李松濤, 劉麗偉, 張 瑤, 宋永霞

(長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130012)

0 引 言

波形分析儀是隨著數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種綜合了高速采集、存儲(chǔ)、顯示、分析和處理功能于一身的新型電子測(cè)量設(shè)備。其控制面板起著與外界交換信息的作用,在綜合考慮各個(gè)方面因素之后設(shè)計(jì)了以下所述的控制面板。

1 C8051F020單片機(jī)概述

C8051F020單片機(jī)是高度集成的片上系統(tǒng)。在一個(gè)芯片內(nèi)集成了2個(gè)多通道ADC子系統(tǒng)(每個(gè)子系統(tǒng)包括1個(gè)可編程增益放大器和1個(gè)模擬多路選擇器)、2個(gè)電壓輸出DAC、2個(gè)電壓比較器 、電壓基準(zhǔn) 、SMBus/I2C 總線接口、UART 、SPI總線接口、5個(gè)通用的16位定時(shí)器、1個(gè)具有5個(gè)捕捉/比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA)、內(nèi)部振蕩器、8個(gè)8位通用數(shù)字I/O端口和64KBFLASH程序存儲(chǔ)器以及8051兼容的高速微控制器內(nèi)核[1]。

C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括:1個(gè)9通道的可配置模擬多路開(kāi)關(guān)(AMUX0)、1個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和1個(gè)100 ksps的12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。

ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測(cè)器。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測(cè)器都可用軟件通過(guò)特殊功能寄存器來(lái)配置。只有當(dāng) ADC0控制寄存器(ADC0CN)中的AD0EN位被置1時(shí),ADC子系統(tǒng)才被允許工作。當(dāng)AD0EN位為0時(shí),ADC子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。

ADC0端口均可通過(guò)編程設(shè)置成為單端輸入或差分輸入。差分輸入時(shí)的端口配對(duì)為0-1,2-3,4-5,6-7,此設(shè)置由通道選擇寄存器AMUX0SL的低4位和通道配置寄存器AMUX0CF的低4位確定。在AMX0CF中,位3～0各對(duì)應(yīng)2個(gè)引腳通道。位值=0,表示是獨(dú)立的單端輸入(復(fù)位值均為單端輸入);位值=1,表示是差分輸入對(duì)。

C8051F系列單片機(jī)中ADC的速率都可用編程設(shè)置,但最少要用16個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。一般在轉(zhuǎn)換之前還自動(dòng)加上3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的跟蹤/保持捕獲時(shí)間(＞1.5 μs)。設(shè)置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過(guò)配置寄存器ADC0CF的位7～3來(lái)進(jìn)行的,其復(fù)位值為 11111(位 7～3=SYSCLK/CLKSAR-1)。

一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式,控制寄存器ADC0CN的位6如果為“0”,則一直處于跟蹤方式(此時(shí)4種啟動(dòng)方式都可比跟蹤啟動(dòng)快3個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘);如果為“1”,則有4種跟蹤啟動(dòng)方式可選擇,即對(duì)ADC0CN中的位3～2賦值:00為向ADBUSY寫(xiě)1時(shí)跟蹤(軟件命令);01為定時(shí)器3溢出跟蹤;10為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號(hào));11為定時(shí)器2溢出跟蹤[2]。

2 一鍵多義鍵盤(pán)工作原理

智能儀表功能往往很多,設(shè)定的量程、參數(shù)也很多。如果仍是用一鍵一個(gè)功能,勢(shì)必要有一個(gè)很大的鍵盤(pán),則面板相應(yīng)擴(kuò)大,既不美觀,又增加成本。因此,在這類(lèi)儀表中,鍵盤(pán)需要設(shè)計(jì)成一鍵多義。

在一鍵多義的情況下,一個(gè)命令不是由一次按鍵組成,而是由一個(gè)按鍵序列組成。也就是說(shuō),對(duì)一個(gè)按鍵含義的解釋,不僅取決于本次按鍵,還取決于以前按了些什么鍵。因此,對(duì)于一鍵多義的監(jiān)控程序,首先要判斷一個(gè)按鍵序列(而不是一次按鍵)是否已構(gòu)成一個(gè)合法命令。若已構(gòu)成合法命令,則執(zhí)行命令,否則等待新按鍵輸入。因此,一鍵多義鍵盤(pán)管理程序主要解決鍵盤(pán)按鍵序列的識(shí)別和如何根據(jù)鍵盤(pán)的按鍵序列去找相應(yīng)的操作程序這兩個(gè)問(wèn)題。上述問(wèn)題可用“一圖三表”的方法來(lái)解決,即建立一張鍵圖,依靠分析程序狀態(tài)表,分析程序入口表和動(dòng)作例行子程序表來(lái)完成[3]。其中,分析程序狀態(tài)表總共分為4欄,分別為現(xiàn)狀態(tài)PSTi、鍵碼、下一狀態(tài)、動(dòng)作例行子程序編號(hào)。

