（通信与信息系统专业论文）数字频率特性测试仪的设计与实现——控制运算及人机接口部分.pdf

摘要 摘要 本文从提高频率特性测试仪的测量精度，以及实现友好的人机界面的角度，介绍了 基于m c u + l c d 的频率特性测试仪的设计与实现，详细介绍了以单片机为核心的控制运 算部分，以及以液晶显示器( l c d ) 为核心的人机接口部分。单片机a t 8 9 c 5 2 控制整个 系统的协调工作并对所测数据进行处理。人机接口部分的键盘采用的是编码式键盘芯片 h d 7 2 7 9 a ，以串行的方式与单片机进行通信；显示部分采用的是以n h c 一0 3 为控制卡的5 2 英寸彩色液晶模块l f u b k 9 11 ，它有标准s t n 接口，单片机通过并口对其进行管理。 本文工作重点之一是对液晶显示模块的数据开发，其中包括各个子模块的设计，幅 频特性曲线的计算与显示以及光标移动的实现，并对幅频特性曲线进行了模拟显示及误 差分析。 本文的重点之二是控制运算部分对幅度检测电路的控制、数据处理以及与人机接口 部分的通信，并通过两层显示的思想完成对仪器四种工作状态的管理。 关键词频率特性测试仪幅频特性单片机编码键盘彩色液晶显示器 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et h e s i si n t r o d u c e dt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h et e s t e rf o rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c b a s e do ne n h a n c i n gt h em e a s u r i n ga c c u r a c ya n dr e a l i z a t i o nf r i e n d l ym a n m a c h i n ec o n t a c t s u r f a c e ，t h et e s t e rf o rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ci sb a s e do nm c u + l c d t h e a r t i c l ei nd e t a i l i n t r o d u c e dt h ec o n t r o la n da r i t h m e t i cp o r t i o nt a k i n gt h es i n g l ec h i pm a c h i n ea st h ec o r e ，a s w e l la st h em a n - m a c h i n ec o n n e c tp o r t i o nt a k i n gt h el i q u i d - c r y s t a ld i s p l a ya st h ec o r e a t 8 9 c 5 2c o n t r o l st h ec o o r d i n a t e dw o r ko ft h eo v e r a l ls y s t e ma n dp r o c e s s e st h em e a s u r e d d a t a t h ek e y b o a r d so fm a n - m a c h i n ec o n n e c tp o r t i o nu s e sc o d e dk e y b o a r dc h i ph d 7 2 7 9 a ， w h i c hc o m m u n i c a t e sw i t ht h es i n g l ec h i pm a c h i n eb yt h es e r i a lw a y ；t h ed i s p l a yp a r tu s e s t h ec o l o r e dl i q u i dc r y s t a lm o d u l el f u b k 911 ，w h i c hh a st h es t a n d a r ds t nc o n n e c t i o na n d t a k et h e n h c 一0 3 a st h ec o n t r o lc a r d ，t h es i n g l ec h i pm a c h i n em a n a g e si tt h r o u g ht h ep a r a l l e l c o n n e c t i o n t h ep r i m a r yo n ei st h ed a t ad e v e l o p m e n to ft h el i q u i dc r y s t a lm o d u l e ，i n c l u d i n ge a c h s u b m o d u l ed e s i g n ，t h ec o m p u t a t i o na n dd i s p l a yo ft h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i ca s w e l la st h em i g r a t e do fc u r s o r , a n dh a sc a r r i e do nt h ec o n f o r m a b l ed i s p l a ya n dt h ee r r o r a n a l y s i st ot h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c t h e s e c o n d ，t h ec o n t r o lt ot h ea m p l i t u d ed e t e c tp o r t i o n ，t h ed a t ap r o c e s s i n ga n dt h e c o m m u n i c a t i o nw i t ht h em a n - m a c h i n ec o n n e c tp o r t i o no ft h ec o n t r o la n da r i t h m e t i cp o r t i o n ， a n dc o m p l e t e dt h em a n a g e m e n tt ot h ef o u rk i n do fa c t i v es t a t u st h r o u g ht h et w ol e v e l d i s p l a y i n g k e yw o r d s t h et e s t e rf o rf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c a m p l i t u d ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s i n g l ec h i pm a c h i n e c o d ek e y b o a r dc o l o r e dl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y 河北大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得河北大学或其他教育机构的学位或证书 所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了致谢： 作者签名： 鲤云霞 日期：边! 