清华大学Freescale单片机/DSP应用开发研究中心 安鹏 马伟

摘要：本文对邀请赛选用的主控芯片MC9S12DG128单片机的一些外围接口模块作了介绍，包括功能上的描述和例程及初始化的过程，对一些参赛队伍中遇到的Flash锁死问题也提供了解决的方案。

关键字： MC9S12DG128；CodeWarrior；TBDML；Flash解密

本次智能车邀请赛采用的MC9S12DG128（以下简称DG128）是Freescale公司推出的S12系列单片机中的一款增强型16位单片机，片内资源丰富，接口模块包括SPI、SCI、IIC、A/D、PWM等，在汽车电子应用领域具有广泛的用途。DG128在Flash存储控制及加密方面也有很强的功能，加解密可配合第三方软件使用。

DG128单片机采用增强型16位HCS12 CPU，片内总线时钟最高可达25MHz；片内资源包括8K RAM、128K Flash、2K EEPROM； SCI、SPI、PWM串行接口模块；脉宽调制模块（PWM）可设置成4路8位或者2路16位，逻辑时钟选择频率宽。它包括两个8路10位精度A/D转换器，控制器局域网模块（CAN），增强型捕捉定时器并支持背景调试模式。DG128有112-pin和80-pin两种封装形式，80-pin封装的单片机没有引出用于扩展的端口，只引出了一个8路A/D接口。

常用接口模块及外部应用

PWM（Pulse Width Modulate）模块：PWM脉宽调制波是一种可用程序来控制波形占空比、周期、相位的波形。它在电机驱动、D/A变换等场合有着广泛的应用。本次大奖赛使用的电机驱动芯片为MC33886，其输入信号即为一路PWM信号。MC33886根据PWM信号的周期和占空比来控制电机的转向和速度。大奖赛中使用的舵机也是用PWM来控制的。PWM信号的周期大于某一域值后可驱动舵机工作，保持周期、调节PWM的占空比即可调节舵机的转动方向。在没有电机、舵机的具体参数的情况下，可写一个可调周期、占空比的PWM输出程序进行测试。

A/D（Analog/Digital）模块：A/D模数转换模块内部可分为三个部分：IP总线接口、转换模式控制/寄存器列表、自定义模拟量。IP总线接口负责该模块与总线的连接，实现A/D模块和通用I/O的目的。转换模式控制寄存器列表中有控制该模块的所有的寄存器。自定义模拟量负责实现模拟量到数字量的转换。为了与外部信号同步进行A/D转换，A/D有一个外部触发转换通道，用户可以选择触发方式（沿触发、电平触发）。

A/D模块设有时钟分频机制。需要用户注意的是，A/D模块的最大转换时钟为2MHz，最小转换时钟为500KHz，用户需要查看自己芯片的内部总线时钟，必须使得分频以后的转换时钟处于两者之间，否则可能得不到正确的转换结果。用户可以设定转换结果为有符号或是无符号数。比如，对于Vrh为5.12v，Vrl为0v时，输入5.12V，8位有符号的结果是-$7F，无符号的结果是$FF。A/D模块允许设置顺序转换，最大的顺序转换序列长度是8。

大奖赛中车模对跑道的识别有可能会用到A/D模块，识别电路的前端数据采集系统有很多种实现方案，如红外发光二极管或是CMOS摄像头来进行数据采集。

Codewarrior软件使用

大赛中采用Codewarrior 3.1 for HCS12作为推荐的程序编译软件。CodeWarrior for S12” 是面向以HC12或S12为CPU的单片机嵌入式应用开发的软件包。包括集成开发环境IDE、处理器专家库、全芯片仿真、可视化参数显示工具、项目工程管理器、C交叉编译器、汇编器、链接器以及调试器。在Codewarrior软件中可以使用汇编语言或C语言，以及两种语言的混合编程。

工程建立以后，需要定义装载地址。default.prm文件用于定义目标代码的装载地址，用户应当根据使用单片机的内存分配情况修改这个文件。CodeWarrior 自动生成的 .prm 文件默认MC9S12DG128 的RAM 在：

RAM = READ_WRITE 0x0400 TO 0x1FFF;

这个默认区间必须修改，因为在这一空间有 1K 的I/O 寄存器空间 和2K EEPROM 空间。使用默认定义会丢失1K RAM 和 2K EEPROM。

我们在监控程序中修改RAM空间：

RAM = READ_WRITE 0x2000 TO 0x3FFF;

当然也可以修改到：

RAM = READ_WRITE 0x1000 TO 0x2FFF。

建议用户采用我们的定义。

另外，我们使用：

STACKTOP 替代 STACKSIZE

因为STACKSIZE 0x100 在RAM低端留 0x100 空间，而使用 STACKTOP 0x3F00 可以将SP定义到RAM 高端。但是如果采用这种定义的方法，需要在前面定义RAM的时候，定义修改为：RAM=READ_WRITE 0x2000 TO 0x3EFF。 这样，工程连接的时候才不会出现错误。

