单片机MC9S12DG128B功能模块的设计

　　3.3 单片机 MC9S12DG128B 功能模块的设计。

　　3.3.1ATD 接口模块。

　　在控制系统中，被检测的对象，如温度、湿度、压力、电压、电流等都是连续变化的量，通过适当的传感器（如温度传感器、湿度传感器、压力传感器、电压传感器、电流传感器），将它们转换为连续变化的电压或电流（即模拟量）。模数转换器ATD就是用来将这些模拟电压或电流转换成计算机能识别的数字量。

　　MC9S12DG128B带内置采样和保持的8/10位模数转换模块ATD,采样时间可以在1~32us范围内选择，10位方式下总的转换时间是不是10~68us,8位方式下总的转换时间是9~64us.由于MCU自身集成了ATD转换模块，只需考虑模拟信号输入的信号滤波。MCU模拟电压的参考源最大只能是3.3V,所以要保证传感器输入到MCU的信号在0~3.3V之间。

　　设计典型的 A/D 输入信号的滤波电路如图 3.7 所示，传感器出来的信号如果是电流信号就选取一个适当阻值的电阻 R1将其转化为 0~3.3V 的电压信号。这主要是防止在输入端悬空时，运放的输出会被拉到和供电端电压相同，也就是可以高达+12V,长期处于这种工作状态下，MCU 会损坏。为防止在平时调试或工作中可能存在的没接传感器或者传感器线路接触不良的情况下，损坏主控芯片，所以这个电阻是必要的。信号通过随后的二阶有源低通滤波器后输出交流纹波较小的模拟信号，经过一个稳压二极管进行稳压，确保将意外进来高电压钳制在 MCU芯片所能承受的范围之内。

　　3.3.2I/O 接口模块。

　　单片机的数字量输出主要用于控制继电器，继电器又用来控制各种阀的开关。单片机通过光耦进行隔离，然后经过一个非门进行驱动，再和继电器相连[31].

　　这样只需改变单片机输出电平的高低就可以控制按键的开断。

　　高速风机和高压水泵是通过数字信号输出量控制外接驱动器，使其工作的，高速风机和高压水泵是有一个交流电机控制的，控制交流电机采用SPWM技术，根据电机学原理，交流异步电动机变频调速时，如果按照频率与定子端电压之比为定值的方式进行控制，则机械特性的硬度变化较小，所以在变频的同时，也要相应改变定子的端电压，若采用PWM等脉宽调制技术实现变频与变压，由于输出矩形波中含有较严重的高次谐波，会危害电动机的正常运行，为减小输出信号中的谐波分量，一种有效的途径是将等脉宽的矩形波变成信号宽度按正弦规律变化的正弦脉宽调制波，即SPWM调制波产生SPWM信号的方法是用一组等腰三角波（称为载波）与一个正弦波（称为调制波）进行比较，如图3.9所示，两波形的交点作为逆变开关管的开通与关断时间。

　　定子端电压发生变化，只要控制正弦波的频率和幅值，就可以改变输出正弦脉宽调制波的频率和电压，使电动机在变频的同时，也相应改变电压，从而达到变频与变压的同步进行。SA8281是MITEL公司推出的一种用于三相SPWM波发生和控制的集成电路，它与微处理器接口方便，内置波形ROM及相应的控制逻辑，设置完成后可以独立产生三相PWM波形，只有当输出频率或幅值等需要改变时才需微处理器的干预，微处理器只用很少的时间控制它，因而有能力进行整个系统的检测、保护和控制等[32].其连接方法也是通过一个光隔后，输入到MCU的I/O口。在这里需要注意的是数字量开关的速度，如果速率要求不高（比如微秒级），就可以使用TLP521系列的光隔，速度在纳秒级则就需要选择快速光隔，比如6N137.

