1、11 引言随着我国汽车产业的迅猛发展，汽车的拥有量急剧增加，最新统计显示我国汽车保有量已超过 5300 万辆，汽车进入家庭也已成为一种时尚。21 世纪对汽车市场人才的需求将越来越大，特别是对掌握汽车新技术的应用维修人才的需要更为迫切，教育部、劳动和社会保障部等六部委联合公布的紧缺人才报告显示，目前国内汽车维修人才的需求量至少存在 80 万的缺口，汽车维修技术人员已成为我国四大紧缺的应用型人才之一。汽车维修技术人员的培养特别强调实践动手能力，而这就必须依靠充足的实践教学设备的支持，但是现有汽车电控类教学设施发展相对滞后，功能单一，更不具备多媒体功能，已无法满足现代汽车人才培养的要求，为解决这种矛
2、盾，急需增加一批技术含量高，与生产结合紧密的新技术设备。我校作为职业院校的领头羊，在汽车维修专业的建设上同样处于领先地位，利用我系的教学资源，开发研制的汽车类教学设备更具有代表性、更能体现出汽车的先进技术、更能贴近的实际使用需求。图 1-1 系统框图21 世纪对汽车维修从业人员无论在数量上还是质量上都提出了更高的要求，随着汽车电子技术在汽车维修中比重日益增大，开发出集电控发动机故障设置与排除、工作原理演示、实物动画演示、检测与分析、解码器、考核系统、微机控制教学研究系统等功能于一体的综合性多媒体实物动态教学研究实验台，对于提高汽车维修技术人员在汽车新技术领域的技能，培养符合汽车新技术条件下的应
3、用型人才。22 Atmega16L 单片机2.1 单片机的概述ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。ATmega16 有如下特点:16K 字节的系统
4、内可编程 Flash(具有同时读写的能力，即 RWW)，512 字节 EEPROM，1K 字节 SRAM，32 个通用 I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行 USART，有起始条件检测器的通用串行接口，8 路 10 位具有可选差分输入级可编程增益(TQFP 封装)的 ADC ，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。 工作于空闲模式时 CPU 停止工作，而 USART、两线接口、A/D 转换器、SRAM、T/
5、C、SPI 端口以及中断系统继续工作；ADC 噪声抑制模式时终止 CPU 和除了异步定时器与 ADC 以外所有 I/O 模块的工作，以降低 ADC 转换时的开关噪声；Standby 模式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 Standby 模式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存储器技术生产的。片内 ISP Flash 允许程序存储器通过 ISP 串行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 AVR 内核之中的引导程序进行编程。引导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用Flas
6、h 存储区(Application Flash Memory)。在更新应用 Flash 存储区时引导 Flash区(Boot Flash Memory)的程序继续运行，实现了 RWW 操作。 通过将 8 位 RISC CPU与系统内可编程的 Flash 集成在一个芯片内，ATmega16 成为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。ATmega16 具有一整套的编程与系统开发工具，包括：C 语言、编译器、宏汇编、程序调试器/软件仿真器、仿真器及评估板。为了获得最高的性能以及并行性，AVR采用了 Harvard 结构，具有独立的数据和程序总线。程序存储器里的指令通
7、过一级流水线运行。CPU 在执行一条指令的同时读取下一条指令(在本文称为预取)。这个概念实现了指令的单时钟周期运行。程序存储器是可以在线编程的 FLASH。3图 2-1 Atmega16L 单片机2.2 单片机的复位电路 复位是单片机的初始化操作，其作用是使 CPU 中的各个部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。ATmega16 有 5 个复位源：1.JTAG AVR 复位：复位寄存器为 1 时 MCU 复位。2.上电复位：电源电压低于上电复位门限 VPOT 时，MCU 复位。3.看门狗复位：看门狗使能并且看门狗定时器溢出时复位发生。4.外部复位：引脚 RESET 上的低电平持续
