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(duì)象以模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)，并且在單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，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(hào)輸出、PWM輸出及頻率輸出。同時(shí)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(hào)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，然后MCU對(duì)數(shù)字信號(hào)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(dòng)數(shù)碼管顯示當(dāng)前電壓值，同時(shí)在此電路的PTB_PTB4和PTB_PTB5引出兩個(gè)接口，連接模擬輸出接口，就可以實(shí)現(xiàn)0～5V的模擬信號(hào)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(shí)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(shí)鐘頻率。MC68HC908GP32CP還具有兩個(gè)定時(shí)器。定時(shí)器的核心是一個(gè)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(shí)鐘或內(nèi)部鎖相環(huán)模塊得到的總線時(shí)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(shí)間間隔被這個(gè)自由運(yùn)行的定時(shí)計(jì)數(shù)所代替。可以通過讀取計(jì)數(shù)器的讀數(shù)判斷經(jīng)過了多長時(shí)間。使用預(yù)置計(jì)數(shù)器功能可以得到精確的溢出時(shí)間，還可以在任何時(shí)候暫?；蚯宄?jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)。通過定時(shí)器的溢出功能可以進(jìn)行長時(shí)間的定時(shí)。所以定時(shí)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(shí)器所在的每一個(gè)通道都可以設(shè)置為在溢出時(shí)自動(dòng)翻轉(zhuǎn)電平。合理地使用這個(gè)特性，定時(shí)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(shí)，該通道的輸出將自動(dòng)翻轉(zhuǎn)，所以兩次溢出之間的時(shí)間就是脈寬調(diào)制波的周期，每一個(gè)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(gè)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(shí)器預(yù)置寄存器和對(duì)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(dòng)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(hào)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(shí)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(hào)。其測量頻率的范圍由系統(tǒng)時(shí)鐘及定時(shí)器的分頻因子決定。當(dāng)外部事件發(fā)生或信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，在指定的輸入捕捉引腳上發(fā)生一個(gè)指定的沿跳變(上升沿或下降沿)，定時(shí)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(huì)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(shí)刻或信號(hào)發(fā)生變化的時(shí)刻。通過記錄輸入信號(hào)的跳變沿，用該軟件算出輸入信號(hào)的周期和占空比。因此，只需要MC68HC908GP32的一個(gè)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(hào)，可以利用該功能測得信號(hào)變化的頻率范圍是1～40kHz。頻率信號(hào)主要是車速傳感器信號(hào)，現(xiàn)行大多數(shù)測量車速的傳感器的輸出信號(hào)都是轉(zhuǎn)換成TTL電平的方波信號(hào)后由單片機(jī)測量。

4 總體電路的硬件設(shè)計(jì)