　　3.2.3PWM 接口模块。

　　PWM模块是MC9S12DG128B内部的一个重要资源，它既可以设置8位通道，也可以设置16位通道。通过控制寄存器可以设置多种方式的PWM输出。功能强大，编程方便。相关的控制寄存器如下：

　　PWMCTL-PWM通道8位/16位选择寄存PWMCAE-PWM输出模式选择寄存器PWMCNTX-PWM计数器PWMDTYX-PWM占空比设置寄存器PW'MPERX-PWM周期设置寄存器PWMCLK-PWM时钟源选择寄存器PWMPRCLK-PWM时钟分频因子选择寄存器PWMSCLA-PWM时钟频率选择寄存器PWMSCLB-PWM时钟频率选择寄存器在数字控制系统中，通常需要将数字信号转换成模拟信号以控制外设对象。

　　这种转换过程最常用的就是采用脉宽调制（PWM）技术。调制技术的核心就是产生周期不变但脉宽可变的信号。也就是说一个PWM信号是一串宽度变化的脉冲序列，这些脉冲平均分布在一段定长的周期中，在每一个周期中有一个脉冲。这个定长的周期被称为PWM（载波）周期，其倒数被称为PWM（载波）频率。

　　MC9S12DG128B芯片中有两个事件管理模块，每个事件管理模块可同时产生多达8路的PWM波形输出。本系统中，PWM模块主要用来控制冷却风扇即一个+12V的直流电机和一个加湿用的汽油泵的喷嘴。其硬件接口图如图3.10.

　　MCU 的 PWM 输出端引脚接光隔 TLP520,与外面的信号进行光电隔离，切断外部信号对 MCU 的干扰。输出接一个场效应管，R2是限流电阻。R10提供场效应管静电释放回路，D8 是 TVS（TRANSIENTVOLTAGESUPPRESSOR）管即瞬态电压抑制器，它们都是用来保护场效应管。TVS 管主要用于对电路进行瞬态保护。当 TVS 管两端经受瞬间的高能量冲击时，TVS 管能以极高的速度将其两端的阻抗降低，吸收一个大电流，从而把其两端的电压箱制在一个预定的数值止，保护后面的电路元件不因瞬态高电压冲击而损坏。

　　由于负载是感性元件，所以如上图3.10,D9是一个续流二极管，用于场效应管突然关断时提供给负载的释放回路[33].

　　3.3.4 输入捕捉模块。

　　输入捕捉是MCS12单片机的定时器的一个基本功能，在输入捕捉模式下，相应的输入通道通过捕捉管脚上电平变化发出锁存信号，将该时刻计数器的值锁存到捕捉锁存寄存器中，并发出输入捕捉中断。输入捕捉模块框图如图3.11所示，相关的控制器如下：TSCRl-TEN-定时器允许控制位TIOS-IOS-输入捕捉/输出比较选择寄存器TIE-输入捕捉中断/输出比较中断允许控制寄存器TFLG1-输入捕捉中断/输出比较中断标志位制寄存器流量传感器的脉冲量的计量需要通过捕捉引脚送入 MCU,得到测量结果[34].

　　控制器局域CAN（ControllerAreaNetwork）属于现场总线的范畴，它是一种支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN的应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网路[35].

　　CAN 总线的传输介质可以是双绞线、光纤、同轴电缆。双绞线的CAN（wire-CAN）总线分布式系统已得到广泛应用，如汽车、电梯控制、电力系统控制等等。我国"863计划"关于电动汽车的说明中已明确提出，电动汽车开发项目必须采用CAN总线通信模式，由于电动车现场情况较为复杂，一旦wire-CAN网络装车由于车辆电力系统等产生强电磁干扰，可能导致wire-CAN不能正常工作，电动汽车对CAN数据传输和传输介质提出了更高的要求[36].

