飛思卡爾DSC的實驗內容及其裝置設計

摘要：隨著飛思卡爾MCU的迅速普及，越來越多的企業將飛思卡爾系列MCU應用到控制設備中。同時飛思卡爾公司贊助的全國大學生智能車比賽也進一步擴大了飛思卡爾MCU在學生中的影響力，因此高校電氣類嵌入式課程也應該緊跟時代發展的潮流，開設飛思卡爾MCU的教學。以飛思卡爾MC56F8346為基礎，設計了嵌入式數字控制系統教學平臺，該平臺有助于加強學生的基礎知識，提高學生的動手能力和系統設計能力，培養學生科技創新的興趣度和積極性。

關鍵詞：飛思卡爾；嵌入式教學；實驗裝置設計

作者簡介：王偉然（1983-），男，江蘇鎮江人，江蘇科技大學電子信息學院，講師。譚斐（1983-），女，江蘇鎮江人，江蘇大學電氣信息工程學院，實驗師。（江蘇 鎮江 212000）

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）32-0166-02

近年來，隨著嵌入式技術的發展，嵌入式系統在越來越多的領域得到了廣泛應用，各種相關的嵌入式產品紛紛涌現，然而嵌入式技術人才的供給卻遠遠小于社會的需求，因此各大高校紛紛開展嵌入式教學。[1]嵌入式相關課程已是高校電氣類學生的必修專業課程，但是高校所教授的嵌入式課程一般集中于DSP或者ARM。近年來國家在大力發展汽車、飛機、造船等領域。DSP和ARM的市場在于工業控制領域，而在上述制造鄰域，一般都是運用飛思卡爾系列的嵌入式系統。

飛思卡爾半導體公司的前身為有著50多年歷史的摩托羅拉半導體部，并于2004年7月從摩托羅拉拆分出來，成為獨立的公開上市公司。自從1953年以“摩托羅拉半導體事業部”開展業務至今，飛思卡爾已成為業內的領導者。首先，飛思卡爾嵌入式處理器的技術在業內處于領先地位。在汽車嵌入式處理器市場份額最大，全球十大汽車制造商均選用飛思卡爾芯片；飛思卡爾嵌入式處理器在有線及無線網絡應用領域處于領導地位，飛思卡爾的通訊處理器占通訊設備市場的80%，并且是全球排名第一的蜂窩基站射頻產品供貨商。其次，飛思卡爾在業內多個領域取得第一。飛思卡爾引領著業內多項先進的制程及封裝技術；在無線領域，飛思卡爾率先推出可運作的GPRS平臺、3G平臺和2.4GHz ZigBee方案等。最后，飛思卡爾具有靈活的生成業務模式。將生產資源集中在最領先、獨特或特別的處理器技術。同時飛思卡爾注重和高校的聯合辦學，共同研究。[2]這些都為高校開設飛思卡爾MCU教學帶來了相當便利。

嵌入式課程是一門實踐性很強的課程，在課程中學生必須通過大量的實驗和實踐環節來加深對嵌入式系統的理解和運用。因此設置合理的嵌入式教程，對嵌入式系統的學習、研究和開發具有重要的意義。針對制造業中的現代化需求，還有飛思卡爾公司本身的技術扶持，建議應設立飛思卡爾嵌入式實驗室。設計飛思卡爾數字控制平臺，試制數字控制系統樣品，設計實驗教學課程，以增強學生動手能力，提高學生創新性思維，培養學生自主學習的積極性。

一、飛思卡爾嵌入式實驗設備的研制

這里選用飛思卡爾公司推出的MC56F8346為基礎設計通用型數字控制系統，該數字系統配置基礎教學實驗和綜合教學實驗。基礎教學實驗主要是針對MC56F8346基本功能模塊進行學習和應用，通過這些驗證性的基礎實驗，使得學生掌握MC56F8346的基本資源及其寄存器的使用，對飛思卡爾嵌入式平臺有一個初步的認識；綜合教學實驗包括設計LED燈光驅動系統，電機驅動系統，外部繼電裝置驅動系統，液晶顯示器的控制，鍵盤輸入，音頻信號的處理，CAN通信綜合實驗，異步通信綜合實驗等等。這些實驗由淺入深，從簡單到復雜，涵蓋了嵌入式數字控制系統的所有功能。

