單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（五）

單片機被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，家電，消費電子，醫(yī)療電子，儀表測量等領(lǐng)域，為應(yīng)廣大初級電子工程師/單片機愛好者之需，電子發(fā)燒友網(wǎng)隆重策劃整合推出《單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解》系列技術(shù)文章，以后會陸續(xù)推出其他章節(jié)，敬請廣大工程師朋友繼續(xù)關(guān)注和留意。應(yīng)廣大工程師網(wǎng)友對前面章節(jié)熱烈反響，電子發(fā)燒友網(wǎng)會再接再厲為各位工程師網(wǎng)友推出更多技術(shù)精品系列文章，以饗讀者。

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　　單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（一）

　　單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（二）

　　單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（三）

　　單片機關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)詳解（四）

　　一、單片機矩陣鍵盤原理與結(jié)構(gòu)

　　矩陣式結(jié)構(gòu)的鍵盤識別要復(fù)雜一些，列線通過電阻接正電源，并將行線所接的單片機的I/O口作為輸出端，而列線所接的I/O口則作為輸入。這樣，當(dāng)按鍵沒有按下時，所有的輸入端都是高電平，代表無鍵按下。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。

　　在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如P1口）就可以構(gòu)成4*4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。

　　《1》確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“行掃描法”。

　　行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，如上圖所示鍵盤，介紹過程如下。

　　1、判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線Y0-Y3置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。

　　2、判斷閉合鍵所在的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。

　　《2》確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下介紹一種“高低電平翻轉(zhuǎn)法”。

　　首先讓P1口高四位為1，低四位為0，。若有按鍵按下，則高四位中會有一個1翻轉(zhuǎn)為0，低四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的行位置。

　　然后讓P1口高四位為0，低四位為1，。若有按鍵按下，則低四位中會有一個1翻轉(zhuǎn)為0，高四位不會變，此時即可確定被按下的鍵的列位置。

　　最后將上述兩者進(jìn)行或運算即可確定被按下的鍵的位置。

　　二、什么是格雷碼

　　格雷碼（Gray code），又叫循環(huán)二進(jìn)制碼或反射二進(jìn)制碼 在數(shù)字系統(tǒng)中只能識別0和1，各種數(shù)據(jù)要轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制代碼才能進(jìn)行處理，格雷碼是一種無權(quán)碼，采用絕對編碼方式，典型格雷碼是一種具有反射特性和循環(huán)特性的單步自補碼，它的循環(huán)、單步特性消除了隨機取數(shù)時出現(xiàn)重大誤差的可能，它的反射、自補特性使得求反非常方便。格雷碼屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼方式

　　簡介

　　因為，自然二進(jìn)制碼可以直接由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，但某些情況，例如從十進(jìn)制的3轉(zhuǎn)換成4時二進(jìn)制碼的每一位都要變，使數(shù)字電路產(chǎn)生很大的尖峰電流脈沖。而格雷碼則沒有這一缺點，它是一種數(shù)字排序系統(tǒng)，其中的所有相鄰整數(shù)在它們的數(shù)字表示中只有一個數(shù)字不同。它在任意兩個相鄰的數(shù)之間轉(zhuǎn)換時，只有一個數(shù)位發(fā)生變化。它大大地減少了由一個狀態(tài)到下一個狀態(tài)時邏輯的混淆。另外由于最大數(shù)與最小數(shù)之間也僅一個數(shù)不同，故通常又叫格雷反射碼或循環(huán)碼。

　　2、格雷碼對照表

　　下表為幾種自然二進(jìn)制碼與格雷碼的對照表：

　　一般的，普通二進(jìn)制碼與格雷碼可以按以下方法互相轉(zhuǎn)換：

　　二進(jìn)制碼-》格雷碼（編碼）：從最右邊一位起，依次將每一位與左邊一位異或（XOR），作為對應(yīng)格雷碼該位的值，最左邊一位不變（相當(dāng)于左邊是0）;

　　格雷碼-〉二進(jìn)制碼（解碼）：從左邊第二位起，將每位與左邊一位解碼后的值異或，作為該位解碼后的值（最左邊一位依然不變）。

　　數(shù)學(xué)（計算機）描述：

　　原碼：p［n:0］;格雷碼：c［n:0］（n∈N）;編碼：c=G（p）;解碼：p=F（c）;

　　書寫時按從左向右標(biāo)號依次減小，即MSB-》LSB，編解碼也按此順序進(jìn)行

　　編碼：

　　。..。..。..。..。..。...c［n］=p［n］，

　　。..。..。..。..。..。...c［i］=p［i］ XOR p［i+1］ （i∈N，n-1≥i≥0）;

　　解碼：

　　。..。..。..。..。..。...p［n］=c［n］，

　　。..。..。..。..。..。...P［i］=c［i］ XOR p［i+1］ （i∈N， n-1≥i≥0）。

　　Gray Code是由貝爾實驗室的Frank Gray在20世紀(jì)40年代提出的（是1880年由法國工程師Jean-Maurice-Emlle

　　Baudot發(fā)明的），用來在使用PCM（Pusle Code Modulation）方法傳送訊號時避免出錯，并于1953年3月17日取得美國專利。由定義可知，Gray Code的編碼方式不是唯一的，這里討論的是最常用的一種。

