基于C8051F020的波形分析儀控制面板設(shè)計

李松濤, 劉麗偉, 張 瑤, 宋永霞

(長春工業(yè)大學計算機科學與工程學院,吉林長春 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)展起來的一種綜合了高速采集、存儲、顯示、分析和處理功能于一身的新型電子測量設(shè)備。其控制面板起著與外界交換信息的作用,在綜合考慮各個方面因素之后設(shè)計了以下所述的控制面板。

1 C8051F020單片機概述

C8051F020單片機是高度集成的片上系統(tǒng)。在一個芯片內(nèi)集成了2個多通道ADC子系統(tǒng)(每個子系統(tǒng)包括1個可編程增益放大器和1個模擬多路選擇器)、2個電壓輸出DAC、2個電壓比較器 、電壓基準 、SMBus/I2C 總線接口、UART 、SPI總線接口、5個通用的16位定時器、1個具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列(PCA)、內(nèi)部振蕩器、8個8位通用數(shù)字I/O端口和64KBFLASH程序存儲器以及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9通道的可配置模擬多路開關(guān)(AMUX0)、1個可編程增益放大器(PGA0)和1個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器。AMUX0、PGA0、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。只有當 ADC0控制寄存器(ADC0CN)中的AD0EN位被置1時,ADC子系統(tǒng)才被允許工作。當AD0EN位為0時,ADC子系統(tǒng)處于低功耗關(guān)斷方式。

ADC0端口均可通過編程設(shè)置成為單端輸入或差分輸入。差分輸入時的端口配對為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各對應(yīng)2個引腳通道。位值=0,表示是獨立的單端輸入(復位值均為單端輸入);位值=1,表示是差分輸入對。

C8051F系列單片機中ADC的速率都可用編程設(shè)置,但最少要用16個系統(tǒng)時鐘。一般在轉(zhuǎn)換之前還自動加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤/保持捕獲時間(＞1.5 μs)。設(shè)置F020內(nèi)ADC速率的方法是通過配置寄存器ADC0CF的位7～3來進行的,其復位值為 11111(位 7～3=SYSCLK/CLKSAR-1)。

一般在啟動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4種啟動方式都可比跟蹤啟動快3個系統(tǒng)時鐘);如果為“1”,則有4種跟蹤啟動方式可選擇,即對ADC0CN中的位3～2賦值:00為向ADBUSY寫1時跟蹤(軟件命令);01為定時器3溢出跟蹤;10為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號);11為定時器2溢出跟蹤[2]。

2 一鍵多義鍵盤工作原理

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功能,勢必要有一個很大的鍵盤,則面板相應(yīng)擴大,既不美觀,又增加成本。因此,在這類儀表中,鍵盤需要設(shè)計成一鍵多義。

在一鍵多義的情況下,一個命令不是由一次按鍵組成,而是由一個按鍵序列組成。也就是說,對一個按鍵含義的解釋,不僅取決于本次按鍵,還取決于以前按了些什么鍵。因此,對于一鍵多義的監(jiān)控程序,首先要判斷一個按鍵序列(而不是一次按鍵)是否已構(gòu)成一個合法命令。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,一鍵多義鍵盤管理程序主要解決鍵盤按鍵序列的識別和如何根據(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作例行子程序表來完成[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)、動作例行子程序編號。

3 編碼開關(guān)的工作原理

編碼開關(guān)工作波形如圖1所示。

圖1 編碼開關(guān)工作波形

編碼開關(guān)有3個引腳和5個引腳的,對于5個引腳的編碼開關(guān),其中2個引腳是按鍵功能,另外3個引腳對應(yīng)編碼開關(guān)的左旋和右旋功能,與只有3個引腳的功能相同,與引腳1、引腳2相連的是2個長短不一的金屬靜片,與引腳3相連的是一周有12或24個齒的金屬動片。當編碼開關(guān)旋轉(zhuǎn)時可出現(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。

在實際使用中,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I/O口相連。本設(shè)計中用到3個編碼開關(guān),其中一個將引腳1與單片機的P2.0相連,引腳2與單片機的P2.1相連。當編碼開關(guān)左旋或右旋時,P2.0和P2.1就會周期性地產(chǎn)生圖1所示的波形,如果是12點的脈沖電位器旋轉(zhuǎn)一圈,就會產(chǎn)生12組這樣的波形,24點的脈沖電位器就會產(chǎn)生24組這樣的波形;一組波形(或一個周期)包含了4個工作狀態(tài)。因此,只要檢測出P2.0和P2.1的波形,就能識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

鍵盤部分采用6*6矩陣鍵盤,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個編碼開關(guān)的引腳1、引腳2直接與單片機的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引腳的編碼開關(guān)為例,其電路圖如圖2所示。

圖2 編碼開關(guān)控制電路圖

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分使用內(nèi)部電壓基準,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,基準電壓典型值為2.43 V,電源電壓采用3.3 V供電。為使基準電壓達到最大,需要一個阻值約為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

5.1 一鍵多義鍵盤程序設(shè)計

在鍵盤分析中,運用一個工作狀態(tài)寄存器保存鍵盤的現(xiàn)狀態(tài),當鍵盤掃描到一個按鍵時,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,取出動作號,根據(jù)動作號計算出動作子程序入口地址,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 編碼開關(guān)程序設(shè)計

由圖1可以看出,引腳1和引腳2有同時為高電平的情況,之后,如果引腳2比引腳1先到達高電平,則表示左旋;如果引腳1比引腳2先到達高電平,則表示右旋,編程時依據(jù)這個特點來判斷引腳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; //定義了兩個變量用來儲蓄上一次調(diào)用此方法是編碼開關(guān)兩引腳的電平

static uchar st; //定義了一個變量用來儲蓄以前是否出現(xiàn)了兩個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) //為高說明編碼開關(guān)在向加大的方向轉(zhuǎn)

{st=0;tmp++;}

if(Aold) //為高說明編碼開關(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

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

由于單片機的工作量并不大,所以軟件設(shè)計時采用查詢的方式。單片機不斷地查詢鍵盤、編碼開關(guān)以及電位器的狀態(tài),如果有變化時,單片機將動作信息傳遞給ARM主MCU,等待主MCU的處理。由于單片機模數(shù)轉(zhuǎn)換的速度非?？?因此在程序中加延時以便可以觀察到模數(shù)轉(zhuǎn)換的變化量,另外硬件設(shè)計時沒有考慮濾波,故用軟件實現(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位就可以達到所要的精度,所以,可以采用去掉低4位的方法來實現(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

介紹了用于波形分析儀的一鍵多義的按鍵管理程序,對于多按鍵的儀表儀器的控制具有通用性;無限圈編碼開關(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于精度要求不高的場合也是相當適用的。C8051F020通過對整個面板的監(jiān)控,最終通過串口把動作信息傳送給ARM微處理器,由ARM對波形分析儀內(nèi)部電路及顯示界面做出相應(yīng)的處理。

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