便攜式功率分析儀設(shè)計(jì)----鍵盤設(shè)計(jì)與校準(zhǔn)、調(diào)試與測(cè)試

鍵盤操作

一般的測(cè)量儀器都可通過按鍵輸入命令對(duì)儀器進(jìn)行測(cè)量，按鍵的種類很多，從機(jī)械結(jié)構(gòu)來分有機(jī)械接觸式的，導(dǎo)電橡膠的等，但無論何種按鍵都具有一個(gè)最基本的特性，那就是能實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)的通和斷，然后通過電路實(shí)現(xiàn)電氣上的邏輯通和斷，從而實(shí)現(xiàn)功能的控制，在現(xiàn)代電子測(cè)量儀器中一個(gè)按鍵能表示一個(gè)使儀器完成某種操作的命令，也可用幾個(gè)按鍵組合完成一個(gè)特定的命令，還能用一個(gè)按鍵在不同的狀態(tài)下表示不同的命令，但一般每個(gè)按鍵都有其唯一的代碼。CPU通過讀代碼來識(shí)別按鍵進(jìn)行處理，按鍵的排列一般都是矩陣形式，每一個(gè)按鍵都有唯一的行、列位置，所以CPU通過確定按鍵的行列來確定按鍵的位置，鍵盤與CPU的連接方式有兩種，一種是利用中斷，當(dāng)有鍵按下時(shí)，按鍵閉合，鍵盤板產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，CPU轉(zhuǎn)入鍵盤處理程序，另一種就是利用查詢法，定時(shí)讀回鍵盤列信號(hào)，判斷是否有鍵按下，如果有，則轉(zhuǎn)入鍵盤處理程序，如果沒有，則執(zhí)行其他命令。

鍵盤掃描控制

當(dāng)鍵盤數(shù)目較多時(shí)，為了節(jié)省單片機(jī)的接口資源，應(yīng)該采用矩陣式鍵盤，其行線上的電平由鍵盤接口的掃描輸出控制，行線上按一定的順序依次出現(xiàn)低電平，在沒有鍵按下時(shí)，各列線均被上拉電阻拉為高電平，并且在任意時(shí)刻只有一跟行線出現(xiàn)低電平。若有某鍵按下，它所在的列將會(huì)被拉成低電平。在鍵盤掃描和鍵盤讀入高速同步進(jìn)行的情況下，相對(duì)速度較慢的按鍵動(dòng)作總是可以被捕捉到的。鍵盤接口可采用普通的帶選通的邏輯電路芯片，鍵盤的掃描操作不應(yīng)該安排在非中斷的常規(guī)程序中，因?yàn)槟菢訉⒂绊懼鞒绦虻倪\(yùn)行速度，解決的方法之一就是將鍵盤掃描程序作為獨(dú)立的一塊，僅在主程序產(chǎn)生中斷時(shí)調(diào)用，二是選用在鍵盤按下時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷的芯片。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中我們采用了非編碼鍵盤，使用逐行掃描方式進(jìn)行鍵盤掃描。逐行掃描法的實(shí)現(xiàn)方法是：通過執(zhí)行鍵盤掃描程序?qū)︽I盤矩陣進(jìn)行掃描，以識(shí)別按鍵的行、列位置。程序查詢的步驟如下：

1）查詢是否有鍵按下。

首先由CPU對(duì)行線的各位置“0”，然后CPU再從列線讀入數(shù)據(jù)。若讀入的數(shù)據(jù)為全“1”，表示無鍵按下；只要讀入的數(shù)據(jù)中有一位不為“1”，表示有鍵按下，接著查按鍵的位置。

2）查詢已按下鍵的位置。

a.查詢已按下的鍵在哪一列。哪一位列線為“0”，表示被按下的鍵就肯定在這一列中。

b.查詢已按下的鍵在哪一行。需要逐行進(jìn)行掃描。CPU首先使X0=0，X1～X7為全“1”，讀入Y0～Y7，若為全“1”，表示按鍵不在這一行；接著使X1=0，其余各位為全“1”，讀入Y0～Y7，……，直至Y0～Y7不為全“1”為止。