二、飛思卡爾嵌入式實驗教學內容設計

對嵌入式實驗教學來說，必須在教學系統中體現出嵌入式的特點，讓學生充分理解MC56F8346的硬件特性和指令功能。并且將實驗教學內容和工程應用相結合起來，積極調動學生的學習興趣，培養學生的工程實踐經驗。考慮到學生今后步入工作崗位的實際需要，教學也應當以綜合設計性的實驗教學為主，提高學生的創新能力。

1.基礎教學實驗

飛思卡爾MCU開發系統的使用方法、操作界面和其他DSP開發系統套件比較相似。學生在開發套件上需要投入的時間不多。基礎教學實驗只設置了按鍵、定時器的使用和LED燈的操作，通過這些實驗可以使得學生熟悉MC56F8346的通用I/O口設置、定時器的使用和一些基本操作程序的編寫。

2.數字信號處理實驗

飛思卡爾MC56F8346還可以進行數字信號的處理，這里采用兩個經典的數字信號處理實驗教程。一個是時域內的數字濾波，另一個是頻域內的快速傅里葉變換（FFT），這兩個數字信號處理實驗幫助學生認識和掌握數字控制系統中信號處理的一般方法以及程序編寫的流程，并且這兩種方法也是現在工業生產中數字處理一般常用的方法，在許多教科書上都有介紹，其具體例程網上也可以下載到，這個實驗主要目的是需要學生讀懂相關處理程序，是一個驗證性的實驗。實驗首先需要學生對MC56F8346的硬件性能有所了解。數字濾波部分，一般同時采用硬件+軟件濾波，所以學生在實驗之前學習并掌握硬件濾波的相關知識也是很有必要的。在實驗中需要學生理解程序，自行編寫歸零化、數據排列等相關子程序，并采用一組數據進行驗證FFT計算結果。如果在課時富裕的情況下，可以要求學生自行查找改進型快速傅里葉變化，并編寫相關程序進行驗證。

3.CAN總線通信實驗

MC56F8346包含FlexCAN模塊，該模塊是一種執行控制器局域網協議的通信控制單元。這種通信協議是為解決現代汽車和工業控制的數據交換而專門開發的串行數據通信協議，是一種高速（1M/秒）、短距離、能借助各種媒介（如光纖、雙絞線）完成通信的基本通信協議。FlexCAN模塊支持CAN2.0B協議中標準格式及擴展格式。CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線。近年來，其由于高可靠性和良好的錯誤檢測能力而受到重視，被廣泛應用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。

在CAN總線通信實驗中主要包含兩個部分：一個部分是兩塊MC56F8346之間使用CAN總線進行通信，這種方式的通信只需要按照協議的格式要求編寫相應的程序，其底部硬件層整合在MC56F8346中，無需進行另外的設計；另一個部分是MC56F8346和其他MCU進行通信，這種通信之間需要考慮其他MCU是否支持CAN總線通信協議，如果不支持，則需要設計相應的底層硬件，這里選用SJA1000芯片架構底層通信硬件，以實現MC56F8346與不支持CAN總線通信的MCU之間進行通信。

基于CAN總線在實際工業中間廣泛應用的現狀，要求學生掌握CAN總線的底層硬件架構及其通信協議的編寫。通過圍繞SJA1000設計CAN總線的底層通信硬件，使得學生掌握硬件設計的知識和技能；通過對CAN的編寫，使得學生掌握CAN通信協議的格式及其基本操作的流程，并可以正確編寫通信協議格式，使得MC56F8346和任意一款MCU進行通信（不管這款MCU是否支持CAN協議）。