另外还需要对于工程文件中 Start12.c中函数 ：
void __interrupt 0 _Startup(void) 中
#ifdef _HCS12_SERIALMON
.......
.......
#endif

两句宏命令注释掉，使得其中的对于EEPROM,RAM起始位置控制寄存器初始化语句有效。这样，下载后程序可以运行正常。

上述修改在大奖赛的官方网站上已有详细说明。

利用监控程序下载用户程序：

监控程序（Monitor）的主要功能是对应用系统硬件及底层软件进行调试，也称为Debug程序，是最基本的调试工具。MC9S12DG128的Flash有128K，RAM有8K，而监控程序源代码占用不到3K FLASH，占用23字节RAM。这对用户程序的空间影响并不大。异步串行口是要用来做与PC通讯服务的，监控程序可以用，应用程序当然也可以使用。

下载用户程序至片内资源是监控程序的基本功能。清华大学Freescale MCU & DSP应用研发中心开发的基于MC9S12DG128的监控程序代码小于4KB，起始地址为$F000处，它把$FF80的中断向量表移到EF80处，顺序不变。用户可以使用$EF80处的中断向量表，此中断向量表和MC9S12DG128手册上的中断向量表顺序相同，只是从$FF80移到了$EF80。监控程序起来时，如果串口在4秒内没有收到数据，就会检查$EFFE－$EFFF（用户复位向量表）是否为FFFF,如果不是,说明FLASH中有用户程序。程序自动调转到$EFFE－$EFFF所指向的用户程序。如果程序起来4秒内串口接到数据或者$EFFE-$EFFF为$FFFF,则进入DEBUG监控程序。

该监控程序中F命令下载程序到FLASH中，可识别S1或S2格式的S19文件。按“F”键后，开发板上的单片机等待接收来自串行口的数据文件。然后选择“发送” －→“发送文本文件”，找到要下载的*.S19文件，按“打开(O)”，这样，就把文件下载到FLASH中去了。注意，文件类型应选“所有文件”。待再次出现提示符说明程序已下载完成。

从PC寄存器的地址处，开始运行程序。可以用Ctrl P 命令修改PC指针到拟运行程序的起始地址。如果是汇编的代码从下载地址开始执行即可；但如果是C语言编译生成的代码，需要加29后的地址再执行。这是因为工程是从START12.C开始执行，然后再执行用户的main.c。这是codewarrior内部规定的。用户只需要知道就可以了。用户程序的入口地址是用户在default.prm文件中定义的代码地址加上29。

然后键入“G”命令。这时便可以执行用户程序了。如果用户程序中无法从主循环中跳出，需要停止用户程序的时候按一下复位键即可。

5 利用“BDM for S12(TBDML)”调试程序

当用户在监控程序的帮助下，熟悉了S12单片机的性能和结构，并能初步开始软硬件的设计后，就可以脱离监控程序了，尤其是对于一个完整的项目，就更要直接对硬件进行调试而脱离监控程序。S12系列单片机采用BDM（Background Debug Mode，背景调试模式）调试方式。在BDM模式下主要可以实现3方面的功能：

应用程序的下载与在线更新

单片机内部资源的配置与修复

应用程序的动态调试

本中心提供面向S12系列单片机的BDM工具，即“BDM for S12(TBDML)”。该工具的硬件由本中心设计，软件采用Daniel Malik设计的TBDML（forums.freescale.com）。本文仅从用户的角度，讲述“BDM for S12(TBDML)”的使用方法以及常见问题的解决办法。详情请登陆本中心网站，并下载最新版本的“BDM for S12(TBDML)”用户手册。

5.1 BDM for S12（TBDML）硬件设置说明：

BDM for S12（TBDML）设计了跳线开关，允许用户对BDM for S12（TBDML）进行一些特定的设置，以此满足用户的特定要求。打开BDM for S12（TBDML）硬件包装盒，可以看到有3个跳线可以进行设置，分别是J4、J5和J6。

BDM引脚定义（跳线J4）

跳线J4用于选择BDM电缆的信号定义。

默认状态为J4闭合。

当J4闭合（有跳线）时，BDM电缆的信号定义如图1所示；

当J4断开（无跳线）时，BDM电缆的信号定义如图2所示。

注意：图3是Motorola（Freescale）对HC/S12 BDM的定义，即引脚1为BKGD信号，在这种定义方式，一旦BDM插头被接反，则目标CPU的BKGD引脚会被短接到VDD上，由此将会造成芯片烧毁。因此，BDM for S12（TBDML）建议用户在设计目标S12系统时，采用J4断开，即图2所示的BDM电缆信号定义方式。为兼容过去的BDM定义，BDM for S12（TBDML）设计了图1所示的BDM兼容模式。

