采用C8051F020設計的嵌入式測試儀

　　0 引言

　　隨著測控技術的不斷發(fā)展，將嵌入式操作系統(tǒng)應用到測控領域，從而實現(xiàn)在線實時測試已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢，而且越來越多的工業(yè)現(xiàn)場對各種測試儀器的需求不斷增高，希望測試儀器能夠向在線實時測試方向發(fā)展?；谶@些需求，本文給出了基于C8051F020控制的測試儀鍵盤顯示部分的設計方案。在整個嵌入式測試系統(tǒng)中，本部分只是作為下位機，并通過RS485總線接口與上位機進行通信，從而將接收到的測試數(shù)據(jù)根據(jù)控制命令的要求在顯示器中予以顯示，同時將測試人員發(fā)送的各類請求信號回送給上位機以對測試數(shù)據(jù)進行一定的處理。

　　1 系統(tǒng)硬件設計

　　本系統(tǒng)的硬件由MCU模塊(C8051F020)、電源模塊、顯示模塊(OCM320240K)、矩陣鍵盤模塊等四部分構成，其系統(tǒng)總體硬件設計框圖如圖1所示。其中，本設計中外擴的緩沖存儲器和FLASH存儲器。解決了高速數(shù)據(jù)接收與處理不匹配、字符庫容量小的問題。

　　1.1 MCU模塊C8051F020

　　C8051F020是美國Cygnal公司推出的高性能單片機，是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，它的出現(xiàn)徹底改變了人們對8051單片機速度慢、性能低的印象。C8051F020使用了Cygnal專利的高速、流水線結構以及與MCS-51指令集完全兼容的CIP-51微處理器內(nèi)核。CIP-51在提升8051速度上采取了新的途徑，該芯片在保持CISC結構及指令系統(tǒng)不變的情況下，可對指令運行實行流水作業(yè)，從而廢除了機器周期的概念。它的指令以時鐘周期為運行單位，平均每個時鐘周期可執(zhí)行1條單周期指令，從而大大提高了指令運行速度，是一種功能比較齊全的高速、高性能單片機。

　　本系統(tǒng)設計選用此款單片機作為測試儀的MCU的最主要原因，一方面是由于CIP-51與MCS-51指令完全兼容，可使用標準的8051的匯編器、編譯器及軟件包進行軟件開發(fā)，同時也很方便使用人員進行軟件移植；另一方面可充分利用其豐富的通用數(shù)字端口資源，而不用地址／數(shù)據(jù)線復用，其外圍電路的設計也可以大大簡化。由于該芯片的低端口(P0、P1、P2、P3)既可按位尋址，也可按字節(jié)尋址，所以系統(tǒng)所需的控制信號都設計在低端口部分；而高端口(P4、P5、P6、P7)只能按字節(jié)尋址，故MCU與顯示模塊、存儲器等模塊的數(shù)據(jù)、地址總線均設計在高端口部分；C8051F020豐富的端口資源及其分配的靈活性是通過使用優(yōu)先權交叉開關譯碼器實現(xiàn)的；而且所有引腳都采用5V電壓．并都可以配置為漏極開路或推挽輸出方式和弱上拉。

　　1.2 液晶顯示模塊OCM320240K

　　人類獲取信息有80％來自視覺，且各種信息最終都通過信息顯示來實現(xiàn)人機交換。由于液晶顯示器件(LCD)具有低工作電壓，微功耗，使用CMOS電路直接驅動，而且輕便易攜帶，因此，一經(jīng)出現(xiàn)就倍受青睞，自然成為智能儀表等產(chǎn)品的首選顯示器件。

　　本系統(tǒng)中的單片機對液晶模塊的控制采用間接控制方式。即不使用單片機的數(shù)據(jù)系統(tǒng)，而利用它的I／O口來實現(xiàn)與液晶模塊的聯(lián)系。設計時可將液晶模塊的數(shù)據(jù)總線與單片機的P1口進行連接作為數(shù)據(jù)總線，另外三根時序控制信號線通常利用8051的P3口中未被使用的I／O口來控制。該訪問方式不占用CPU的存儲器空間，它的接口電路與時序無關，其時序完全靠軟件編程來實現(xiàn)。

　　圖形點陣式液晶顯模塊OCM320240K的PCB板上含有完整的驅動器系統(tǒng)(內(nèi)置SED1335液晶顯示控制器)，其接口系統(tǒng)則包含了驅動系統(tǒng)所需的控制信號和電源。它的行、列驅動器均采用KS0086，并由4個運算放大器組成液晶顯示偏壓電路。點陣液晶顯示控制器SED1335通過其與單片機的接口及編程可實現(xiàn)對液晶顯示器的文字、圖形、菜單、翻頁和內(nèi)容的左右移動等功能。對輸出到液晶顯示器件電極上的電位信號進行相位、峰值、頻率等參數(shù)的調(diào)制可以建立交流驅動電場，從而實現(xiàn)液晶顯示。

　　1.3 電源模塊

　　針對工業(yè)現(xiàn)場使用的便攜式嵌入式測試儀，可考慮采用直流電源供電。本系統(tǒng)所需的三個電源分別為+5 V、+3.3 V、-23 V。其中+3.3 V是給C8051F020芯片供電。-23 V是液晶顯示器所需的大負電壓驅動電源，+5 V是驅動器和其它芯片的邏輯電源。電源模塊的設計采用外部雙電源供電，+8 V和-33 V直流電源經(jīng)過穩(wěn)壓電路后可分別提供上述三種電壓。具體電路設計如圖2所示，其中在+5 V和+3.3 V的電源接口中連接的LED燈可作為電源指示燈，燈亮表示電源接通。電路中的電容則用于電源的濾波。