　　用異或乘除法實現(xiàn)二進(jìn)制碼與格雷碼互相轉(zhuǎn)換

　　如果在二進(jìn)制運算中忽略進(jìn)位、退位，那么加減運算都變成了異或（XOR）。

　　用異或代替加減進(jìn)行二進(jìn)制豎式乘除，稱為異或乘除，它的特點是無進(jìn)退位。

　　由于沒有退位，異或除法將變得更像多項式除法。

　　如：10101除以11將變成1100余1，而不是111。

　　二進(jìn)制轉(zhuǎn)格雷碼：

　　只要異或乘以二分之三，即二進(jìn)制的1.1，然后忽略小數(shù)部分;也可以理解成異或乘以三（即11），再右移一位。

　　格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制：

　　異或乘以三分之二，即除以1.1，忽略余數(shù);或者左移一位，再異或除以三，忽略余數(shù)。

　　格雷碼轉(zhuǎn)二進(jìn)制方法

　　二進(jìn)位碼第n位 = 二進(jìn)位碼第（n+1）位+格雷碼第n位。因為二進(jìn)位碼和格雷碼皆有相同位數(shù)，所以二進(jìn)位碼可從最高位的左邊位元取0，以進(jìn)行計算。（注：遇到1+1時結(jié)果視為0）

　　例如： 格雷碼0111，為4位數(shù)，所以其所轉(zhuǎn)為之二進(jìn)位碼也必為4位數(shù)，因此可取轉(zhuǎn)成之二進(jìn)位碼第五位為0，即0 b3 b2 b1 b0。

　　0+0=0，所以b3=0

　　0+1=1，所以b2=1

　　1+1取0，所以b1=0

　　0+1取1，所以b0=1

　　因此所轉(zhuǎn)換為之二進(jìn)位碼為0101

　　格雷碼轉(zhuǎn)換快速方法

　?。僭O(shè)以二進(jìn)制為0的值做為格雷碼的0）

　　G：格雷碼 B：二進(jìn)位碼

　　G（N） = B（n+1） XOR B（n）

　　
三、AVR單片機開發(fā)經(jīng)驗

　　AVR與傳統(tǒng)類型的單片機相比，除了必須能實現(xiàn)原來的一些基本的功能，其在結(jié)構(gòu)體系、功能部件、性能和可靠性等多方面有很大的提高和改善。

　　但使用更好的器件只是為設(shè)計實現(xiàn)一個好的系統(tǒng)創(chuàng)造了一個好的基礎(chǔ)和可能性，如果還采用和沿襲以前傳統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計思想和方法的話，是不能用好AVR的，甚至也不能真正的了解AVR的特點和長處。

　　功能越好的器件，需要具備更高技術(shù)和能力的人來使用和駕馭它。就象一部好的F1賽車，只有具備高超技術(shù)的駕駛員才能充分體會到車的特點，并能最大限度的發(fā)揮出車的性能。

　　AVR具有上手入門快，開發(fā)方便簡單的特點，但要充分體會和發(fā)揮AVR的優(yōu)點，還需要應(yīng)用工程師本身的硬軟件設(shè)計開發(fā)能力的不斷學(xué)習(xí)、實踐提高。

　　“外行看熱鬧，內(nèi)行看門道”，對于有一定基礎(chǔ)的嵌入式和單片機系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的工程師，不妨先簡單嘗試一下AVR。

　　開發(fā)環(huán)境與工具：PC+下載線+實際的系統(tǒng)板

PC上的開發(fā)軟件：

　　AVR Studio（Free）匯編+匯編調(diào)試+高級語言調(diào)試+軟件仿真

　　ICC、CVAVR、BASCOM-AVR 高級語言程序開發(fā)+程序下載。其中一個購買正版全功能，作為主要的開發(fā)環(huán)境，其它使用DEMO版，作為輔助及參考。

　　AVR ISP下載線：

　　STK200 And STK200+ And STK300 ISP Programmer。通過PC的打印機口，采用ISP技術(shù)將系統(tǒng)運行代碼（HEX、BIN）和數(shù)據(jù)寫入AVR芯片的Flash和EEProm中，編程AVR的配置熔絲位和加密位。支持決大多數(shù)的AVR芯片、以及ATMEL的51兼容芯片89S8252、89S52等。在ICC、CVAVR、BASCOM-AVR、BASCOM-8051中都內(nèi)含對該下載線的支持程序。免費專用的下載程序：SLISP、PonyProg2000等。

　　盡量不使用仿真器的建議：

　　在開發(fā)和調(diào)試系統(tǒng)程序時，有許多人完全依賴于仿真器，一旦離開了仿真器時就感覺無從下手。其實，由于AVR的Flash存貯器可方便的使用ISP技術(shù)在線的多次擦寫，因此建議盡量不使用（依賴）仿真器來開發(fā)和調(diào)試程序。