目标板供电方式选择 （ 跳线J5和J6）

默认状态是目标板由＋5V外部电源供电。跳线J5、J6用于选择目标板的工作电压，以及供电方式。J5、J6跳线具体设置如表1所示。

表1 跳线J5、J6设置目标板工作电压

5.2 安装和使用BDM for S12（TBDML）：

BDM for S12（TBDML）在PC上的配套软件是Freescale的CodeWarrio for S12的V4.1以上的版本。用户可调用该软件自带的Hiwave.exe程序，并通过BDM for S12（TBDML）来调试MC9S12各种型号单片机。当然，初次使用BDM for S12（TBDML）时，用户还需要在PC上安装相应的驱动程序和动态链接库。具体的使用方法，请参阅用户手册。

5.3 使用BDM for S12（TBDML）的常见问题及解决办法。

车模大赛启动之处，中心在为广大参赛选手提供培训的同时，按照Freescale的安排，为各参赛队提供了S12开发系统、BDM调试功能、车模等等一系列完整的参赛资源。时隔数月，从反馈信息来看，各参赛队基本上都能熟练地使用BDM for S12（TBDML）。但也有个别队伍遇到了一些问题，中心也及时进行了解答和总结，这里简单汇总了各种问题，以期对参赛队伍有所帮助。

【常见问题之一】正确安装了BDM for S12（TBDML）的驱动程序和动态链接库后，并用BDM连接了目标单片机后，在Hiwave.exe的【TBDML HCS12】菜单中，没有出现“Flash...”项，无法对目标单片机进行调试。

解决办法：首先，用户应该确保目标板供电正常，BDM for S12（TBDML）默认的电源工作方式是目标板自供电；如果，还有问题，用户应该打开BDM的包装小盒，查看跳线J4是否已经短接，原因见上文。

【常见问题之二】驱动程序安装正常，跳线也没有问题，目标板也供电了，但BDM还是不工作。

解决办法：出现这一问题，最大的可能是，用户的CodeWarrio版本不对，没有利用CodeWarrio V4.1以上的版本进行调试。安装高版本的CodeWarrio即可解决问题。

【常见问题之三】BDM调试目标板基本正常，能够下载程序、擦除FLASH、设断点调试，但是，在某次使用中FLASH突然被“锁死”，之后目标板无法继续使用。

解决办法：Freescale 公司的HCS12 系列单片机具有片内FLASH 的加密功能，对于加密或保护后的FLASH，用户是无法通过BDM 调试工具对其FLASH 进行诸如程序擦除、读取等操作。同时，如果用户在利用BDM 调试单片机时操作不当，同样会使单片机出现FLASH 无法读取、擦除和下载等问题。我们的监控程序在$F000 到$$FFFF，这一段加了保护，但并没有加密。即使对加了密的S12，也可以使用我们生产地串行接口地BDM 工具方便的解锁和擦除。在2005 年第4 期《电子产品世界》杂志中，我中心曾经撰文讲述了HCS12 单片机Flash 保护和加解密的原理和注意事项。在决定擦除保护了的程序时，请想好在出现单片机被锁定的情况下有没有能力解锁。对于FLASH没有进入“保护模式”的单片机，如果利用BDM for S12 (TBDML)调试单片机，当用户点击【TBDML HCS12】菜单下的【Flash…】命令时，会出现如图12所示的正常情况。从图中可以看出，当前目标板的单片机的FLASH_C000存储区域已下载有程序，状态为“Programmed”；其余模块为空，状态为“Blank”。因此，可以继续对该单片机的FLASH进行读取、擦除Erase和下载Load等操作。但是，在出现上述FLASH加密问题后，HCS12系列单片机就进入了“FLASH保护模式”，即Secure Mode。这时，如果利用BDM for S12(TBDML)调试单片机，当用户点击【TBDML HCS12】菜单下的【Flash…】命令时，图12中部分FLASH区域的状态就会显示为“Skipped”。此时，用户便无法再对FLASH进行正常操作。因此，需要解除FLASH的“保护模式”（Secure Mode），执行Unsecure的操作。BDM for S12(TBDML)提供了Unsecure的功能，具体的操作过程较为复杂，请参阅用户手册。

6 结语

上面提到的问题是在应用过程中发现的比较普遍的问题。在设计之前最好能完整地阅读帮助文档以及芯片的数据手册，了解各个工作状态，很多可能出现的问题其实在数据手册里已有明确的说明。这样做在程序设计的前期可能会影响一些进度，但到后期调试阶段会带来极大的方便。至于工具使用上的问题Freescale单片机/DSP应用开发研究中心会及时在大赛的官方网站上做出相应的说明，请大家留意。

参考文献
1、 邵贝贝，单片机嵌入式应用的在线开发方法，北京：清华大学出版社，2004
2、 MC9S12DT128，Device User Guide，Freescale semiconductor，2005.10