8、时间大于最小脉冲宽度时 MCU 复位。5.掉电检测复位：掉电检测功能使能，且电源电压低于掉电检测电压时复位。ATmega16 单片机 5 个复位源中，最常用的是外部复位和看门狗复位电路。外部复位电路由外加于 RESET 引脚的低电平产生。当复位低电平持续时间大于最小脉冲宽度时即触发复位过程，即使此时并没有时钟信号在运行。当外加信号达到复位门限电压 VTOUT 延时周期开始。延时结束后 MCU 即启动。（见图 2-2）4图 2-2 外部电路复位时序图图 2-3 外部电路复位原理图看门狗定时器由独立的 1 MHZ 片内振荡器驱动，看门狗定时器溢出时将产生持续时间为 1 个 CK 周期的复位脉冲。在
9、脉冲的下降沿，延时定时器开始对 Tout 记数。这是 VCC 电平下的典型值。通过设置看门狗定时器的预分频器可以调节看门狗复位的时间间隔。看门狗复位指令 WDR 用来复位看门狗定时器。此外，禁止看门狗定时器或发生复位时定时器也被复位。复位时间有 8 个选项。如果没有及时复位定时器，5一旦时间超过复位周期，ATmega16 就复位，并执行复位向量指向的程序。（见图 2-4） 图 2-4 看门狗复位电路时序图2.3 单片机的晶振电路ATmega16 芯片有如下几种通过 Flash 熔丝位进行选择的时钟源。时钟输入到AVR 时钟发生器，再分配到相应的模块。表 21 熔丝配置模式器件时钟选项 CKSE
10、L3.0外部晶体/陶瓷振荡器 1111 1010外部低频晶振 1001外部 RC 振荡器 1000 0101标定的内部 RC 振荡器 0100 0001外部时钟 0000晶体振荡电路：XTAL1 与 XTAL2 分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出，如图 2-5 所示，这个振荡器可以使用石英晶体，也可以使用陶瓷谐振器。熔丝位 CKOPT 用来选择这两种放大器模式的其中之一。当 CKOPT 被编程时振荡器在输出引脚产生满幅度的振荡。这种模式适合于噪声环境，以及需要通过 XTAL2 驱动第二个时钟缓冲器的情况。而且这种模式的频率范围比较宽。当保持 CKOPT 为未编程6状态时，振荡器的输出
11、信号幅度比较小。其优点是大大降低了功耗，但是频率范围比较窄，而且不能驱动其他时钟缓冲器。对于谐振器，CKOPT 未编程时的最大频率为 8 MHz，CKOPT 编程时为 16 MHz。C1 和 C2 的数值要一样，不管使用的是晶体还是谐振器。最佳的数值与使用的晶体或谐振器有关，还与杂散电容和环境的电磁噪声有关。图 2-5 外部晶体振荡电路表 2-2 晶体振荡器工作模式CKOPT CKSEL3.1 频率范围 (MHz) C1 和 C2 的推荐范围 (pF)1 101(1) 0.4 - 0.9 1 110 0.9 - 3.0 12 221 111 3.0 - 8.0 12 220 101, 110,
12、 111 1.0 12 22注：此选项不适用于晶体，只能用于陶瓷谐振器。标定的片内 RC 振荡电路：标定的片内 RC 振荡器提供了固定的 1.0、2.0、4.0或 8.0 MHz 的时钟。这些频率都是 5V、25C 下的标称数值。这个时钟也可以作为系统时钟，只要对熔丝位 CKSEL 进行编程即可。择这个时钟(此时不能对 CKOPT 进行编程)之后就无需外部器件了。复位时硬件将标定字节加载到 OSCCAL 寄存器，自动完成对 RC 振荡器的标定。在 5V，25C 和频率为 1.0 MHz 时，这种标定可以提供标称频率 1%的精度。当使用这个振荡器作为系统时钟时，看门狗仍然使用自己的看门狗定时器作
13、为溢出复位的依据。7标定的振荡器用来为访问 EEPROM 和 Flash 定时。有写 EEPROM 和 Flash 的操作时不要将频率标定到超过标称频率的 10%，否则写操作有可能失败。要注意振荡器只对 1.0、2.0、4.0 和 8.0MHz 这四种频率进行了标定，其他频率则无法保证。表 2-3 片内标定的 RC 振荡器工作模式CKSEL3.0 标称频率(MHZ)0001 1.00010 2.00011 4.00100 8.0外部 RC 振荡：对于时间不敏感的应用可以使用（图 2-6）外部 RC 振荡器。频率可以通过 f=1/(3RC)进行粗略地估计。电容 C 至少要 22 PF。通过编程熔