3 編碼開(kāi)關(guān)的工作原理

編碼開(kāi)關(guān)工作波形如圖1所示。

圖1 編碼開(kāi)關(guān)工作波形

編碼開(kāi)關(guān)有3個(gè)引腳和5個(gè)引腳的,對(duì)于5個(gè)引腳的編碼開(kāi)關(guān),其中2個(gè)引腳是按鍵功能,另外3個(gè)引腳對(duì)應(yīng)編碼開(kāi)關(guān)的左旋和右旋功能,與只有3個(gè)引腳的功能相同,與引腳1、引腳2相連的是2個(gè)長(zhǎng)短不一的金屬靜片,與引腳3相連的是一周有12或24個(gè)齒的金屬動(dòng)片。當(dāng)編碼開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)時(shí)可出現(xiàn)4種狀態(tài):即引腳3與引腳1相連,引腳3與引腳2及引腳1全相連,引腳3與引腳2相連,引腳3與引腳2及引腳1全斷開(kāi)。

在實(shí)際使用中,一般將引腳3接地作為數(shù)據(jù)輸入端。而引腳1、引腳2作為數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)I/O口相連。本設(shè)計(jì)中用到3個(gè)編碼開(kāi)關(guān),其中一個(gè)將引腳1與單片機(jī)的P2.0相連,引腳2與單片機(jī)的P2.1相連。當(dāng)編碼開(kāi)關(guān)左旋或右旋時(shí),P2.0和P2.1就會(huì)周期性地產(chǎn)生圖1所示的波形,如果是12點(diǎn)的脈沖電位器旋轉(zhuǎn)一圈,就會(huì)產(chǎn)生12組這樣的波形,24點(diǎn)的脈沖電位器就會(huì)產(chǎn)生24組這樣的波形;一組波形(或一個(gè)周期)包含了4個(gè)工作狀態(tài)。因此,只要檢測(cè)出P2.0和P2.1的波形,就能識(shí)別脈沖電位器是否旋轉(zhuǎn),是左旋還是右旋[4]。

4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)部分采用6*6矩陣鍵盤(pán),P7.0～P7.5為行線,P3.0～P3.5為列線。P3.0與P7.0交叉處為一鍵,P7口接10 kΩ的上拉電阻至3.3 V。3個(gè)編碼開(kāi)關(guān)的引腳1、引腳2直接與單片機(jī)的I/O引腳相連,選擇 P2.0～P2.5,引腳 3接地,引腳4和引腳5用作按鍵使用[5]。在此僅以接P2.0和P2.1引腳的編碼開(kāi)關(guān)為例,其電路圖如圖2所示。

圖2 編碼開(kāi)關(guān)控制電路圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用內(nèi)部電壓基準(zhǔn),故將VREF引腳與VREF0引腳相連即可。采用電位器調(diào)節(jié)模擬量的輸入,單端輸入,電位器阻值為10 kΩ,基準(zhǔn)電壓典型值為2.43 V,電源電壓采用3.3 V供電。為使基準(zhǔn)電壓達(dá)到最大,需要一個(gè)阻值約為3.75 kΩ的電阻與電位器串聯(lián)接到模擬端口,電位器的引腳4和引腳5也用作按鍵使用,硬件電路如圖3所示。

圖3 電位器控制電路圖

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 一鍵多義鍵盤(pán)程序設(shè)計(jì)

在鍵盤(pán)分析中,運(yùn)用一個(gè)工作狀態(tài)寄存器保存鍵盤(pán)的現(xiàn)狀態(tài),當(dāng)鍵盤(pán)掃描到一個(gè)按鍵時(shí),根據(jù)現(xiàn)狀態(tài)的值從分析程序入口表中找到分析程序狀態(tài)表地址,從該地址處進(jìn)入分析程序狀態(tài)表,找到相匹配的值,把下一狀態(tài)送到現(xiàn)狀態(tài)單元里,取出動(dòng)作號(hào),根據(jù)動(dòng)作號(hào)計(jì)算出動(dòng)作子程序入口地址,再執(zhí)行相應(yīng)子程序[6-8]。鍵碼匹配子程序流程如圖4所示。

