摘要：設(shè)計(jì)采用高性能單片機(jī)C8051F020為控制芯片,，監(jiān)控示波器面板上40個(gè)按鍵、3個(gè)編碼開關(guān)及4個(gè)電位器的狀態(tài),。分別介紹了鍵盤,、編碼開關(guān)和電位器的工作原理，以及其與單片機(jī)連接的硬件電路及軟件編程的實(shí)現(xiàn),。按鍵部分采用一鍵多義的鍵盤程序設(shè)計(jì)方法,，給出了鍵碼匹配子程序流程圖。
關(guān)鍵詞：鍵盤,；編碼開關(guān),；模數(shù)轉(zhuǎn)換；監(jiān)控程序
監(jiān)控程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)中全部硬件和軟件資源的分配,、調(diào)度工作,，它提供用戶接口,，使用戶獲得友好的工作環(huán)境,，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要組成部分。
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／0端口和64 KBFlash程序存儲(chǔ)器,，以及8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。
2 一鍵多義鍵盤工作原理
一臺(tái)完善的智能儀表功能往往很多,，設(shè)定的量程,、參數(shù)也很多。如果還是用一鍵一個(gè)功能,，勢(shì)必要有一個(gè)很大的鍵盤,，面板相應(yīng)擴(kuò)大，不美觀,，而且成本增加,。因此在這類儀表中，鍵盤設(shè)計(jì)成一鍵多義,，一個(gè)鍵有多種功能,。
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，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。一鍵多義鍵盤管理程序,，主要解決鍵盤按鍵序列的識(shí)別和如何根據(jù)鍵盤的按鍵序列去找相應(yīng)的操作程序這兩個(gè)問題,。
上述問題可用“一圖三表”的方法來解決。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)作例行子程序表來完成,。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 編碼開關(guān)工作原理
編碼開關(guān)有3個(gè)引腳和5個(gè)引腳的，其中2個(gè)引腳是按下功能,，另外3個(gè)引腳控制編碼開關(guān)的左旋和右旋功能,，與引腳1、2相連的是兩個(gè)長短不一的金屬靜片,，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)脈沖電位器旋轉(zhuǎn)時(shí)可出現(xiàn)4種狀態(tài)：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。
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、2作為數(shù)據(jù)輸出端與單片機(jī)I／0口相連,。本設(shè)計(jì)中用到3個(gè)編碼開關(guān),，其中一個(gè)將引腳1與單片機(jī)的P4．0相連，引腳2與單片機(jī)的P4．1相連,。當(dāng)脈沖電位器左旋或右旋時(shí),，P4．0和P4．1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P4．O 和P4．1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 C8051F020單片機(jī)ADC0
C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括：一個(gè)9通道的可配置模擬多路開關(guān)(AMUX0),、一個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和一個(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)器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。只有當(dāng)ADC0控制寄存器(ADCOCN)中的ADOEN位被置1時(shí),，ADC子系統(tǒng)才被允許工作,。當(dāng)ADOEN位為0 時(shí),，ADC子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式,。
ADC0端口的每一對(duì)均可用編程設(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AMUXOSL的低4位和通道配置寄存器AMUXOCF的低4位確定,。在AMXOCF中，位3～O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的速率都是可編程設(shè)置的，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 (>1.5μs),。設(shè)置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過配置寄存器ADCOCF的位7～3來進(jìn)行的，其復(fù)位值為11111(位 7～3=SYSCLK／CLK(SAR)-1),。
一般在啟動(dòng)ADC之前都要處于跟蹤方式,，控制寄存器ADCOCN的位6如果為“O”，則一直處于跟蹤方式(此時(shí)啟動(dòng)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),；如為“1”,，則有4種跟蹤啟動(dòng)方式可選擇，即對(duì)ADCOCN中的位3～2賦值：00為向ADBUSY寫1時(shí)跟蹤(軟件命令),，01為定時(shí)器3溢出跟蹤,，1O為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號(hào))，11為定時(shí)器2溢出跟蹤,。
5 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
鍵盤部分采用6×6矩陣鍵盤,，P7．O～P7．5為行線，P3．0～P3．5為列線,。P3．0與P7．O交叉處為一鍵,，P7口接10 kΩ的上拉電阻至3．3 V。3個(gè)編碼開關(guān)的1,、2腳直接與單片機(jī)的I／0引腳相連,，這里選擇P4．O～P4．5，3腳接地,，4,、5腳用作按鍵使用,。僅以接P4.O和P4.1引腳的編碼開關(guān)為例，電路圖如圖2所示,。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3．58 kΩ的電阻與電位器串聯(lián)接到模擬端口,，硬件電路如圖3所示,，電位器的4、5腳也用作按鍵使用,。
6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
6．1 一鍵多義鍵盤程序設(shè)計(jì)
在鍵盤分析中,，運(yùn)用一個(gè)工作狀態(tài)寄存器保存鍵盤的現(xiàn)狀態(tài)，當(dāng)鍵盤掃描到一個(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,。圖4為鍵碼匹配子程序的流程圖。
6. 2 編碼開關(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,。編程的時(shí)候依據(jù)這個(gè)特點(diǎn)來判斷引腳1,、引腳2的狀態(tài)即可。以1引腳接P4．0,，2引腳接P4．1為例：
6．3 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)
通過設(shè)置ADCO控制寄存器ADCOCN位3～2(ADOCM1～O)A／D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)方式選擇位,，來啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換：位3～2為00時(shí)，向ADOBUSY(ADCOCN位4)寫1啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換,；位3～2為01時(shí),，定時(shí)器3溢出啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換；位3～2為10時(shí)，CNVSTR上升沿啟動(dòng) A／D轉(zhuǎn)換,；位3～2為11時(shí),，定時(shí)器2溢出啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)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)采用查詢的方式,。單片機(jī)不斷地查詢鍵盤,、編碼開關(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?？?，因此在程序中加延時(shí)，以便觀察到模數(shù)轉(zhuǎn)換的變化量,。另外,，硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒有考慮濾波，故用軟件實(shí)現(xiàn)濾波,。一般的濾波的方法有限幅濾波法,、中位置濾波法、算術(shù)平均濾波法等,，現(xiàn)在提出一種新的濾波方法,。由于使用12位A／D，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：
結(jié)語
本文介紹的一鍵多義的按鍵管理程序,，對(duì)多按鍵的智能儀表可以通用。編碼開關(guān)的編程方法簡單易懂,。在A／D轉(zhuǎn)換部分,，提出的去掉低4位的軟件濾波方法可靠可行，對(duì)精度要求不高的場(chǎng)合非常適用,。這3部分構(gòu)成了一個(gè)完整的監(jiān)控程序,，當(dāng)單片機(jī)監(jiān)控到某一部分有變化時(shí)，就將其動(dòng)作信息傳遞給ARM主CPU,，主CPU 進(jìn)行相應(yīng)的處理,。