产出超过80亿个单位的MCU。这些被广泛应用于微波炉尺、调制解调器、安全系统和汽车领域等。微处理器也是Freescale的强项之一。1984年,Freescale推出首颗32位微处理器。在亚洲,首片PDA处理器 “龙珠”处理器在1995年与palm一起打造了全新的手持设备市场。80年代后期Freescale开发处理器,并在1989年创造出通信处理器。现在powerQUICC成为业界使用极其广
32、泛的通信处理器架构,这使Freescale在通信处理器领域成为排名第一的供应商。Freescale 系列中都包含了一个MCU（微控制器），它的基本含义是：在一块芯片上集成了中央处理器（CPU）、存储器（RAM/ROM等）、定时器/计数器以及多种输入/输出（I/O）接口的比较完整的数字处理系统。具体框图如下：图3.5 MCU内部框图就MCU组成而言，虽然它只是一块芯片，但包含了计算机的基本组成单元，仍有运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备5部分组成，只不过这些都集成在一块芯片上，这种结构使得MCU成为具有独特功能的计算机。由于MCU具有体积小、价格低、稳定可靠等优点，它的出现和迅猛发展给控
33、制系统领域带来了一场技术革命。MCU又以较高的性价比、灵活性等特点，在现代控制系统中占有十分重要部分。MCU是在计算机制造技术发展到一定阶段的背景下出现的，它使计算机技术从科学计算领域进入到智能化控制领域。从此，计算机技术在两个重要领域通用计算机领域和嵌入式计算机领域都获得了极其重要的发展，为计算机的应用开辟了更广阔的空间。认识了MCU，它是在CPU基础上发展起来的，增加了满足测控对象要求的外围接口电路，用于测控领域。也就是说，MCU是最典型、最广泛的嵌入式系统。具有如下特点：（1）嵌入式系统资源受限（2）嵌入式系统开发需要专用工具和特殊方法（3）嵌入式系统要求较高可靠性和稳定性（4）嵌入式系
34、统有实时约束（5）嵌入式系统比较关注成本（6）嵌入式系统大多要求低功耗（7）嵌入式系统专用性很强、技术含量高而且生命周期长从MCU出现以来，MCU制造技术迅猛发展，各种用途、各种类型的MCU不断出现。目前MCU正向大容量、高性能化；小容量、低价格化；外围电路内装化等几个方向快速发展，应用领域也在不断地扩大。同时，8位、16位、32位、64位MCU也将有各自的应用领域。3.2.3 Freescale HCS系列单片机简介3.2.3.1 Freescale HCS系列单片机家族介绍Freescale公司的MC家族以8位、16位、32位机为主，采用CISC体系，目前的主流8位机是9S08系列，16位
35、机是HC9S12（X）系列，高级16位机是56F系列。从应用角度，Freescale的S12系列微控制器可分为以下两大类：（1）高性能通用型的微处理器，如HC9S12（X）系列。这类微控制器既可工作在总线扩充方式，也可以工作在单片方式，因此可以增加功能，提高可靠性，减小体积，在工业控制和汽车电子领域有着广泛应用。（2）适合用于广阔家电领域的微控制器，如HC9S08系列。这类微控制器性价比高，无需外接存储器，集成度高，对外不提供地址和数据总线，内置了高性能的I/O接口，工作在单片方式。Freescale微控制器的特点：技术成熟，可靠性高，抗干扰和电磁兼容性强，内部资源较多，品种全，选择余地大，新
36、品种多。8位机有HC08，HCS08及RS08系列；16位机有HC12，S12及S12X系列；32位机有MPC56F8X00、68K/ColdFire系列，Power Architecture处理器，基于ARM处理器的i.MX系列以及专门用于高性能、成本敏感性、可电池供电的MCORE处理器等。3.2.3.2 MC9S12DG128内部介绍由于Freescale公司的大力推出新的芯片，使得产品在用户手中越来越普遍。其中MC9S12DG128是公司推出的S12系列微控制器中的一种增强型16位微控制器。其集成度高、片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、C、A/D、PWM等。MCU是Freesca
