【導讀】設計采用高性能單片機C8051F020為控制芯片，監(jiān)控示波器面板上40個按鍵、3個編碼開關及4個電位器的狀態(tài)。分別介紹了鍵盤、編碼開關和電位器的工作原理，以及其與單片機連接的硬件電路及軟件編程的實現(xiàn)。按鍵部分采用一鍵多義的鍵盤程序設計方法，給出了鍵碼匹配子程序流程圖。
監(jiān)控程序負責系統(tǒng)中全部硬件和軟件資源的分配、調度工作，它提供用戶接口，使用戶獲得友好的工作環(huán)境，是系統(tǒng)設計中一個重要組成部分。
1 C8051F020單片機概述
伴隨著電子技術快速的發(fā)展，越來越多的人加入電子開發(fā)的大軍。在學習電子技術和研發(fā)項目的過程中，避免不了要使用一些儀器，例如萬用表、示波器等等，然而對于一些非專業(yè)的愛好者，擁有一臺數(shù)字示波器是比較“奢侈”的。本設計C8051F020單片機，因其具有成本低、制作簡單、測量精度高等優(yōu)勢，恰恰滿足了這一部分人的需求。
C8051F020單片機是高度集成的片上系統(tǒng)。在芯片內集成了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）、內部振蕩器、8個8位通用數(shù)字I／0端口和64 KBFLASH程序存儲器，以及8051兼容的高速微控制器內核。
C8051F020單片機是所有模擬和數(shù)字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash 存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051 固件。片內JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產品MCU 進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統(tǒng)調試。該調試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG 調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。
Cygnal出的一種混合信號系統(tǒng)級單片機。片內含CIP－51的CPU內核，它的指令系統(tǒng)與MCS－51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I／O端口共64根I／O口線、一個12位A／D轉換器和一個8位A／D轉換器以及一個雙12位D／A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數(shù)／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V（端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V）。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。
2 一鍵多義鍵盤工作原理
一臺完善的智能儀表功能往往很多，設定的量程、參數(shù)也很多。如果還是用一鍵一個功能，勢必要有一個很大的鍵盤，面板相應擴大，不美觀，而且成本增加。因此在這類儀表中，鍵盤設計成一鍵多義，一個鍵有多種功能。
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）是否已構成一個合法命令。若已構成合法命令，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別和如何根據(jù)鍵盤的按鍵序列去找相應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。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 編碼開關工作原理
編碼開關有3個引腳和5個引腳的，其中2個引腳是按下功能，另外3個引腳控制編碼開關的左旋和右旋功能，與引腳1、2相連的是兩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。當脈沖電位器旋轉時可出現(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I／0口相連。本設計中用到3個編碼開關，其中一個將引腳1與單片機的P4.0相連，引腳2與單片機的P4.1相連。當脈沖電位器左旋或右旋時，P4.0和P4.1就會周期性地產生圖1所示的波形。如果是12點的脈沖電位器旋轉一圈就會產生12組這樣的波形，24點的脈沖電位器就會產生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P4.O 和P4.1的波形，就能識別脈沖電位器是否旋轉，是左旋還是右旋。
4 C8051F020單片機ADC0
C8051F020的ADC0子系統(tǒng)包括：一個9通道的可配置模擬多路開關（AMUX0）、一個可編程增益放大器（PGA0）和一個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（ADCOCN）中的ADOEN位被置1時，ADC子系統(tǒng)才被允許工作。當ADOEN位為0 時，ADC子系統(tǒng)處于低功耗關斷方式。
ADC0端口的每一對均可用編程設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各對應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的速率都是可編程設置的，但最少要用16個系統(tǒng)時鐘。一般在轉換之前還自動加上3個系統(tǒng)時鐘的跟蹤／保持捕獲時間 （>1.5μs）。設置F020內ADC速率的方法是通過配置寄存器ADCOCF的位7～3來進行的，其復位值為11111（位 7～3=SYSCLK／CLK（SAR）-1）。
一般在啟動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（此時啟動4種啟動方式都可比跟蹤啟動快3個系統(tǒng)時鐘）；如為“1”，則有4種跟蹤啟動方式可選擇，即對ADCOCN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，1O為CNVSTR上升沿跟蹤（外部信號），11為定時器2溢出跟蹤。
5 系統(tǒng)硬件電路設計
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個編碼開關的1、2腳直接與單片機的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引腳的編碼開關為例，電路圖如圖2所示。模數(shù)轉換部分使用內部電壓基準，故將VREF引腳與VREF0引腳相連即可。采用電位器調節(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3.58 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)軟件設計
6.1 一鍵多義鍵盤程序設計
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)行相應子程序。圖4為鍵碼匹配子程序的流程圖。
6. 2 編碼開關程序設計
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。編程的時候依據(jù)這個特點來判斷引腳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)轉換軟件設計
通過設置ADCO控制寄存器ADCOCN位3～2（ADOCM1～O）A／D轉換啟動方式選擇位，來啟動A／D轉換：位3～2為00時，向ADOBUSY（ADCOCN位4）寫1啟動A／D轉換；位3～2為01時，定時器3溢出啟動A／D轉換；位3～2為10時，CNVSTR上升沿啟動 A／D轉換；位3～2為11時，定時器2溢出啟動A／D轉換。本設計采用第一種啟動方式。
由于單片機的工作量并不大，所以軟件設計時采用查詢的方式。單片機不斷地查詢鍵盤、編碼開關以及電位器的狀態(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)轉換的速度非?？?，因此在程序中加延時，以便觀察到模數(shù)轉換的變化量。另外，硬件設計時沒有考慮濾波，故用軟件實現(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：
結語
本文介紹的一鍵多義的按鍵管理程序，對多按鍵的智能儀表可以通用。編碼開關的編程方法簡單易懂。在A／D轉換部分，提出的去掉低4位的軟件濾波方法可靠可行，對精度要求不高的場合非常適用。這3部分構成了一個完整的監(jiān)控程序，當單片機監(jiān)控到某一部分有變化時，就將其動作信息傳遞給ARM主CPU，主CPU 進行相應的處理。
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