Встраиваемые системы. Проектирование приложений на микроконтроллерах семейства 68HC12/HCS12 с применением языка С - Стивен Барретт

• Модуль широтно-импульсного модулятора PWM (Pulse Width Modulation). Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — один из способов формирования импульсного сигнала с регулируемыми временными характеристиками. Способ широтно-импульсной модуляции часто используется для регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока, а также для управления электрическими двигателями других типов. Для генерации ШИМ-сигнала в МК B32 могут быть использованы аппаратные средства модуля многофункционального таймера TIM. Однако МК B32 оснащен специальным модулем ШИМ. Этот модуль позволяет генерировать четыре независимых импульсных последовательности с 8 разрядным разрешением для задания коэффициента заполнения, или две импульсные последовательности с 16-разрядным заданием коэффициента заполнения. Допускается комбинация этих режимов. Например, ШИМ сигнал используется для управления двигателем рулевого управления в игрушечных радиоуправляемых машинках. Для того, чтобы машинка повернула направо или налево, она должна получить импульсный сигнал, у которого частота следования импульсов постоянная, а длительность импульсов изменяется, как показано на рис. 4.2. Отношение длительности импульса к длительности периода сигнала называется коэффициентом заполнения. Машинка повернет налево, если коэффициент заполнения менее 50% , или направо, если коэффициент заполнения превышает 50%. Модуль PWM микроконтроллера B32 позволяет организовать импульсную последовательность с требуемыми значениями периода следования и коэффициента заполнения при использовании минимального числа команд прикладной программы.

а) Временные диаграммы ШИМ-сигналов с различными коэффициентами заполнения

б) Регулировочная характеристика

Рис. 4.2. Широтно-импульсная модуляция

• Модуль контроллера последовательного обмена BDLC (Byte Data Link Communication) поддерживает коммуникационный протокол SAE J1850, который является действующим стандартом бортовой информационной сети в автомобилях североамериканского производства.

• Модуль контроллера CAN интерфейса msCAN12 (Motorola Scalable Controller Area Network) содержит в себе набор аппаратных средств для поддержки коммуникационного протокола промышленных сетей в стандарте CAN 2.0 A/B. Этого модуля нет в составе МК модели B32, однако он присутствует во многих других моделях семейства HC12 и HCS12. Пример работы с этим модулем приведен в главе 9.

Для более полного восприятия структуры МК B32 мы дополним приведенные технические характеристики небольшим примером применения.

На рис. 4.3. представлена микропроцессорная система регулирования скорости электрического двигателя на основе МК семейства 68HC12. Желаемая скорость вращения двигателя (число оборотов в секунду — об/с) задается посредством шестнадцатикнопочной клавиатуры. МК 68HC12 осуществляет преобразование вводимых с клавиатуры кодов в ШИМ сигнал для управления двигателем. Информация о скорости вращения двигателя снимается с выхода оптического импульсного датчика, установленного на валу двигателя. Измеренное значение скорости используется для вычисления коэффициента заполнения ШИМ сигнала, который управляет подключением силового напряжения к обмотке двигателя. Регулирование коэффициента заполнения ШИМ сигнала позволяет поддерживать скорость вращения двигателя на заданном уровне. Текущая скорость двигателя отображается на жидкокристаллическом (ЖК) индикаторе.

Рис. 4.3. Система управления электрическим двигателем на основе МК 68HC12

Вопрос: какие подсистемы МК семейства 68HC12 используются для реализации рассмотренной системы регулирования скорости вращения двигателя?

Ответ:

• Параллельный порт задействован для ввода сигналов с клавиатуры.

• Модуль ШИМ используется для генерации широтно-модулированного сигнала управления силовым ключом IRF530. Этот ключ коммутирует силовое напряжение к обмотке двигателя. Если в примере использовать МК семейства 68HC12, который не имеет в своем составе модуля ШИМ, например A4, то этот же сигнал может быть сгенерирован одним из каналов многофункционального таймера в режиме выходного сравнения OC.

• Выход оптического импульсного датчика подключается на вход счетчика внешних событий PA. Внешний датчик и встроенный в МК счетчик вместе образуют цепь обратной связи системы управления скоростью вращения двигателя.

• Модуль меток реального времени RTI реализует периодические прерывания для считывания накопленного в счетчике внешних событий числа импульсов. Это значение используется для вычисления реальной скорости вращения двигателя.

• Параллельный порт и несколько дополнительных линий другого порта используются для вывода информации на ЖК индикатор.