4.綜合性設計實驗

MC56F8346在電氣工程中有著廣泛的應用潛力。比如可以用于高速實時的電機控制，可以實現高精度高實時性的變頻器的操作，也可以對電力工程設備進行幅值的諧波控制等等。

綜合性設計實驗要求結合工程應用，并且結合學生自身所學的專業知識進行相關工程設計，包括硬件設計與軟件編寫，并進行相關調試，排查錯誤，最后提交實驗結果。這種綜合性實驗不僅切合實際應用，而且在實驗過程中培養學生思考問題、查找問題、直至解決問題的能力。綜合性設計實驗采用選作方式，將學生進行分組，以小組為單位，小組成員模擬工程設計單位進行相關協力合作。在協力過程中培養學生的集體主義精神，培養學生分工協作的能力，甚至培養學生整體工程調度的能力，為學生今后進入相關工作崗位打下結實的基礎。

三、實驗設備的研制

為了滿足上述教學要求，本科研組專門設計了一套飛思卡爾MC56F8346綜合實驗裝置。同時根據綜合設計性實驗的需要設計了相關測量控制對象。

1.研究的指導思想

（1）便于實現綜合性、設計性的教學實驗。綜合性、設計性的教學實驗是提高學生創新能力的主要手段。實驗裝置具有多功能性，輸入輸出外擴接口功能，便于實現綜合性、設計性的教學實驗。

（2）便于實現開放式教學。該實驗裝置結構新穎合理、體積小巧，具有很強的操作性和安全性，這些特點便于開放性實驗教學的實行。

（3）結合實際，面向工程。該實驗裝置的設計就是基于實驗結合工程應用的思想。所有的實驗環節都教授學生飛思卡爾系列在工程中如何應用。這些實驗培養學生的工程興趣和學習激情，提高教學效果。

2.實驗裝置的基本功能

飛思卡爾公司MC56F8X系列具有豐富的外設，可以滿足各種的控制應用需求。本實驗裝置由箱內供電電源、箱體上的主實驗板和箱蓋上的輔助實驗板以及相關測量控制對象組成。主實驗板包含MC56F8346的最小核心系統，輔助實驗板主要是一些外部插件接口，便于學生根據相關具體工程目標設計其外圍電路，也可以使用外部插件接口實現與被測量對象或控制對象的連接。實驗電路板充分利用了MC56F8346芯片的所有資源，提供了豐富的外圍電路，硬件采用模塊化設計，使得其結構簡單，各模塊之間組合靈活、操作方便直觀、用途廣泛。主實驗板的功能模塊結構如圖1所示。

根據工程應用的要求，主實驗電路板上布置了12路模擬信號輸入調理電路（AD采樣電路），并與MC56F8346的模擬信號輸入引腳相連，通過外接傳感器可以采集相關信號，將其處理后送入到MCU中。此外布置了12路IGBT驅動電路，與MC56F8346的12路PWM輸出引腳相連，MCU的PWM輸出接口控制IGBT驅動電路可以控制電機、逆變器等外接器件的運行。應將重心放在對MC56F8346相關知識的掌握上，這樣的設計可以大量減少學生在外部驅動電路設計及其調試上所花費的時間。

根據綜合設計實驗的需要，本實驗板設計了相關測量控制對象。這些控制對象與工程應用中有關系統特性相似，只是體積較小，輔助電路有所簡化。所以，學生在綜合設計實驗時，可在實驗裝置的輔助實驗板上根據需要選擇附加電路，并通過輔助實驗板將這些測量控制對象與MC56F8346最小系統相連。

四、總結

本文根據飛思卡爾MC56F8346設計了綜合實驗裝置，該實驗裝置可以實現電機驅動、外部繼電裝置驅動、液晶顯示器的控制、音頻信號的處理、CAN通信、異步通信、與觸摸屏的實驗等。并且在實驗裝置中配置了相應的輸入調理電路、輸出驅動電路、測量控制對象。其裝置設計思想先進，有助于加強學生的基礎認識，提高學生的動手能力和系統設計能力，培養學生科技創新的興趣。

參考文獻：

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