MC9S12XS128嵌入式處理器教具的制作與應用

莫玉華

江蘇省常州技師學院 江蘇常州 213031

一、研究的背景及價值

近年來，隨著計算機技術及集成電路技術的發展，嵌入式技術日漸普及，在通訊、網絡、工控、醫療、電子等領域發揮著越來越重要的作用。單片機課程是技師學院機電一體化、電子電工、計算機等專業重要的核心課程之一，是集單片機組成原理、軟件設計、通訊、接口技術與應用為一體，把C語言、微機接口、通信技術等知識綜合在一起的一門具有很強技術性、工程性、實踐性的課程，是高素質復合技能型人才所需自動控制類知識結構的載體。8位51單片機的應用越來越不能滿足現代技術的需求，采用C語言編程是嵌入式技術發展的基礎。從教學實際出發，將傳統的教學方法與實驗驗證的教學法與項目教學的方法有機地結合起來，由淺入深為單片機課程實踐研究提供一定的參考。通過在實踐中培養學生學習單片機在汽車電子中的具體運用，最后實現開發、創新。

在技職院校主要培養學生動手能力，學生的技能訓練能與企業生產實踐接軌是我們教學的最終目標，故開發出新的實用價值較高的教學課題是件刻不容緩的事情。

在學院相關專業中開設基于汽車電子的單片機課程實用性較強，意義也重大，飛思卡爾半導體是全球領先的半導體公司，其生產的嵌入式處理器占整個汽車電子的微處理器市場份額70%以上。因此，學習基于飛思卡爾系列嵌入式處理器的單片機技術具有廣闊的應用前景。

二、MC9S12XS128處理器教具的設計

（一）教具的整體設計方案

在選取開發對象后，立即進入到收集資料以及設計階段，本設計在市場上已開發的MC9S12XS128嵌入式處理器學習板的基礎上進行了二次開發，使之成為適合我們學生學習的學習板，同時也共同增強了教師和學生的開發設計制作的能力，在原學習板的基礎上去掉一些冗余的接口電路，采用單片機豐富的擴展接口功能同樣能實現實驗結果，前期通過計算機仿真驗證了可行性，然后進行PCB版的繪制以及送去工廠加工，板子上的元器件都由我們的學生采用回流焊的方式完成。學習板所有實驗都能正常驗證。學習板的實物圖如下圖1所示：

圖1 學習板實物圖

（二）各主要模塊電路設計

1、電源電路

該開發板的電源電路可以適用于 12V汽車電源。LM29405為電源轉換芯片，可將接入的電源電壓轉換成5V。D1為電源指示燈。電路中的電容起到穩壓和濾波的功能。R8和R9將電源電壓分壓后接到單片機的AD口，用于電源電壓的監測。

2、LED 電路

該開發板設計有8個獨立的LED，通過單片機的I/O口直接控制。電路采用了I/O口灌電流的驅動方式來驅動LED，所以不需要驅動就可以點亮LED，引腳輸出高電平時LED熄滅，低電平時LED點亮。

3、蜂鳴器電路

蜂鳴器使用NPN三極管Q1進行驅動控制，當輸入端BUZZ輸入為1時，Q1導通，蜂鳴器蜂鳴；當輸入端BUZZ輸入為0時，Q1截止，蜂鳴器停止蜂鳴。

4、按鍵電路

該開發板有4路獨立的按鍵輸入，當按鍵未按下時，由于有上拉電阻R14、R17、R19、R23的作用，CPU檢測到的電平為高電平；當按鍵按下時，CPU檢測到引腳為低電平。

5、模擬信號輸入電路

XS128單片機內部集成了模數轉換模塊。該開發板使用兩個電位器對5V分壓作為模擬輸入源。

6、SCI接口電路

該開發板設計了兩路SCI接口電路，其中一路可與PC機串口通訊的接口相連，電平轉換通過MAX232芯片實現。

7、LIN 總線電路

該開發板設計有一個 LIN總線接口，使用芯片為TJA1020，該芯片與串口0相連來實現LIN通信的功能。芯片使用12V的電源供電，模擬汽車上的應用。

8、CAN 總線電路

該開發板設計有一個 CAN總線接口，使用芯片為TJA1050，該芯片與芯片內的CAN模塊相連來實現CAN通信的功能。芯片使用5V的電源供電。

9、485總線

該開發板設計了一個485總線接口，采用MAX485芯片，MAX485與單片機的串口1連接。

10、數碼管電路

該開發板設計了一個數碼管顯示電路，D111為4位8段數碼管模塊，四個三極管是四位數碼管每一位的選通開關，因為要想使四位數碼管的每一位顯示不同的數字，必須用掃描這種方式來實現，即每一位可以單獨控制通斷，四個三極管就是起到這個作用。

11、12846漢顯液晶模塊接口電路

該開發板引出了一個漢顯液晶模塊接口，該接口為一個有20針的接口，可以調試12864液晶模塊。單片機與液晶之間可以通過IIC或并口通信。

12、SD 卡接口

該開發板設計了一個SD卡接口，LM1117將5V電源轉換為3.3V，用來給SD卡供電，SD卡用SPI模式進行讀寫。

13、溫度傳感器

該開發板設計了一個溫度傳感器，采用18B20芯片，用單線串行總線進行通信。

14、接口

開發板上設計了豐富的接口，包括單片機的接口 P15-P18，SPI模塊接口J_SPI，IIC模塊接口J_IIC。

15、最小系統

最小系統是XS128單片機及其外圍電路。D8為供調試用的指示燈，通過單片機的PK4口控制。電路采用了I/O口灌電流的驅動方式來驅動LED，所以不需要驅動就可以點亮LED，引腳輸出高電平時LED熄滅，低電平時LED點亮。P8為BDM調試接口，KEY5為復位按鍵。