4.2. Аппаратные средства МК семейства HCS12

Новое семейство МК HCS12 унаследовало архитектуру процессорного ядра и большинства периферийных модулей от своего предшественника, семейства 68HC12. Каковы основные отличия МК нового семейства HCS12 от изученных представителей 68HC12?

• Напряжение питания большинства моделей МК семейства HCS12 равно 5,0 В, что позволяет обеспечить электромагнитную совместимость в автомобильных и общепромышленных применениях.

• Повышенна производительность процессорного ядра. Частота тактирования центрального процессора и межмодульных магистралей МК семейства HCS12 составляет 25 МГц против 8 МГц у HC12;

• Увеличен объем резидентной памяти. Объем встроенного в МК семейства HCS12 ОЗУ достигает 12 Кб, объем Flash ПЗУ — 512 Кб. Кроме того, в составе большинства моделей МК имеется значительная область EEPROM (до 4 Кб) для хранения перепрограммируемых констант пользователя;

• Большое число интегрированных на кристалл разнообразных контроллеров последовательных интерфейсов, т.к. МК семейства предназначены для работы в качестве интеллектуальных узлов распределенных систем управления.

Семейство HCS12 объединяет ряд моделей МК с одинаковым процессорным ядром CPU HCS12. Отдельные представители семейства различаются объемом встроенной памяти и количеством и типом интегрированных на кристалл МК периферийных модулей. Однако каждый МК из семейства HCS12 имеет в своем составе следующие функциональные модули:

• Память трех типов: FLASH память программ, энергонезависимая память EEPROM для хранения изменяемых констант пользователя и статическое ОЗУ для размещения промежуточных переменных прикладной программы управления;

• Многофункциональный 16-разрядный таймер с 8 каналами IC/OC;

• Многоканальный аналого-цифровой преобразователь;

• Контроллеры последовательного обмена нескольких стандартов;

• Модуль ШИМ общего назначения, ряд моделей оснащен специализированным модулем ШИМ для управления автономными вентильными преобразователями.

Структурная схема одного из представителей семейства HCS12 — микроконтроллера MC9S12DP256B представлена на рис. 4.4. Обратите внимание, что большая часть модулей этого МК уже рассматривалась Вами в составе МК MC68HC912B32 (рис. 4.1). Однако на кристалле MC9S12DP256B размещены уже два 8-канальных АЦП, добавлены 5 модулей контроллеров CAN и новый модуль PPAGE для аппаратной поддержки режима страничной адресации внешней памяти. Также претерпел изменения модуль таймера ECT, который стал именоваться «усовершенствованным таймером с функцией фиксации» (Enhanced Capture Timer).

Рис. 4.4. Структура микроконтроллера MC9S12DP256B

Мы надеемся, что читатель получил общее представление о МК семейства 68HC12/HCS12, и следует перейти к подробному изучению их технических особенностей. Далее на протяжении этой главы мы рассмотрим аппаратную реализацию и регистровые модели отдельных модулей в составе МК семейства 68HC12/HCS12. Также будут рассмотрены примеры программного обслуживания каждого модуля. В последующих главах мы объединим полученные навыки программирования периферии МК при создании микропроцессорных устройств различного назначения.

4.3. Режимы работы МК семейства 68HC12/HCS12

Микроконтроллеры семейства 68HC12/HCS12 функционируют в одном из восьми режимов, которые делят на две группы: рабочие режимы и специальные режимы. Рабочие режимы позволяют создать различную аппаратную реализацию встраиваемого контроллера, в то время как специальные режимы работы предназначены для проведения тестовых испытаний и диагностики МК в процессе производства. Поэтому инженерам по применению микроконтроллеров важно изучить лишь группу рабочих режимов.

BKGD MODB MODA Режим работы PORTA PORTB 000 Специальный однокристальный PORTA PORTB 001 Специальный расширенный с 8-разрядной внешней шиной ADDR [15...8]  DATA [7...0] ADDR [7...0] 010 Специальный периферийный ADDR, DATA ADDR, DATA 011 Специальный расширенный с 16-разрядной внешней шиной ADDR, DATA ADDR, DATA 100 Нормальный однокристальный PORTA PORTB 101 Нормальный расширенный с 8 разрядной внешней шиной ADDR [15...8] DATA [7...0] ADDR [7...0] 110 Резервный (периферийный) — — 111 Нормальный расширенный с 16 разрядной внешней шиной ADDR, DATA ADDR, DATA 

Рис. 4.5. Режимы работы микроконтроллеров семейства 68HC12