圖4 鍵碼匹配子程序流程

5.2 編碼開(kāi)關(guān)程序設(shè)計(jì)

由圖1可以看出,引腳1和引腳2有同時(shí)為高電平的情況,之后,如果引腳2比引腳1先到達(dá)高電平,則表示左旋;如果引腳1比引腳2先到達(dá)高電平,則表示右旋,編程時(shí)依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來(lái)判斷引腳1和引腳2的狀態(tài)即可。以引腳1接P2.0,引腳2接P2.1為例:

sbit CodingsWitch_A=P2^0;

sbit CodingsWitch_B=P2^1;

int CodingsWitchPolling1()

{static uchar Aold,Bold; //定義了兩個(gè)變量用來(lái)儲(chǔ)蓄上一次調(diào)用此方法是編碼開(kāi)關(guān)兩引腳的電平

static uchar st; //定義了一個(gè)變量用來(lái)儲(chǔ)蓄以前是否出現(xiàn)了兩個(gè)引腳都為高電平的狀態(tài)

if(CodingsWitch_A&&CodingsWitch_B)

st=1;

if(st) //如果st為1執(zhí)行下面的步驟

{if(CodingsWitch_A==0&&CodingsWitch_B==0)

{if(Bold) //為高說(shuō)明編碼開(kāi)關(guān)在向加大的方向轉(zhuǎn)

{st=0;tmp++;}

if(Aold) //為高說(shuō)明編碼開(kāi)關(guān)在向減小的方向轉(zhuǎn)

{st=0;tmp--;}}}

Aold=CodingsWitch_A;Bold=CodingsWitch_B;

return tmp;}

5.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)

通過(guò)設(shè)置ADC0控制寄存器ADC0CN位3～2(AD0CM1～0)ADC轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式選擇位來(lái)啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換:位 3～2為00時(shí),向AD0BUSY(ADC0CN位4)寫(xiě)1啟動(dòng) ADC轉(zhuǎn)換;位3～2為01時(shí),定時(shí)器 3溢出啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換;位3～2為10時(shí),CNVSTR上升沿啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換;位3～2為11時(shí),定時(shí)器2溢出啟動(dòng)ADC轉(zhuǎn)換。文中采用第一種啟動(dòng)方式。

由于單片機(jī)的工作量并不大,所以軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用查詢(xún)的方式。單片機(jī)不斷地查詢(xún)鍵盤(pán)、編碼開(kāi)關(guān)以及電位器的狀態(tài),如果有變化時(shí),單片機(jī)將動(dòng)作信息傳遞給ARM主MCU,等待主MCU的處理。由于單片機(jī)模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度非常快,因此在程序中加延時(shí)以便可以觀察到模數(shù)轉(zhuǎn)換的變化量,另外硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮濾波,故用軟件實(shí)現(xiàn)濾波。一般的濾波方法有限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法等,現(xiàn)在就提出一種新的濾波方法,由于使用12位的ADC,但只要8位就可以達(dá)到所要的精度,所以,可以采用去掉低4位的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的目的。由于篇幅有限,下面只給出程序的一部分,以AIN0為例:

void ADC0scan1()

{AMX0SL=0x00;

AD0BUSY=1; //啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換

delay(10);

a2=ADC0H; //ADC0高八位數(shù)據(jù)字

a1=ADC0L; //ADC0低八位數(shù)據(jù)字

a0=a2＜＜8;

a=a0+a1;

ad1=a＞＞4; //去掉低四位,已達(dá)到濾波的目的

while(AD0INT)//一次 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束

{if(ad1_last!=ad1)

{output1=abs(ad1-ad1_last);

delay(10000);

ad1_last=ad1;break;}//ad1_last為全局變量,保存上次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)

else output1=0;

break;}}

6 結(jié) 語(yǔ)

介紹了用于波形分析儀的一鍵多義的按鍵管理程序,對(duì)于多按鍵的儀表儀器的控制具有通用性;無(wú)限圈編碼開(kāi)關(guān)同樣在各種儀器中有著廣泛的應(yīng)用;基于去掉低4位的軟件濾波方法對(duì)于精度要求不高的場(chǎng)合也是相當(dāng)適用的。C8051F020通過(guò)對(duì)整個(gè)面板的監(jiān)控,最終通過(guò)串口把動(dòng)作信息傳送給ARM微處理器,由ARM對(duì)波形分析儀內(nèi)部電路及顯示界面做出相應(yīng)的處理。

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[5]潘文誠(chéng).智能儀器中一種菜單式人機(jī)界面的軟硬件設(shè)計(jì)[J].浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào),2007,19(3):182-185.

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