基于單片機(jī)的智能儀器前面板的設(shè)計實現(xiàn)

引言：

許多儀器的前面板通常是由諸多的旋鈕、按鍵組成的混合界面。傳統(tǒng)的儀器前面板上通常有兩種旋鈕，一種是電位器，用于調(diào)節(jié)連續(xù)變化的量；另一種是檔位開關(guān)，用于調(diào)節(jié)間隔變化的量。它們嵌入在測量電路中，可以直接改變儀器的參數(shù)和設(shè)置。而在現(xiàn)代智能儀器[1]中，這兩類調(diào)節(jié)均可以通過數(shù)字旋鈕由微控制器將用戶操作的變化量反饋給儀器的主處理器，再由主處理器改變儀器的參數(shù)和設(shè)置。所以，智能儀器上的數(shù)字旋鈕和傳統(tǒng)儀器上的旋鈕在原理和處理方法上有很大不同。為了節(jié)省成本，面板處理往往采用體積小、性價比高的單片機(jī)（MCU）。運(yùn)用單片機(jī)不但經(jīng)濟(jì)靈活，并可充分利用MCU邏輯處理的優(yōu)勢，大大簡化外圍連線，對旋鈕按鍵混合控制系統(tǒng)[2]的處理尤為突出。

設(shè)計采用LPC900系列的P89LPC922FLASH單片機(jī)來實現(xiàn)軟件處理。P89LPC922采用高性能的處理器結(jié)構(gòu)，6倍于標(biāo)準(zhǔn)80C51器件的速率，并自帶波特率發(fā)生器。充分考慮單片機(jī)的資源和處理速度，分模塊設(shè)計——按鈕電路，旋鈕電路，串口電路，掃描電路。用protel完成電路原理圖，制作電路板，在KeilC環(huán)境下編寫軟件。軟件和硬件相結(jié)合，協(xié)同實現(xiàn)整個面板。

1 硬件設(shè)計及原理

1．1 旋鈕電路設(shè)計

1．1．1 數(shù)字旋鈕的工作原理

本設(shè)計選用常見的編碼器EC16系列作為數(shù)字旋鈕，如圖1。4、5腳供固定之用，3腳接VCC（+5V），1、2腳在轉(zhuǎn)動時輸出連續(xù)脈沖。這種旋鈕只有兩種操作，即正旋和反旋。通過示波器可以觀察到如圖所示的旋鈕轉(zhuǎn)動時1、2腳的波形。

每次轉(zhuǎn)動1、2腳都會產(chǎn)生脈沖信號，正旋時1腳先變高，反旋時2腳先變高。也就是說，正旋和反旋輸出信號的相位不同，只要檢測出相位，就可以識別正旋和反旋。

1．1．2鑒相電路設(shè)計

本文設(shè)計的鑒相電路見圖2，附箭頭所指數(shù)字標(biāo)號對應(yīng)的波形（以正旋為例）。旋鈕的1、2腳分別與D觸發(fā)器的D端和CLK端連接，根據(jù)上面所述旋鈕的工作原理，正旋時1腳（D）先變高，2腳（CLK）上升沿時Q端輸出1，反旋轉(zhuǎn)時輸出0， 端則相反。因此根據(jù)Q、 輸出為10還是01就可以判斷出轉(zhuǎn)動方向。但是，如果繼續(xù)正旋，Q、 將維持現(xiàn)狀（圖2中的④③），因此還必須檢測脈沖個數(shù)來反映轉(zhuǎn)動量。這時不用考慮1、2腳的相位，可將2個信號相與產(chǎn)生新的信號（圖2中的⑤），可利用該信號分別和Q、 相與即可分辨出每次旋鈕的轉(zhuǎn)動。

最后的輸出為⑥和⑦，正旋時⑦線有脈沖，⑥線一直為低，反旋則兩根線相反。至此完成了鑒相，下面要解決如何與單片機(jī)接口的問題。

1．2 掃描電路設(shè)計

用戶操作面板時，為了能及時準(zhǔn)確地識別哪個按鈕和哪個旋鈕動作，將按鈕和旋鈕統(tǒng)一掃描和編碼，發(fā)送給主機(jī)。綜合按鈕和旋鈕特點，根據(jù)實際需要采用了8×8的矩陣式鍵盤結(jié)構(gòu)[3]，前4行為按鈕，后4行為旋鈕。以列信號為掃描輸出信號，行信號為檢測輸入信號。

掃描電路的核心是單片機(jī)。一般掃描電路用一個I/O口輸出掃描信號，另一個I/O口讀入檢測信號。P89LPC922只有兩組I/O雙向口：P0口和P1口。P1口需要定義一些讀寫控制信號，所以只用一個P0口輸出掃描信號及輸入檢測信號，這樣P0口就存在讀寫控制和時序問題。既要輸出列值又要讀入行值，必須要有數(shù)據(jù)鎖存器和緩沖器之類的芯片配合完成。設(shè)計時采用了數(shù)據(jù)鎖存器74ALS373和總線接收/發(fā)送器74ALS245。單片機(jī)的引腳P1.4控制74ALS245的輸出使能端，如圖3中的②；P1.7控制74ALS373的數(shù)據(jù)鎖存端，如圖3中的①；P1.3控制74ALS245的數(shù)據(jù)傳送方向，如圖3中的③（這里為恒為低，從245到單片機(jī)的P0口）。

掃描電路的工作原理是：單片機(jī)先讓②為高，使74ALS245輸出為高阻態(tài)，然后從P0口輸出列掃描數(shù)據(jù)，再給①高電平，延時后將①變低，使74ALS373鎖存列掃描信號，將②變低使74ALS245輸出有效，由于數(shù)據(jù)方向恒定，這樣行值數(shù)據(jù)就從245輸入到單片機(jī)的P0口。

為了將按鈕和旋鈕的掃描統(tǒng)一起來，我們把正旋和反旋當(dāng)做不同的兩個按鈕按下，旋鈕的正旋或反旋也對應(yīng)唯一的行值和列值。這里的巧妙之處就是采用了三態(tài)緩沖器74LS240，每個旋鈕電路的輸出信號⑥和⑦（即前面圖2鑒相電路輸出）分別接到74LS240的兩組輸入端，兩組數(shù)據(jù)的輸出都接到4根行線，由列掃描線控制輸出哪一組數(shù)據(jù)。比如：掃描第二列，⑦對應(yīng)那組輸出到4根行線供單片機(jī)讀入，此時⑥對應(yīng)那組的輸出被禁止。若第二列有旋鈕正旋，則其對應(yīng)的⑦上有脈沖，經(jīng)240反相后，單片機(jī)檢測到低電平數(shù)據(jù)，與按鈕按下的情況一致。圖3中只用了一片74LS240，可以接4個旋鈕，這個電路可以擴(kuò)充到四片74LS240接16個旋鈕。

1．3 與主機(jī)通信電路設(shè)計

用串口與PC機(jī)通信要用串口連線，我們將其3、5腳引出，通過一片MAX232，即可與單片機(jī)的串口連接，其電路相對簡單，這里不多做敘述了。外部晶振頻率選用高頻晶振12MHZ，用922自帶的波特率發(fā)生器，設(shè)置波特率為9600，每個字節(jié)發(fā)送時間約1ms，可以滿足高速率和準(zhǔn)確性的要求。波特率太低影響速度，太高影響串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。