MC9S12XS128嵌入式处理器教具的制作与应用

2017-03-19莫玉华

成功 2017年10期

莫玉华

江苏省常州技师学院江苏常州 213031

一、研究的背景及价值

近年来，随着计算机技术及集成电路技术的发展，嵌入式技术日渐普及，在通讯、网络、工控、医疗、电子等领域发挥着越来越重要的作用。单片机课程是技师学院机电一体化、电子电工、计算机等专业重要的核心课程之一，是集单片机组成原理、软件设计、通讯、接口技术与应用为一体，把C语言、微机接口、通信技术等知识综合在一起的一门具有很强技术性、工程性、实践性的课程，是高素质复合技能型人才所需自动控制类知识结构的载体。8位51单片机的应用越来越不能满足现代技术的需求，采用C语言编程是嵌入式技术发展的基础。从教学实际出发，将传统的教学方法与实验验证的教学法与项目教学的方法有机地结合起来，由浅入深为单片机课程实践研究提供一定的参考。通过在实践中培养学生学习单片机在汽车电子中的具体运用，最后实现开发、创新。

在技职院校主要培养学生动手能力，学生的技能训练能与企业生产实践接轨是我们教学的最终目标，故开发出新的实用价值较高的教学课题是件刻不容缓的事情。

在学院相关专业中开设基于汽车电子的单片机课程实用性较强，意义也重大，飞思卡尔半导体是全球领先的半导体公司，其生产的嵌入式处理器占整个汽车电子的微处理器市场份额70%以上。因此，学习基于飞思卡尔系列嵌入式处理器的单片机技术具有广阔的应用前景。

二、MC9S12XS128处理器教具的设计

（一）教具的整体设计方案

在选取开发对象后，立即进入到收集资料以及设计阶段，本设计在市场上已开发的MC9S12XS128嵌入式处理器学习板的基础上进行了二次开发，使之成为适合我们学生学习的学习板，同时也共同增强了教师和学生的开发设计制作的能力，在原学习板的基础上去掉一些冗余的接口电路，采用单片机丰富的扩展接口功能同样能实现实验结果，前期通过计算机仿真验证了可行性，然后进行PCB版的绘制以及送去工厂加工，板子上的元器件都由我们的学生采用回流焊的方式完成。学习板所有实验都能正常验证。学习板的实物图如下图1所示：

图1 学习板实物图

（二）各主要模块电路设计

1、电源电路

该开发板的电源电路可以适用于 12V汽车电源。LM29405为电源转换芯片，可将接入的电源电压转换成5V。D1为电源指示灯。电路中的电容起到稳压和滤波的功能。R8和R9将电源电压分压后接到单片机的AD口，用于电源电压的监测。

2、LED 电路

该开发板设计有8个独立的LED，通过单片机的I/O口直接控制。电路采用了I/O口灌电流的驱动方式来驱动LED，所以不需要驱动就可以点亮LED，引脚输出高电平时LED熄灭，低电平时LED点亮。

3、蜂鸣器电路

蜂鸣器使用NPN三极管Q1进行驱动控制，当输入端BUZZ输入为1时，Q1导通，蜂鸣器蜂鸣；当输入端BUZZ输入为0时，Q1截止，蜂鸣器停止蜂鸣。

4、按键电路

该开发板有4路独立的按键输入，当按键未按下时，由于有上拉电阻R14、R17、R19、R23的作用，CPU检测到的电平为高电平；当按键按下时，CPU检测到引脚为低电平。

5、模拟信号输入电路

XS128单片机内部集成了模数转换模块。该开发板使用两个电位器对5V分压作为模拟输入源。

6、SCI接口电路

该开发板设计了两路SCI接口电路，其中一路可与PC机串口通讯的接口相连，电平转换通过MAX232芯片实现。

7、LIN 总线电路

该开发板设计有一个 LIN总线接口，使用芯片为TJA1020，该芯片与串口0相连来实现LIN通信的功能。芯片使用12V的电源供电，模拟汽车上的应用。

8、CAN 总线电路

该开发板设计有一个 CAN总线接口，使用芯片为TJA1050，该芯片与芯片内的CAN模块相连来实现CAN通信的功能。芯片使用5V的电源供电。

9、485总线

该开发板设计了一个485总线接口，采用MAX485芯片，MAX485与单片机的串口1连接。

10、数码管电路

该开发板设计了一个数码管显示电路，D111为4位8段数码管模块，四个三极管是四位数码管每一位的选通开关，因为要想使四位数码管的每一位显示不同的数字，必须用扫描这种方式来实现，即每一位可以单独控制通断，四个三极管就是起到这个作用。

