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基于32位微控制器MC68HC376的開發(fā)設計和應用
摘要：研究了一種新型的32位高性能微控制器MC68HC376，提出了一種基于MC68HC376的應用系統(tǒng)設計方案，對MC68HC376比較有特色的部分做了深入的開發(fā)和討論，通過一種實際產(chǎn)品驗證了該方案的可行性。關(guān)鍵詞：32位微控制器 MC68HC376 可構(gòu)造時鐘模塊（CTM4） 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（QADC） 系統(tǒng)設計 測頻
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(shù)據(jù)處理、邏輯運算和信息存儲能力，可以實現(xiàn)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(fā)前景。其開發(fā)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(tǒng)的仿真器和編程器就可以直接對微控制器系統(tǒng)進行仿真開發(fā)和燒錄程序。本文介紹了在電力系統(tǒng)保護中應用MC68HC376的一種實際開發(fā)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(yōu)點。與目前常用的8位、16位微控制器比，其片內(nèi)資源極其豐富，適應于各種控制場合；內(nèi)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。
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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位隊列式的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（QADC），具有強大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(gòu)造時鐘模塊（CTM4），具有多種強大的定時、計數(shù)和脈沖調(diào)制功能；時間處理單元（TPU），可對各種事件進行快速智能處理；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(wǎng)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(diào)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線和片選線是系統(tǒng)優(yōu)劣的關(guān)鍵。
本系統(tǒng)擴展了2片128KB的片外Flash 29C010A,2片128KB的片外RAM HM628128，擴展電路中圖1所示（其中的片選信號均采用10kΩ的上位電阻，圖1未畫出）。
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)字口分別接至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)折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(nèi)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，需要強制電路使用應數(shù)據(jù)線在復位時電位為低。相應的模式選擇電路如圖2所示。
為了避免復位時MCU與外部讀寫器件沖突，引入DS和R/W為門控信號。這里，將SIM模塊構(gòu)造兩個通用的并行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，電路和普通晶振電路一樣。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(guān)位來獲得一定的系統(tǒng)時鐘。系統(tǒng)時鐘頻率與SYNCR的W位、X位和Y[0～5]區(qū)的值有關(guān)：Fsys=Fref×[4(Y+1) ×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(nèi)部鎖相環(huán)的性能。濾波電路如圖3所示。
2.4 輸入輸出通道
系統(tǒng)輸入輸出通道包括模塊量輸入、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(zhuǎn)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位可自動得裝載計數(shù)器MCSM、4個動作單元DASM、4個脈寬調(diào)節(jié)子模塊PWMSM。
CPSM通過對系統(tǒng)時鐘分頻向CTM4各個模塊提供6種不同的計數(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(gòu)造值關(guān)系到實際測頻和測周結(jié)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，外部信號經(jīng)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。測頻子程序包括測頻部分（流程如圖4）和計數(shù)測頻部分（流程如圖5）。
（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CTM4測頻的幾個實際問題
應用CTM4測頻的程序結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(guān)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2 16Hz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，因此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（FCSMCNT溢出中斷處理程序的流程圖略）。
·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(diào)整。
2.4.2 利用QADC模塊實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換
QADC的主要功能模塊包括兩個隊列（QUEUE）、命令字（CCW）表、結(jié)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換序列，并將結(jié)果按一定的格式存放于結(jié)果字表中。在實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換時需要進行的工作如下：
（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或多路復用功能腳。在使用和相應管之前要先對其進行構(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(gòu)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(zhuǎn)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(jīng)過軟件倍頻后可以很容易地對相關(guān)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(yōu)先級來組織隊列。
由于沒有多路復用，這里用16個轉(zhuǎn)換命令字（CCW）分別控制16路輸入通道。在CCW中寫入通道號、采樣輸入時間選擇和放大模式選擇。轉(zhuǎn)換命令字表中最多可有40個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，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(zhuǎn)換完成后申請中斷，中斷服務程序從結(jié)果字表中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。然后清除隊列狀態(tài)寄存器QASR中的中斷標志位CF1、CF2，準備下一輪隊列轉(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模式與外部的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(yè)部電力設備及儀表質(zhì)量檢驗測試中心的產(chǎn)品形式試驗，各項指標均合格。通過國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、性能可靠、適應性強，達到國內(nèi)同步裝置領(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(nèi)部功能，外部結(jié)構(gòu)簡單。系統(tǒng)能對多種模擬量、開關(guān)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。
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