37、le公司HCS12系列16位中的一种，其内部主要由MCU的基本和CAN功能模块组成。1.时钟和复位产生模块、存储器与封装形式时钟和复位产生模块CRG包括低电流振荡器或是标准振荡器的选择、锁相环时钟频率放大器、看门狗、实时中断和时钟监控器。存储器包括128KB的Flash EEPROM、8KB的RAM、2KB的EEPROM。DG128采用80引脚TQFP和112引脚LQFP两种形式的封装，具有5V输入和驱动能力，CPU的工作频率可达到50MHz，总线频率可达到25 MHz，并支持单线背景调试模式（BDM），可以在线设置硬件断点。2.丰富的I/O接口（1）通用I/O接口：29路独立的数字I/O接口
38、，20路带中断和唤醒功能的数字I/O接口。（2）A/D转换接口：两个8通道的10位A/D转换器、具有外部转换触发能力。（3）CAN总线接口：内部集成了3个CAN协议控制器MSCAN12模块，符合CAN2.0A/B协议标准；可编程传输率达到1Mb/s；具有5个接收缓冲区和3个发送缓冲区；灵活的标识符滤波模式，可配置成2个32位过滤码或4个16位过滤码，或者8个8位过滤码；含有4个独立的中断输入引脚Rx、Tx、error和wakeup；内置低通滤波的唤醒功能。（4）输入捕捉/输出比较与PWM：具有8通道的输入捕捉/输出比较，还具有8个可编程PWM通道，可配置成8通道8位或4通道16位PWM，其每个
39、通道的周期和占空比均可通过编程独立设置。可编程的时钟选择逻辑，使得输入脉冲的频率可设定在较宽的范围内。（5）串行通信口：具有2个串行异步通信接口SCI、2个同步串行外设接口SPI、Bytelight、InterIC总线以及SAE J1850 Class B数据通信网络接口。3.运行模式DG128MCU的运行模式可分为单片运行模式、扩展运行模式和其他运行模式。单片运行模式包括普通单片运行模式和特殊单片运行模式；扩展运行模式包括普通扩展宽模式、普通扩展窄模式、仿真扩展宽模式和仿真扩展窄模式；其他运行模式包括测试模式和外设模块测试模式。（1）单片运行模式单片运行模式又分为普通单片模式和特殊单片模式。
40、单片运行模式是DG128MCU最常用的一类运行模式。系统复位时，若CPU检测到MODA(PE5)和MODE(PE6)引脚为低电平，则进入单片运行模式。普通单片模式是正常运行应用程序时应使用的模式；而特殊单片模式又称为背景调试模式，是需要进行背景调试时应使用的模式。在MCU复位时，若引脚MODC为低电平，则进入特殊单片模式；反之，则进入普通单片模式。（2） 扩展运行模式DG128的扩展运行模式允许通过CPU外部总线扩展RAM、Flash、I/O等。扩展运行模式又分为窄模式和宽模式。前者使用8位外部数据总线，后者使用16位外部数据总线。DG128MCU采用地址和数据总线复用的形式实现外部总线的扩展
41、，在MCU的A口和B口的16位上交替出现地址、数据信号。扩展时，地址总线信号须通过外部锁存电路得到；数据信号可直接使用A口（8位窄模式）和B口（16位宽模式）。K口的6位给出页面地址的高位，E口给出总线控制信号。由于DG128 80引脚MCU的A口、B口、K口都没有引出，因此80引脚的DG128单片机不能使用扩展运行模式。扩展运行模式也有普通运行模式和特殊运行模式之分，其区别是有些寄存器只能在特殊模式下读/写。另外，还有仿真扩展模式，在该模式下，可以看到总线上的控制信号，可接逻辑分析仪用于调试。3.2.3.3MC9S12DG128引脚介绍DG128MCU具有两种封装形式，分别为80引脚和112
42、引脚。本设计所用到时112引脚的形式，具体引脚图如下：图3.6 DG128的112引脚图引脚功能说明：I/O口:模拟量输入：ATD1引脚号为68、70、72、74、76、78、80、82作为第一功能时普通输入口；第二功能是ADT1输入引脚；第三功能82引脚是ADT1外部触发输入引脚。 ATD0引脚号为67、69、71、73、75、77、79、81作为第一功能也是普通的输入口；第二功能是ADT0输入引脚；第三功能81引脚是ADT0外部触发输入引脚。A口：引脚号5764，作为第二功能，宽总线模式下，多路复用外部地址和数据。B口：引脚号2431，作为第二功能，宽总线模式下，多路复用外部地址和数据。E