14、丝位CKOPT，用户可以使能 XTAL1 和 GND 之间的片内 36pF 电容，从而无需外部点燃。图 2-6 外部 RC 振荡2.4 单片机的程序下载程序存储器的更新以页的方式进行。在用临时页缓冲器存储的数据对一页存储器进行编程时，首先要将这一页擦除。SPM 指令以一次一个字的方式将数据写入临时页缓冲器。临时页缓冲器的写入可以在页擦除命令之前完成，也可以在页擦除和页写操作之间完成。通过电脑上的下载软件将*.HEX 文件传输到（图 2-7 示）USB 下载线板上的 ATmega8 芯片里，程序代码在这里经过处理后从固定的 I/O 管脚中输出8烧写到单片机的 Flash 存储器中。此外单片机一般
15、采用 5V 以下的电源供电，USB 接口也采用 5V 电源，所以，该下载线还可以通过电脑向单片机提供工作电源。该下载线采用先进的 USB2.0 接口技术解决了笔记本不带并口的遗憾，还有它小巧精致，携带方便，下载程序速度快等优点得到了众多编程爱好者的青睐而被广泛的使用着。图 2-7 USB 下载线实物图方案一：在页擦除前写缓冲器;方案二：在页擦除后写缓冲器.如果只需要改变页的一部分，则在页擦除之前必须将页中其他部分存储起来(如保存于临时页缓冲区中)，然后再写回 Flash。使用方案 1 时，Boot Loader 提供了一个有效的读-修改-写特性，允许用户软件首先读取页中的内容，然后对内容做必要
16、的改变，接着把修改后的数据写回 Flash。如果使用方案 2，则无法读取旧数据，因为页已经被擦除了。临时页缓冲区可以随机寻址。保证在页擦除和页写操作中寻址相同的页是很关键的。我们现在用的是 AVR-Stdio4.0 软件平台进行编程然后生成目标代码*.HEX 文件。然后再通过 AVR-fighter 下载软件将程序烧到单片机的 Flash 程序存储器中。93 数模转换芯片 TLC56183.1 TLC5618 功能特性TLC561*系列转换器是美国 Texas Instrument 公司生产的串行可编程 DA 转换器，包括 TLC5615、TLC5617 和 TLC5618 三种。TLC561
17、5 为 10 位单路 DA 转换器，TLC5617 为 10 位双路 DA 转换器，TLC5618 为 12 位双路 DA 转换器。它们均采用3 线串行方式输入，输出带有缓冲放大器，直接输出所转换的电压，采用 8 脚封装，单一 5V 电源工作，此外，还有可编程的建立时间和软件断电、内部上电复位功能。高精度双通道 DA 转 换器 TLC5618 和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域中日益获得广泛的应用。 图 3-1 TLC5618 管脚图DIN(1 脚)为串行数据输入端 SCLK(2
18、脚)为串行时钟输入端；CS(3 脚)为芯片选择端，低电平有效，当 CS 为低电平时，允许 SCLK 将 DIN 数据输入内部移位寄存器，而 CS 的上升沿把数据送到 DAC 寄存器，CS 为高电平时，SCLK 禁止，为低电平；OUTA(4 脚)为 DACA 模拟输出端，其输出电压极性与基准输入相同，其满度输出为基准电压输出的两倍，且小于(电源电压-0.4V)。AGND(5 脚)为模拟地；10REFIN(6 脚)为基准电压输入端，其内部为一高阻(10MQ)的输入缓冲器，REFIN 的输入电压范围为 1 Vdd-11V，典型值为 2.048V；OUTB(7 脚)为 DACB 模拟输出，同 OUTA
19、；Vdd(S 脚)为电源电压端，典型值为 5V，工作电流为 0.62.5mA，掉电方式时为 1A。上电时，内部电路将 DAC 寄存器的值复位到 0。另外，为提高精度，在 Vdd 与 AGND 之间应接 0.1uF 的滤波电容。=24096（3.1）注：D 为输入的二进制数；REFIN 为基准电压输入端3.2 TLC5618 芯片结构LC5618 的功能方框图如图 3-2 所示，TCL5618 主要由 16 位串行接收寄存器、12 位 DAC 锁存器 A、锁存器 B、权电阻网络 A、网络 B、输出缓冲放大器、基准源输入缓冲器、双缓冲锁存器、上电复位电路及控制逻辑电路等部分组成。16 位串行接收寄存器中接收的数据包括 12 位数据位和 4 位编程位。12 位数据位将根据编 程命令的不同而被写入锁存器 B 或双缓冲锁存器，而 4 位可编程位则用以实现包括上述功能在内的各种控制功能，数据的传送顺序及时序关系如图 3-3 所示，而可编程位的功能如表 3-1 所示。