11、12846汉显液晶模块接口电路

该开发板引出了一个汉显液晶模块接口，该接口为一个有20针的接口，可以调试12864液晶模块。单片机与液晶之间可以通过IIC或并口通信。

12、SD 卡接口

该开发板设计了一个SD卡接口，LM1117将5V电源转换为3.3V，用来给SD卡供电，SD卡用SPI模式进行读写。

13、温度传感器

该开发板设计了一个温度传感器，采用18B20芯片，用单线串行总线进行通信。

14、接口

开发板上设计了丰富的接口，包括单片机的接口 P15-P18，SPI模块接口J_SPI，IIC模块接口J_IIC。

15、最小系统

最小系统是XS128单片机及其外围电路。D8为供调试用的指示灯，通过单片机的PK4口控制。电路采用了I/O口灌电流的驱动方式来驱动LED，所以不需要驱动就可以点亮LED，引脚输出高电平时LED熄灭，低电平时LED点亮。P8为BDM调试接口，KEY5为复位按键。

（三）可完成的教学实验

本学习板能完成10个基础实验：蜂鸣器实验、独立按键实验、灯光控制实验、A/D转换实验、脉宽调制实验、SCI串口实验、定时器应用实验、RTI实验、数码管显示实验、周期中断实验。设计的每个实验都能充分体现学生学习需要达到的目的，如完成蜂鸣器实验就能使学生掌握XS128单片机普通I/O口输出功能的使用，并熟悉开发板的接线帽的使用，MCU的很多引脚和片上功能模块复用，当引脚的复用功能未使用到时，那么引脚作为普通I/O口使用；完成独立按键实验就能使学生掌握XS128单片机I/O口的输入功能，并掌握输入中断的使用；完成灯光控制实验就能使学生熟练掌握XS128单片机普通I/O口输出功能的使用；完成A/D转换实验能使学生掌握XS128单片机模数转换(ATD)模块的使用；完成SCI串口实验可以使学生熟悉XS128单片机的SCI口的使用，掌握查询和中断方式的发送和接收功能；完成RTI实验能使学生掌握XS128单片机实时中断功能的使用；完成周期中断实验可以使学生掌握XS128单片机PIT模块功能的使用等等。

本学习板还能完成10个高级实验：秒表及定时器实验、数字显示电压表实验、播放音乐实验、DS18B20使用实验、液晶屏接口实验、RS-485串口通信实验、LIN总线通信实验、CAN总线通信实验、1939协议实验、SD卡存储实验。如完成秒表及定时器实验可以使学生深入掌握数码管扫描、按键中断、TIM定时和PIT定时功能；完成数字显示电压表实验可以使学生深入掌握数码管扫描、AD采集和TIM定时功能；完成DS18B20使用实验可以使学生了解单线总线，掌握温度传感器DS18B20的用法；完成RS-485串口通信实验可以使学生掌握RS-485总线的用法；完成LIN总线通信实验可以使学生了解LIN通信协议，掌握使用XS128单片机的SCI模块进行LIN通讯的方法等等。

还能实现综合实验项目的课程设计，本课题目前已开发了驱动直流无刷电机课程设计。这些实验的开发与学习，让学生真正掌握了XS128单片机的基本编程方法，在实验中学习，改变了枯燥乏味的学习方法，能提高学生的学习兴趣。

三、MC9S12XS128处理器教具应用的具体实施

（一）课题分三个年级实施

技师四年级（或高中生二年级）：完成前1-10个基础实验，为学习C语言单片机编程打下基础；

技师五年级（或高中生三年级）：完成后1-10个高级实验，提升应用，进行较复杂的编程；

技师六年级（或高中生四年级）：完成综合实验项目的课程设计——驱动直流无刷电机课程设计，培养学生的开发设计能力。

（二）将知识传授改变为能力培养

以讲为主的单片机教学模式在授课时，大多数学生由于对理论知识不能很好的理解或某个知识点没有跟上教师的讲授过程或C语言的枯燥，容易产生畏难和厌学情绪，导致课堂睡觉和注意力不集中现象增多。采用实验教学法，可以克服现行授课模式的缺点和不足，将学习到的小的知识点都能用小实验来验证，增强了客观认知过程，激发学生的主观能动性。教学内容在逐步完成实验项目的过程中展开，学生由主动参与代替了被动接受，激发了学习兴趣。实验项目中遇到问题后，随时可以和教师进行交流，这种互动性的可以使学生逐渐加强对课程的兴趣，减少课堂注意力不集中现象的发生。

（三）提高学生科技创新能力

在单片机课程综合实验项目中，充分发挥学生创新设计能力，积极参加科技创新活动，提高在同类专业中的竞争力。

四、结论

（一）设计制作切实可行的教具

学习飞思卡尔系列嵌入式处理器为载体的单片机课程，融入了更多的实用技术，与企业的技术连接更加紧密。对于技工院校培养应用型人才的学生而言，利用本学习板可以实现电气、电子及控制相关专业、汽车维修专业等知识的学习，学生掌握这类知识后就业范围更宽，待遇较高，就业前景广阔。

（二）建立“教、学、做、评”一体化教学模式

采用基础实验+高级实验+综合项目的“递进式”教学，每个项目都突出学习的重点内容，有利于提高学生的工程实践能力。课程的每个实验都有明确的学习目标、工作任务、实施过程和评价，学生在做中学，老师在做中教。实现“教、学、做、评”合一。当学生看到自己编写的程序能正常验证时，将会充满内心的喜悦，获得极大的成就感，更加激发学好单片机的积极性。