汽車電子教學(xué)輔助裝置的開發(fā)

本實(shí)驗(yàn)裝置是在飛思卡爾08單片機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)的一套集成0～5V直流電壓輸出、穩(wěn)壓直流電壓輸出、PWM輸出和不同頻率采集并用數(shù)碼管顯示相應(yīng)數(shù)據(jù)的裝置。它在汽車電子技術(shù)教學(xué)中可代替現(xiàn)行的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)輔助設(shè)備，并能簡化實(shí)驗(yàn)的操作步驟、降低實(shí)驗(yàn)成本。

系統(tǒng)的硬件組成結(jié)構(gòu)

本裝置的硬件主要是由飛思卡爾08單片機(jī)及簡單的外圍接口電路構(gòu)成的。裝置的功能如圖1所示，被控對象以模擬信號或數(shù)字信號進(jìn)入單片機(jī)，并且在單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識別的數(shù)字信號，通過單片機(jī)的計(jì)算和軟件的編程，實(shí)現(xiàn)不同的模擬信號輸出、PWM輸出及頻率輸出。同時在數(shù)碼管上顯示相應(yīng)的輸出量或輸入量的頻率、周期、占空比和直流電壓等。

圖1 教學(xué)輔助裝置功能示意圖

1 0～5V直流電壓可視輸出

MC68HC908GP32CP芯片內(nèi)部集成8路8位ADC，分別為PTB0～PTB7口，可實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能。本功能主要通過A/D信號的轉(zhuǎn)換，顯示并輸出可調(diào)的電壓值。如圖2所示，單片機(jī)的PTB_PTB4和PTB_PTB5接口接電位計(jì)的兩端，電位計(jì)要100K左右以保證其調(diào)節(jié)范圍，輸入直流電源（5V）經(jīng)過電位計(jì)調(diào)節(jié)成0～5V之間的不同電壓值作為模擬信號輸入到單片機(jī)中，進(jìn)入單片機(jī)之后，首先經(jīng)過ADC把模擬信號轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所能識別的數(shù)字信號，然后MCU對數(shù)字信號進(jìn)行處理，并通過同步串口通信SPI接口與ZLG7289進(jìn)行通信，驅(qū)動數(shù)碼管顯示當(dāng)前電壓值，同時在此電路的PTB_PTB4和PTB_PTB5引出兩個接口，連接模擬輸出接口，就可以實(shí)現(xiàn)0～5V的模擬信號可視的輸出。在汽車電子的實(shí)驗(yàn)中很多的外部設(shè)備都需要低于5V的電壓，所以0～5V直流電壓可視輸出可以很方便的給一些外設(shè)供電。

圖2 單片機(jī)A/D采集電路

2 PWM波的輸出以及占空比和周期的顯示

MC68HC908GP32CP的系統(tǒng)時鐘不僅可以由外部晶振輸入分頻得到，還可以由內(nèi)部鎖相環(huán)頻率合成器提供。鎖相環(huán)頻率合成器可以使用外部32kHz晶振，通過軟件編程得到最大8MHz的總線時鐘頻率。MC68HC908GP32CP還具有兩個定時器。定時器的核心是一個16位的計(jì)數(shù)器，該計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率由外部晶振時鐘或內(nèi)部鎖相環(huán)模塊得到的總線時鐘經(jīng)過預(yù)定的分頻因子分頻得到。從處理器的角度，真正的時間間隔被這個自由運(yùn)行的定時計(jì)數(shù)所代替?？梢酝ㄟ^讀取計(jì)數(shù)器的讀數(shù)判斷經(jīng)過了多長時間。使用預(yù)置計(jì)數(shù)器功能可以得到精確的溢出時間，還可以在任何時候暫?；蚯宄?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。通過定時器的溢出功能可以進(jìn)行長時間的定時。所以定時器具有輸入捕捉測量頻率和PWM（脈沖寬度調(diào)制）脈沖的功能，PWM的輸出是利用定時器所在的每一個通道都可以設(shè)置為在溢出時自動翻轉(zhuǎn)電平。合理地使用這個特性，定時器通道就可以產(chǎn)生PWM波。預(yù)置計(jì)數(shù)寄存器的值將決定脈寬調(diào)制波的周期。當(dāng)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)置計(jì)數(shù)器的值時，該通道的輸出將自動翻轉(zhuǎn)，所以兩次溢出之間的時間就是脈寬調(diào)制波的周期，每一個通道的輸出比較寄存器的值將決定脈寬調(diào)制波的占空比。因?yàn)橐绯隹刂齐娖降姆D(zhuǎn)，首次翻轉(zhuǎn)為占空比所控制的脈寬，兩次翻轉(zhuǎn)為一個整周期。

因此，如果要實(shí)現(xiàn)可調(diào)占空比和周期的輸出，可以與A/D采集共用一套電路，在軟件編程中只要將采集到的A/D數(shù)據(jù)寄存器的值經(jīng)過計(jì)算之后賦給定時器預(yù)置寄存器和對應(yīng)通道的輸出比較寄存器中，并通過計(jì)算得出相應(yīng)的周期和占空比，再把數(shù)據(jù)通過SPI輸入ZLG7289中驅(qū)動數(shù)碼管顯示周期和占空比。這樣就實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)電位計(jì)可視輸出不同周期和占空比的方波。PWM波的應(yīng)用范圍很廣，在汽車電子中，噴油器噴射油量等的控制一般是由PWM控制的。

3 未知方波信號頻率的采集及顯示

輸入捕捉也是飛思卡爾08單片機(jī)定時器的一項(xiàng)功能，該功能用來監(jiān)測外部的事件和輸入信號。其測量頻率的范圍由系統(tǒng)時鐘及定時器的分頻因子決定。當(dāng)外部事件發(fā)生或信號發(fā)生變化時，在指定的輸入捕捉引腳上發(fā)生一個指定的沿跳變(上升沿或下降沿)，定時器捕捉到特定的沿跳變后，把自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器當(dāng)前的值鎖存到輸入捕捉寄存器。如果在輸入捕捉控制寄存器中設(shè)定允許輸入捕捉中斷，系統(tǒng)會產(chǎn)生一次輸入捕捉中斷，利用中斷處理軟件可以得到事件發(fā)生的時刻或信號發(fā)生變化的時刻。通過記錄輸入信號的跳變沿，用該軟件算出輸入信號的周期和占空比。因此，只需要MC68HC908GP32的一個通道以及MC68HC908GP32與顯示電路的連接即可。在實(shí)際運(yùn)用中主要是測量傳感器采集的交替變化的信號，可以利用該功能測得信號變化的頻率范圍是1～40kHz。頻率信號主要是車速傳感器信號，現(xiàn)行大多數(shù)測量車速的傳感器的輸出信號都是轉(zhuǎn)換成TTL電平的方波信號后由單片機(jī)測量。

4 總體電路的硬件設(shè)計(jì)