　　在實際開發(fā)過程中，程序的調(diào)試可以從下幾方面入手：

　　現(xiàn)在的高級語言編譯器（如C編譯器）可以產(chǎn)生效率很高的機器代碼，因此建議大家盡量使用高級語言編寫系統(tǒng)程序。

　　使用Atmel公司提供AVR Studio軟件模擬仿真環(huán)境，以及其他的軟件模擬仿真環(huán)境（BASCOM-AVR）。

　　盡可能使用高級語言編寫系統(tǒng)程序。

　　利用目標(biāo)板上的LED、LCD或異步串口。見附件“沒有仿真器的情況下如何開發(fā)AVR”的介紹。

　　提高硬件設(shè)計的合理性：

　　盡量合理和充分使用AVR片內(nèi)的資源，如EEPROM、A/D、內(nèi)部的RC振蕩源。

　　盡量采用串口通信連接的外圍器件，大容量的存儲器、LCD控制器、打印機、不用8279（LED數(shù)碼管+鍵盤）而使用7279等。除了必須外擴RAM（如語音和圖象），一般不提倡使用并行擴展（573+譯碼電路），減小硬件和連線以及PCB板上錯誤的出現(xiàn)概率，同時也提高了系統(tǒng)的可靠性。并行擴展向串行擴展是發(fā)展趨勢。現(xiàn)在有大量的新的外圍器件采用高速的串行接口，如A/D、D/A、RTC、存儲器等。

　　盡量使用以及在目標(biāo)板上預(yù)留ISP程序下載接口，或使用IAP技術(shù)。

　　優(yōu)點：ISP接口與I/O的兼容性比JETAG好。

　　缺點：不能在線調(diào)試

　　注意和掌握AVR配置熔絲位的使用：

　　。 系統(tǒng)晶振的選擇

　　.BOD的使用

　　。啟動延時.Mega8的PC6引腳，RESET與通用I/O的轉(zhuǎn)換

　　.JETAG接口和通用I/O的轉(zhuǎn)換

　　。啟動向量的轉(zhuǎn)換，BOOT-LOAT區(qū)大小的設(shè)置

　　提高硬件可靠性的考慮：

　　。盡量采用片內(nèi)晶體、采用低頻率的系統(tǒng)時鐘、振蕩電路的輸出小幅度。

　　。選擇合適的啟動延時參數(shù)

　　。使用BOD、片內(nèi)的看門狗

　　。合理休眠方式的使用

　　。不用I/O口設(shè)定輸出低電平

　　。利用內(nèi)部的EEProm和寄存器MCUCSR判斷復(fù)位標(biāo)志，進(jìn)行不同的處理

　　提高軟件設(shè)計的能力和水平：

　　盡量合理采用高級語言設(shè)計編寫系統(tǒng)程序。有許多人認(rèn)為使用匯編寫程序比較精簡，而用高級語言開發(fā)會浪費很多程序空間，其實這是一種誤解。對一個有經(jīng)驗的，而且非常熟悉某種單片機的匯編高手而言，他是能寫出比高級語言更精簡的代碼。而對匯編不是很熟的開發(fā)者、或突然更換了一種新的單片機，您能保證一定可以寫出比高級語言更簡練的代碼嗎？

　　高級語言的優(yōu)越性是匯編語言不能比的：

　　。程序移植方便

　　。程序的堅固性

　　。數(shù)學(xué)運算的支持

　　。條理清晰的結(jié)構(gòu)化編程，程序的可維護性。

　　?？蓞f(xié)同開發(fā)軟件，開發(fā)周期短。

　　現(xiàn)在的高級語言編譯器（如C編譯器）已可以產(chǎn)生代碼效率很高的機器代碼，因此建議大家能用高級語言實現(xiàn)的程序盡可能使用高級語言寫，在對速度和時序要求特嚴(yán)的場合可以采用混合編程的方法來解決。

　　更深入和全面的掌握各種串行通信協(xié)議的規(guī)程：

　　嵌入式系統(tǒng)目前以大量的使用串行接口外圍芯片和各種通信接口，如RS232、兩線（I2C）、三線（SPI）、單總線、USB、CAN、TCP/IP等。開發(fā)人員和程序員應(yīng)了解低層協(xié)議，熟悉硬件怎樣和如何實現(xiàn)低層協(xié)議，如何定義可靠的上層應(yīng)用協(xié)議，以及低層協(xié)議驅(qū)動同上層應(yīng)用協(xié)議之間的接口設(shè)計（中間層軟件的實現(xiàn)）等。

　　硬件工程師的軟件編寫能力要提高，采用標(biāo)準(zhǔn)程序編寫方式、完善的軟件整體框架的設(shè)計、良好的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和程序結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。（計算機軟件專業(yè)的程序設(shè)計員對硬件不熟悉、大部分是在操作系統(tǒng)支持下編寫軟件，對低層接口和協(xié)議的驅(qū)動層以及接口也不了解，往往也編寫不出好的單片機系統(tǒng)程序。）

　　通信接口的編寫應(yīng)盡量

　　。采用中斷+緩沖區(qū)，

　　。分層+結(jié)構(gòu)化設(shè)計，

　　。盡量不使用輪循方式（降低AVR的效率）。參見URAT（RS232）驅(qū)動+中間層軟件示例。