（三）可完成的教學實驗

本學習板能完成10個基礎實驗：蜂鳴器實驗、獨立按鍵實驗、燈光控制實驗、A/D轉換實驗、脈寬調制實驗、SCI串口實驗、定時器應用實驗、RTI實驗、數碼管顯示實驗、周期中斷實驗。設計的每個實驗都能充分體現學生學習需要達到的目的，如完成蜂鳴器實驗就能使學生掌握XS128單片機普通I/O口輸出功能的使用，并熟悉開發板的接線帽的使用，MCU的很多引腳和片上功能模塊復用，當引腳的復用功能未使用到時，那么引腳作為普通I/O口使用；完成獨立按鍵實驗就能使學生掌握XS128單片機I/O口的輸入功能，并掌握輸入中斷的使用；完成燈光控制實驗就能使學生熟練掌握XS128單片機普通I/O口輸出功能的使用；完成A/D轉換實驗能使學生掌握XS128單片機模數轉換(ATD)模塊的使用；完成SCI串口實驗可以使學生熟悉XS128單片機的SCI口的使用，掌握查詢和中斷方式的發送和接收功能；完成RTI實驗能使學生掌握XS128單片機實時中斷功能的使用；完成周期中斷實驗可以使學生掌握XS128單片機PIT模塊功能的使用等等。

本學習板還能完成10個高級實驗：秒表及定時器實驗、數字顯示電壓表實驗、播放音樂實驗、DS18B20使用實驗、液晶屏接口實驗、RS-485串口通信實驗、LIN總線通信實驗、CAN總線通信實驗、1939協議實驗、SD卡存儲實驗。如完成秒表及定時器實驗可以使學生深入掌握數碼管掃描、按鍵中斷、TIM定時和PIT定時功能；完成數字顯示電壓表實驗可以使學生深入掌握數碼管掃描、AD采集和TIM定時功能；完成DS18B20使用實驗可以使學生了解單線總線，掌握溫度傳感器DS18B20的用法；完成RS-485串口通信實驗可以使學生掌握RS-485總線的用法；完成LIN總線通信實驗可以使學生了解LIN通信協議，掌握使用XS128單片機的SCI模塊進行LIN通訊的方法等等。

還能實現綜合實驗項目的課程設計，本課題目前已開發了驅動直流無刷電機課程設計。這些實驗的開發與學習，讓學生真正掌握了XS128單片機的基本編程方法，在實驗中學習，改變了枯燥乏味的學習方法，能提高學生的學習興趣。

三、MC9S12XS128處理器教具應用的具體實施

（一）課題分三個年級實施

技師四年級（或高中生二年級）：完成前1-10個基礎實驗，為學習C語言單片機編程打下基礎；

技師五年級（或高中生三年級）：完成后1-10個高級實驗，提升應用，進行較復雜的編程；

技師六年級（或高中生四年級）：完成綜合實驗項目的課程設計——驅動直流無刷電機課程設計，培養學生的開發設計能力。

（二）將知識傳授改變為能力培養

以講為主的單片機教學模式在授課時，大多數學生由于對理論知識不能很好的理解或某個知識點沒有跟上教師的講授過程或C語言的枯燥，容易產生畏難和厭學情緒，導致課堂睡覺和注意力不集中現象增多。采用實驗教學法，可以克服現行授課模式的缺點和不足，將學習到的小的知識點都能用小實驗來驗證，增強了客觀認知過程，激發學生的主觀能動性。教學內容在逐步完成實驗項目的過程中展開，學生由主動參與代替了被動接受，激發了學習興趣。實驗項目中遇到問題后，隨時可以和教師進行交流，這種互動性的可以使學生逐漸加強對課程的興趣，減少課堂注意力不集中現象的發生。

（三）提高學生科技創新能力

在單片機課程綜合實驗項目中，充分發揮學生創新設計能力，積極參加科技創新活動，提高在同類專業中的競爭力。

四、結論

（一）設計制作切實可行的教具

學習飛思卡爾系列嵌入式處理器為載體的單片機課程，融入了更多的實用技術，與企業的技術連接更加緊密。對于技工院校培養應用型人才的學生而言，利用本學習板可以實現電氣、電子及控制相關專業、汽車維修專業等知識的學習，學生掌握這類知識后就業范圍更寬，待遇較高，就業前景廣闊。

（二）建立“教、學、做、評”一體化教學模式

采用基礎實驗+高級實驗+綜合項目的“遞進式”教學，每個項目都突出學習的重點內容，有利于提高學生的工程實踐能力。課程的每個實驗都有明確的學習目標、工作任務、實施過程和評價，學生在做中學，老師在做中教。實現“教、學、做、評”合一。當學生看到自己編寫的程序能正常驗證時，將會充滿內心的喜悅，獲得極大的成就感，更加激發學好單片機的積極性。

（三）創新之處

飛思卡爾MC9S12XS128嵌入式處理器學習板在技工類院校中屬于首創，為提升技工類院校應用型人才的嵌入式開發能力與汽車電子維修提供豐富的教學環境。

[1]許泳龍等，單片機原理及應用，機械工業出版社，2005.1

[2]馬忠梅等，單片機的C語言應用程序設計，北京航空航天大學出版社，2003修訂版

[3]劉昌元.基于飛思卡爾MC9S12XS128MCU的模塊講解及測試[OL].http://www.doc88.com 2013