3）按行號(hào)和列號(hào)求鍵的位置碼。

得到的行號(hào)和列號(hào)表示按下鍵的位置碼。若該鍵是字符鍵，則根據(jù)這個(gè)鍵碼到專用的ROM中取出此鍵的ASCII碼；若該鍵是功能鍵，則轉(zhuǎn)入相應(yīng)的服務(wù)子程序，完成其功能操作。

任何機(jī)械式按鍵，在斷開和閉合時(shí)均會(huì)因碰撞的彈跳而造成機(jī)械抖動(dòng)，這種抖動(dòng)在電氣上產(chǎn)生時(shí)斷時(shí)續(xù)的信號(hào)，使得高速的電子邏輯電路出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果，針對(duì)這種抖動(dòng)現(xiàn)象，可以采用兩種消除方法，一種是在軟件中安排消抖算法，軟件方法就是在判斷有鍵按下后，軟件延遲一段時(shí)間再判斷鍵盤狀態(tài)，否則認(rèn)為是按鍵抖動(dòng)，重新進(jìn)行掃描。二是采用硬件消抖電路，硬件方法就是給列信號(hào)線上加一個(gè)低通濾波器，消除按鍵過程中的尖峰抖動(dòng)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的消除抖動(dòng)采用軟件延遲法，利用定時(shí)器DelayNS（）完成延遲判斷，從而達(dá)到消抖的目的。

除了按鍵以外，一般的測(cè)量儀器鍵盤上還有旋鈕。旋鈕與按鍵不同，對(duì)旋鈕而言是要能表示兩種動(dòng)作：左旋、右旋。而在旋鈕靜止?fàn)顟B(tài)，旋鈕所占用的信號(hào)線既可能導(dǎo)通又可能截止。所以在矩陣式鍵盤上對(duì)旋鈕動(dòng)作的識(shí)別不同：首先行線上按一定的順序依次出現(xiàn)低電平，若旋鈕無動(dòng)作時(shí)，旋鈕所占用的兩條列線的狀態(tài)不變，若旋鈕有動(dòng)作時(shí)，旋鈕所占用的兩條列線的狀態(tài)會(huì)連續(xù)變化，且變化規(guī)律類似于：00->01->11->10->00或00->10->11->01->00.由此可判斷出是哪個(gè)旋鈕動(dòng)作和旋鈕的旋轉(zhuǎn)方向。對(duì)旋鈕，機(jī)械抖動(dòng)問題很小。

4.5.2鍵盤接口

在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，由于串口通訊中要求發(fā)送和接受雙方必須遵守?cái)?shù)據(jù)格式和時(shí)間限制等方面的統(tǒng)一規(guī)定，這樣才能保證正常進(jìn)行。這使得串口通訊方式控制起來略顯煩瑣，為使鍵盤掃描控制更加簡單，鍵盤的硬件接口沒有使用ARM的串口，其鍵盤通訊以外接4×4鍵盤為例，我們是直接利用ARM的P1.16～P1.23口的第一功能標(biāo)準(zhǔn)I/O口，分為行變量LINE[]、列變量COLUMN[]來實(shí)現(xiàn)鍵盤操作控制的，這樣進(jìn)行如前文所述的逐行掃描法時(shí)，將十分直觀和簡便。

第五章校準(zhǔn)、調(diào)試與測(cè)試

任何計(jì)量器具由于種種原因都具有不同程度的誤差計(jì)量器具的誤差，只在允許的范圍內(nèi)才能應(yīng)用，否則將帶來錯(cuò)誤的計(jì)量結(jié)果。對(duì)于新制的或修理后的計(jì)量器具必須用適當(dāng)?shù)燃?jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來確定其計(jì)量特性是否合格，對(duì)于使用中的計(jì)量器具必須用適當(dāng)?shù)燃?jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行周期檢定，另外有些計(jì)量器具必須借助適當(dāng)?shù)燃?jí)的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來確定其示值和其它計(jì)量性能，因此量值傳遞的必要性是顯而易見的。