　　1.4 矩陣鍵盤模塊

　　鍵盤模塊的設計采用中斷方式非編碼8×8矩陣鍵盤，為了節(jié)省功耗，設計中選用了上拉電阻。按鈕的行、列線分別接到MCU的P2、P3端口，INT0作為外部中斷連接到MCU的P0.2端口。按鍵包含有0～9數(shù)字鍵、菜單顯示的“確定”、“取消”、“上翻”、“下翻”等控制鍵及測試系統(tǒng)所需的其它基本功能鍵。

　　1.5 外部擴展電路

　　本設計中的外擴電路有兩部分：其一是外擴了高速緩沖存儲器，由于該測試儀通過RS485總線從上位機接收的數(shù)據(jù)可能是高速數(shù)據(jù)，而高速的總線數(shù)據(jù)和顯示模塊的處理速度可能不匹配，因而必須考慮采用外部擴展高速緩存來滿足顯示模塊中64 KB顯示RAM的要求也可將測試數(shù)據(jù)分屏顯示。本文選用128 KB的SRAM芯片STC62WV1024；其二是外擴了一片F(xiàn)LASH存儲器來為測試儀增加掉電保護功能，以便在突然斷電情況下不丟失測試數(shù)據(jù)。更主要的目的是，由于顯示模塊中自帶的用戶自定義字符庫CGRAM容量小，所以考慮將所建的國標基本字庫存放在外擴的FLASH中，由MCU根據(jù)用戶需要對其進行動態(tài)管理，同時不斷完成所需顯示字庫的調(diào)入調(diào)出操作。這樣既可滿足大容量字庫的要求，又能達到實時調(diào)度。本設計選用的是K9F2G08U芯片。

　　2 顯示模塊的軟件設計

　　2.1 LCD初始化

　　液晶顯示器的顯示功能之所以強大，除了其本身具備一定的硬件顯示功能外，更重要的是通過軟件設計來實現(xiàn)各種顯示功能，包括基本顯示和由基本顯示組合而成的擴展功能顯示。但在使用之前，一般都必須根據(jù)液晶顯示模塊的特性選擇初始化參數(shù)，以對其進行初始化，初始化流程如圖3所示，其具體的初始化代碼如下：

　　2.2 漢字顯示

　　SED1335通過字符代碼來確定字符庫中字符首地址，并將相應的字模數(shù)據(jù)送到液晶顯示模塊。在液晶屏上出現(xiàn)該字符的16×16點陣塊實際上就是文本顯示RAM中的一個字節(jié)所對應的顯示屏上的16×16點陣。通過SED1335顯示存儲器內(nèi)用戶自定義的字符庫CGRAM。用戶可在相應的單元寫入相應的字符代碼，然后通過對子程序的調(diào)用即可實現(xiàn)漢字顯示，下面是顯示漢字“歡迎使用”的部分程序代碼：

　　由于CGRAM容量有限，故可考慮將用戶自定義的國標基本字符庫放在外擴的FLASH中，然后由MCU根據(jù)測試數(shù)據(jù)類型和用戶需求不停地從FLASH字庫中動態(tài)調(diào)入所需字庫并暫存在CGRAM中。通過顯示模塊自定義字庫的擴展，可使OCM320240K的顯示功能更加完善和強大。從而更適合于各種領域的顯示。

　　2.3 菜單顯示

　　液晶模塊的菜單顯示設計應盡量與普通微機上的菜單結構保持一致(即呈樹形拓撲結構)，以適應操作人員的操作習慣。本設計中的菜單顯示是在鍵盤的配合下實現(xiàn)的。為了簡化操作，鍵盤中與菜單顯示有關的控制鍵一般只設置“確定”、“取消”、“上翻”、“下翻”等基本功能，通過這幾個按鍵即可操作菜單顯示程序和命令執(zhí)行程序，其鍵盤響應及菜單顯示流程如圖4所示。操作時，按下“確定”鍵，屏幕將顯示下一級菜單；而按下“上翻”、“下翻”鍵，閃爍光標將在同一級菜單的各個菜單項間移動，以表示當前選中的菜單。對各級菜單進行編號時，可以設置兩個變量mn、ln來分別表示當前的菜單號和光標所在的行(第一行為0，以此類推)。在程序初始化時，mn=0、ln=0；用“確定”鍵可則可改變菜單編號(mn=mn×2+ln)，“取消”鍵改變菜單編號(mn=[mn／2])，“上翻”、“下翻”鍵可改變光標位置(ln=ln±1)。如12號菜單就是5號菜單光標位置處于第三行(ln=2)時按“確定”鍵得到的，其編號為5×2+2=12。確定菜單編號和光標位置后，再調(diào)用顯示程序(或函數(shù)執(zhí)行程序)即可顯示新一級菜單并重新設置光標位置。其例程代碼如下：

　　3 結束語

　　在完成了軟硬件設計之后，即可對于本設計的電路板進行調(diào)試，以實現(xiàn)其顯示功能。目前，本系統(tǒng)與上位機的級聯(lián)調(diào)試還在進行之中。此外，考慮到觸摸屏使用的日益廣泛，本系統(tǒng)在電路設計中還考慮了與帶觸摸屏控制器(ADS7843)的顯示模塊DV320240F的接口，以便于今后根據(jù)需要增加觸摸功能。