摘要：針對“飛思卡爾”杯全國大學生智能車邀請賽，設計了基于MC9S12XS128(飛思卡爾專用芯片)的單片機開發系統，在此給出主要硬件電路和軟件設計流程。為驗證該系統可靠性，設計了4×4矩陣鍵盤鍵號的識別與數碼管顯示電路。實際應用結果表明，此開發板的應用大大提高了智能車開發效率。同時可為大學本科學生學習嵌入式開發系統以及為汽車電子行業工程師提供良好的開發平臺，具有較高的實用性和推廣價值。
關鍵詞：飛思卡爾；MC9S12XS128；CAN總線；矩陣鍵盤
0 引言
“飛思卡爾”杯全國大學生智能車競賽是以迅速發展的汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個交叉學科的科技創意性比賽，該項目由大賽組委會統一提供車模，利用指定的微控制器作為核心控制單元，各參賽隊伍在此基礎上自主進行系統設計，完成智能車的制作，使其能夠在專門設計的跑道上自動識別道路，并以最高速度行駛。此項賽事旨在加強大學生的創新意識、團隊合作精神和培養學生的創新能力。本文設計了基于MC9S12XS128(飛思卡爾指定芯片)的單片機開發系統，為即將參加此項競賽的同
學提供學習平臺。實際應用結果表明，此項開發板的應用大大提高了大學生制作智能車的開發效率。
1 系統硬件設計
MC9S12XS128單片機開發板由MC9S12XS128單片機最小系統、電源模塊、CAN／LIN總線接口、USB轉串口、標準異步串行接口、MAX 485通信接口、4×4矩陣鍵盤鍵號的識別與顯示電路(包括數碼管和液晶顯示接口)和電機驅動接口組成，系統框圖如圖1所示。
1．1 電源模塊設計
此開發板上提供2種輸出電壓，分別為5 V和12 V，輸出的12 V電壓可以通過LIN總線接口外接，同時提供2種電壓輸入方式，通過公用一個電源插頭給此開發板送入5 V或12 V電壓，當輸入5 V電壓時，開關s，需打到5 V檔上，板內芯片ST662將5 V的電壓轉換為12 V電壓，給需要12 V電壓的模塊供電。當選擇使用輸入12 V電壓給開發板供電時，開關S1需打到12 V檔上。此供電系統的原理圖如圖2所示。
1．2 CAN總線與LIN總線設計
TJA1041高速CAN收發器通過接頭與MC9S12XS128的CAN總線引腳相連。考慮到CAN總線的不常使用，和功耗比較大，所以系統不但設計了這2種總線接口，為了方便又設計了J-CAN-SELECT接頭和J-LIN-Selector接頭。當使用CAN總線時，用跳線帽把J-CAN-SELECT接頭選通，當使用LIN總線時，用跳線帽把J-LIN-SELECT接頭選通。CAN總線原理圖(LIN總線原理圖略)如圖3所示。
1．3 通信接口設計
文中采用單片機與PC機之間的異步通信模式，將單片機看成另外一個PC機，只需3根線：發送線，接收線和固定公地線。由于MC9S12XS 128內部集成有2個串口控制器，可以選用其中一個作為RS 232串口使用，另外一個作為485總線的控制器。單片機內部TTL電平與RS 232信號電平之間的電平轉換選用MAXIM公司的MAX 232芯片。串口和485接口原理圖如圖4所示。
其中PS1為對應的單片機上串行控制接口0的發送端，PS0為接口0的接收端。另外為了方便應用，設計了USB轉串口電路，原理圖如圖5所示。由于MC9S12XS128內部只集成有2個SCI控制器，所以USB轉串口，串口，LIN，485四種通信接口需要公用2個SCI控制模塊：串口與USB轉串口公用SCI0，485與LIN公用SCI1。USB協議轉換成串口通信協議選用PL2303芯片。
1．4 直流電機驅動電路
直流電機驅動電路采用組委會推薦的專用電機驅動芯片MC33886，驅動電路如圖6所示。其中，V1+接電池正極；VCC接系統+5 V；OUT+和OUT2-接直流電機；IN1和IN2控制MC33886輸出不同的值。
1．5 矩陣鍵盤按鍵識別
在MC9S12XS128單片機的I／O口設計4×4行列式鍵盤，采用程序掃描識別鍵號，當有按鍵按下時，其鍵號顯示在共陰極LED數碼管上。其電路如圖7所示。在鍵盤的按鍵識別中通常采用“行掃描法”(逐行或列)掃描查詢法。判斷鍵盤中有無鍵按下時，將列線PT0～PT3置為輸出，將其中一條線置低電平其余3條線輸出高電平，然后檢測行線的狀態。只要有一行的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵為被拉低的低電平行線與4根列線中低電平線相交叉的對應按鍵。若判斷所有行線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下(具體可用查表的方法)。
但是此種方法單片機需要通過不停的掃描查詢，方可準確的檢測到按鍵值。考慮到PP口有中斷功能所以可將這4個口設置成中斷的模式來獲得按鍵值，本設計中是將拉高的4位通過一個與門接到單片機的帶中斷的引腳上，這樣當任意鍵按下時就會產生低電平發生中斷，這時單片機再進行按鍵判斷，從而無需一直查詢，減少了MCU的負荷量。
數碼管顯示電路采用共陰極使用兩個鎖存器74HC573分別接到PORTA口和PORTB口來實現。也可應用液晶顯示接口：1602和12864接口顯示。
2 系統軟件設計
系統軟件采用C語言編寫，由于存在鍵盤陣列、數碼管顯示和液晶顯示，它可以完成較多的常規實驗項目。如LED流水燈實驗、基于PWM控制的蜂鳴器實驗、數碼管驅動、鍵盤驅動、1602液晶驅動、ATD轉換等多個實驗；還可以進行目前工業控制所常用的通信試驗，如串口，IIC，CAN，LIN，485總線實驗，基本具備單片機開發工業控制系統的能力。下面以電子鐘為例來介紹其軟件設計思想。
在電子鐘設計中對于時間的產生，選擇PIT0，即對周期中斷定時器0做初始化，使其每隔1 ms產生1次中斷，定義4個變量分別為：毫秒，秒，分，時，然后在中斷服務程序中根據這4個變量在實際中的關系更新這4個變量。在主程序中判斷鍵盤按鍵值和進行時間顯示，這里定義3個鍵值：1，2，3。軟件程序流程圖如圖8所示。
3 結語
本套單片機開發板為即將參加“飛思卡爾”競賽的學生提供了一個靈活高效的學習平臺，同時可為大學本科學生學習嵌入式開發系統以及為汽車電子行業工程師提供良好的開發平臺，具有較高的實用性和推廣價值。