5.1常用儀器校準(zhǔn)方法

微波功率量值傳遞的關(guān)鍵是減小失配誤差。功率的量值傳遞方法大致可分為四類：

①交替連接比較法：把標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)和被校功率計(jì)交替接到穩(wěn)定的信號(hào)源上進(jìn)行校準(zhǔn)。這種方法的誤差較大，但簡單易行，在準(zhǔn)確度要求不高的情況下廣泛使用。

②單定向耦合器直接比較法：利用定向耦合器-功率檢波器組合，提供一個(gè)穩(wěn)幅的低反射系數(shù)的等效信號(hào)源（圖2）。當(dāng)采用調(diào)配措施后，可使等效信號(hào)源的反射系數(shù)小于0.005，減小失配誤差，然后用功率標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其校準(zhǔn)，確定校準(zhǔn)系數(shù)后可作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)，用來單獨(dú)校準(zhǔn)其他功率計(jì)。

③調(diào)配反射計(jì)法：為了有效地消除失配誤差、提高功率測(cè)量和量值傳遞的準(zhǔn)確度，1960年開始采用反射計(jì)法進(jìn)行功率量值傳遞，利用調(diào)配反射計(jì)技術(shù)，有效地將入射波與反射波分開以消除失配誤差。但這種方法復(fù)雜，技術(shù)要求很高。

④功率方程法：1969年G.F.恩金提出一種描述和計(jì)算微波系統(tǒng)的“功率方程概念”，用傳輸?shù)膬艄β蔬@一基本實(shí)數(shù)參量替代電路理論中的復(fù)數(shù)行波波幅來分析和計(jì)算微波系統(tǒng)，放寬了對(duì)均勻波導(dǎo)，特別是對(duì)精密同軸接頭的要求，對(duì)失配誤差的修正提出了一個(gè)確定解，克服了電路理論只能估計(jì)失配誤差極限的缺點(diǎn)。功率方程法采用廣義反射計(jì)技術(shù)的校準(zhǔn)系統(tǒng)（圖3）。它測(cè)量兩個(gè)實(shí)數(shù)的失配因子，對(duì)失配誤差進(jìn)行精確修正，測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)到±0.2％。在實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試過程中，我們選用的設(shè)計(jì)方法較為簡單的單定向耦合器直接比較法進(jìn)行儀器校準(zhǔn)，從而生成校準(zhǔn)參數(shù)。

5.2校準(zhǔn)調(diào)試功率校準(zhǔn)

主要針對(duì)A/D采樣值與實(shí)際功率值間的轉(zhuǎn)換關(guān)系和功率的頻響誤差進(jìn)行。通過功率測(cè)量過程，我們將校準(zhǔn)主要分為以下4個(gè)部分：通道校準(zhǔn)、功率測(cè)量校準(zhǔn)、頻率測(cè)量校準(zhǔn)、功率頻響校準(zhǔn)。

5.2.1通道校準(zhǔn)

我們?cè)谟?jì)算功率值時(shí)，是利用的A/D采樣得到的十六進(jìn)制表示的電壓值，為了獲得實(shí)際射頻信號(hào)經(jīng)過檢波模塊輸出電壓值，就必須通過此時(shí)A/D采樣得到的電壓和實(shí)際電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系擬合出實(shí)際電壓值和A/D前端電壓值的曲線。由于在通道設(shè)計(jì)上我們?cè)贏/D之前加入AD8369（可變?cè)鲆娣糯笃鳎?shí)現(xiàn)3 dB步長的數(shù)字增益調(diào)節(jié)，所以擬合曲線根據(jù)不同衰減擋位進(jìn)行擬合。