　　CAN总线特点：

　　（1）低成本。

　　（2）极高的总线利用率。

　　（3）长距离数据传输（长达10km）。

　　（4）数据传输速率高达1Mb/s,具有实时处理能力。

　　（5）可根据ID决定报文的接受或屏蔽。

　　（6）可靠的检错和错误处理机制，能在车辆本身的电磁干扰环境下可靠工作。

　　（7）发送的报文损坏后可自动重发。

　　（8）出现严重错误时，节点具有自动退出总线的功能。

　　（9）报文中不包含源地址、目标地址，仅用标识符指示功能信息和优先级信息。

　　msCAN是MotorolaScaleableCAN的缩写，而msCAN12模块则是在M68HC12系列上的具体实现。它服从CAN2.0A/B协议，集成了除收发器外CAN总线控制器的所有功能，此外它采用先进的缓冲器布置改善了实时性能，使应用软件可以得到简化。

　　msCAN12的输入RxCAN,输出TxCAN分别使用引脚PCAN0,PCAN1,采用标准逻辑电平，因此必须通过收发器转换成CAN标准电平，并连到传输介质。收发器能输出CAN所要求的大电流，同时具有过电流保护功能，可以避免故障接点或总线的威胁。msCAN12实现了CAN2.0A/B协议。支持标准和扩展帧格式，0~8字节数据段长度。

　　CAN总线驱动器提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，是影响系统网络性能的关键因数。本系统采用TAJ1050总线驱动器，TAJ1050具有强电磁干扰下，宽共模范围的差动接受能力，对于TXD端的显性位，具有超时检测能力的特性。

　　3.4 供电系统设计。

　　供电系统设计包括两个方面的内容，一个是整车的供电系统设计和燃料电池发动机内部的供电系统设计。下面分别介绍两部分的具体内容。

　　整车的主要供电系统由燃料电池和备用电源镍氢电池共同提供，具体供电结构如图3.13,K1是负载开关，K2是一个充电的开关。因为DC345是以一种高频脉冲斩波的形式从燃料电池电堆取电，这是燃料电池绝对禁止的。所以在燃料电池电堆接负载时，其负载开关闭合，K2断开，电容充电，使提供DC345的电压缓慢增加。约5s后，充电完毕，此时K2闭合，DC345可以正常吸收燃料电池电堆提供的能量。

　　燃料电池电堆发电的软特性，经过DC345稳压后和备用电源镍氢电池并联输出+288V的电源，提供给整车的电机以及给燃料电池发动机控制器里的需要强电的设备供电。同时+288V还通过一个DC/DC,转换成车上弱电+12V的供电，用来提供整车的控制系统和燃料电池发电机的控制系统供电。

　　下面再介绍一下燃料电池发动机内部具体的供电系统结构。

　　车上弱电的标准供电是+12V,所以燃料电池发动机控制板的供电是+12V.

　　由于整车存在电机、变频器等强干扰的设备，不可避免地会通过地线，使信号线会受到干扰，从而影响CPU的正常工作。所以在控制板上的主控制电路采用DC/DC1电源模块，使其与外部电源不共地，保证其内部信号的纯净，减少干扰。

　　同时，还分别用DC/DC2给各种传感器供电，DC/DC3给CAN通讯模块供电，彻底断开一切通过电源串进来的外部干扰。

　　由整车提供给燃料电池发动机的+288V直流电源，主要是给高速风机和高压水泵供电。由于两个装置都是交流电源供电，所以采用了变频器进行直流变交流的逆变，使两个交流装置也能正常工作。

　　3.5 本章小结。

　　本章首先根据燃料电池发动机的控制要求与实际情况选择集中式控制方案。

　　燃料电池发动机是一个复杂的多输入多输出的系统，它涉及到复杂的信号处理、控制算法的实现等过程，故控制系统的硬件设计必须采用高性能、快速、功能强大的处理器，本章中采用MC9S12DG128B的芯片能够很好的满足设计的要求，使整个硬件系统的设计精简实用。在本章中具体介绍了MCU外围电路设计及各个接口模块的设计，并根据车载的实际情况考虑整个系统的抗干扰设计。