43、口：36号引脚，作为第二功能，总线模式下当前总线是否处于空闲周期；作为第三功能，晶振选择。 37、38号引脚，作为第二功能，MCU工作模式的选择；作为第三功能，指令队列跟踪信号引脚；并且内部下拉。 39号引脚，作为第二功能，非正常单片模式，内总线时钟外部链接引脚。 53号引脚，作为第二功能，低字节选通；作为第三功能，的引脚。 54号引脚，作为第二功能，外部读写功能引脚且内部上拉。 55、56号引脚，作为第二功能，外部中断输入引脚且内部上拉。H口：引脚号3235，作为第三功能，中断输入引脚。 引脚号4952，作为第二功能，串行外围接口（SPI1）；作为第三功能，中断输入引脚。J口：98、99号引
44、脚，作为第二功能，CAN4的发送数据的输出引脚；作为第三功能，模块的串行时钟引脚。 21、22号引脚，作为第二功能，KWJ1、KWJ0；作为第三功能，PJ1、PJ0。K口：108号引脚，作为第二功能，仿真芯片选择输出引脚；作为第三功能，决定MISC寄存器的ROMON位值且内部上拉。 19、20、58号引脚，作为第二功能，总线模式下外部总线扩展地址且内部是那个拉。M口：87、88号引脚，作为第二功能，Byteflight。 100、101号引脚，作为第二功能，Byteflight；作为第三功能，SPI0。 102105号引脚，作为CAN/BDLC。P口：109112号引脚，作为第二功能，中断输入
45、引脚；作为第三功能，PWM模块。 14号引脚，作为第二功能，中断输入引脚；作为第三功能，PWM模块且作为SPI1。S口：9396号引脚，作为第二功能，SPI0。8992号引脚，作为第二功能，SCI。 T口：1518、912号引脚，作为第二功能，定时器模块。电源： 、分别是107、106号引脚作为I/O的外部电源。 、分别是41、40号引脚作为I/O和内部电压调节模块的外部电源。 、分别是13、14、65、66号引脚作为MCU的电源。 、分别是83、86号引脚作为电压调节及内部A/D转换的电源。 、分别是84、85号引脚作为A/D转换的参考电压端。 、分别是43、45号引脚作为PLL的电源供给端
46、。 是97号引脚作为片内电压调节模块的使能端。控制： RESET是42号引脚作为复位引脚（有内部上拉）。 BKGD/MODC/是23号引脚作为背景调试（有内部上拉）。其他： XFC是44号引脚作为PLL的外部滤波电容连接引脚。 EXTAL、XTAL分别是46、47号引脚作为片内振荡器引脚。3.2.3.4MC9S12DG128外围电路介绍MCU最小系统是指可使内部程序运行所需要的外围电路。DG128芯片的最小系统包括电源电路、PLL电路、复位电路、晶振电路、BDM调试接口电路等，具体介绍如下：电源电路：HCS12MCU的芯片内部使用3V电压，I/O端口和外部供电电压为5V。在图3.7给出的DG1
47、28最小系统电路中，电源电路部分的Cd和Cs构成滤波电路，可以改善系统的电磁兼容性，降低电源波动对系统的影响，增强电路工作稳定性。另外，为标识系统通电与否，可以增加一个电源指示灯。图3.7 电源电路PLL电路：片内的PLL电路兼有频率放大和信号提纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以降低因高速开关时钟所造成的高频噪声。图3.8 PLL电路在图所示的PLL电路中，引脚由片内提供2.5V电压；C1、C2和R5的取值与晶振、REFDV寄存器和SYNR寄存器有关。MCU系统时钟电路和电源电路在布PCB板时，要按照以下规则布线，才能使系统的电磁兼容性得到保证：（1）尽量让时钟信号回路周围电场趋近于零。用地线将时钟区圈起来，时钟线要尽量短。（2）石英晶振下面及噪声特别敏感的器件下面不要走线。（3）PLL的滤波电路要尽可能靠近MCU，每个电源端和接地端都要接一个去耦电容，去耦电容要尽可能靠近MCU。复位电路：HCS12系列MCU在响应各种外部或侦测到的内部系统故障时可进行系统复位。当MCU检测到需要复位时，它将寄存器和控制位设置成已知