年互月f 兰日 学位论文使用授权声明 本人完全了解河北大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年月日解密后适用本授权声明。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方格内打“4 ”) 作者签名：迢叁臣 导师签名：每幺趔2 一 日期：迎l 年月且日 日期：拯2 年l 月辱日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 频率特性的概念1 1 】 频率特性是线性系统对正弦输入信号的稳态响应特性，它反映了电路系统对各种不 同频率信号的适应程度。实际的电子线路中所遇到的往往是多频率信号，电路对不同频 率信号的放大效果不尽相同，输出信号不能完全重现输入信号波形，即产生了波形失真。 电路对不同频率的正弦信号的稳态响应称为频率响应又称为频率特性。 一个稳定的线性系统在f 弦信号x ( t ) = x s i n ( r d t ) 作用下的稳态响应是一个频率相同， 幅度和相位不同的j 下弦信号y ( o = y s i n ( o t + q 0 ) 。我们把输出y ( t ) 的付氏变换y o o ) 与输入 x ( t ) 的付氏变换x ( j ( o ) 之比定义为系统的频率特性，记为g ( i ) 。频率特性可分解为幅频 特性和相频特性，可以形象的用图形表示，这时频率特性可以看作是以频率为变量描述 系统特性的一种图示方法。当网络系统的电路结构和电路中的元件参数已知时，可以通 过微分方程或传递函数的方法求得系统的频率特性，即采用电路分析的方法求得。 1 2 频率特性测试仪的概念 在很多情况下，我们无法知道电路的详细结构或各个元件的准确参数，只能将所要 分析的电路系统作为一个“黑盒子”来处理，此时我们可以用试验的方法来求得频率特 性，这对于很多难以用电路机理方法建立微分方程或传递函数的系统( 或元件) 来说， 具有重要的实际意义。采用这种方法，无需知道网络内部的电路结构和元件参数等信息， 只需知道系统的输入与输出，而系统的输入与输出又是可以通过测量来得到的，这样测 得的即是网络的频率特性。频率特性测试仪就是用来测试网络频率特性的一种仪器。 1 3 选题的背景和意义 频率特性测试仪又称扫频仪，是测量被测网络的频率特性的仪器。早期的频率特性 测试方法是通过手动改变频率逐点测量完成的，后来按照这种思路设计了专门的扫频仪 用于频率特性的测试。早期的频率特性测试仪大都采用分立元件来实现，那么作为激励 源的扫频信号是一个频率连续变换的信号，无法对该信号具体的频率点进行精确的采 样，因而设计与计算机等数字化设备的接口就存在困难。同时如果对具有存储元件的网 络测试时，由于存储元件的暂态效应，使稳念测试与暂态测试相互影响，导致测试结果 i 河北大学t 学硕十学位论文 产生很大的误差。 例如b t 6 型超低频频率特性测试仪等，就是采用分立的元件，由于分立元件分散 性大，参数变化与外部条件有关，因而产生的频率特性稳定度差、精度低、抗干扰能力 不强，成本反而高。 此外，早期扫频仪的人机接口部分并不友好，其显示部分采用的是传统的示波器， 所以体积大、设备笨重、故障率高、操作复杂，且精度不高。 由于早期扫频仪的种种缺点，需要一种新型扫频仪的出现，后来随着频率合成技术 及微控制器技术的发展，使新型扫频仪的出现成为可能。这种改进的频率特性测试仪， 扫频源采用数字量进行控制，数字化信号源可以弥补分立元件的不足，测量部分也进行 了数字化的改进，大都采用微控制器进行控制和运算，提高了测量的精度。 近几年，随着现代电子技术的飞速发展，各种仪器都向小型化、数字化、智能化、 低功耗方向发展，频率特性测试仪作为一种重要的测量仪器，也在不断的向这个方向发 展。由于直接数字合成技术( d d s ) 的日益成熟和广泛应用，为频率特性测试仪实现数 字化开辟了道路，同时液晶显示技术的成熟使频率特性测试仪的小型化、低功耗成为可 能。 目前，彩色液晶显示器作为高新技术产品，不仅具有超薄平面，显示信息丰富，色 彩逼真的特点，而且具有省电、寿命长、无辐射和体积小等优点，因而是工控仪表，机 电设备等行业的理想显示器件。对于普通单片机如何实现友好的彩色人机界面也将是小 型嵌入式系统应用中的一个技术课题。 1 4 论文内容 本论文主要论述了数字式频率特性测试仪系统的软、硬件设计，扫频信号源部分采 用d d s 技术，采用集成模拟芯片a d 8 3 0 2 进行幅度检测，同时采用单片机a t 8 9 c 5 2 进 行测量控制和数据处理，键盘输入部分采用管理键盘和显示的专业智能控制芯片 h d 7 2 7 9 a ，最后使用彩色液晶显示器对测量结果进行图形、数据及状态显示。 本论文的主要内容： 第2 章：系统总体设计方案。通过对频率特性测试方法的理论分析和研究，得出了 频率特性测试仪系统的总体设计方案。 第3 章：幅度检测电路的设计。主要包括扫频信号源的设计和增益检测电路的设计。 第1 章引言 扫频信号源采用先进的数字频率合成技术( d d s ) ，用于产生频率可控的扫频信号给被测 网络提供输入信号，使之能够满足本系统对频率范围的要求。增益检测电路是为了检测 被测网络两端的幅度比值，经检波以后幅度值的模拟量由a d c 转化为数字量，送给控 制及数据处理电路进行分析处理。 第4 章：键盘输入电路的设计。此部分负责接收各种命令，例如，测量时扫频信号 所需要的起始频率、终止频率等参数，主要采用了编码式键盘芯片h d 7 2 7 9 a ，并介绍 了其硬件设计、软件设计以及其键盘面板的配置。 第5 章：液晶显示电路的设计。此部分主要用于显示测量结果，测量完成后，根据 要求完成相应的测量参数、特性曲线以及显示方式的设置，如，刻度大小选择、光标选 择、增益选择等。 第6 章：控制及数据处理电路的设计。此部分主要完成逻辑控制、数据处理和与人 机接口部分通信三个主要功能，核心器件是单片机。用于控制整个系统的协调工作，并 对测量及人机接口来的数据进行分析处理。 第7 章：结论部分。此部分介绍了设计的结果，已经完成的任务，以及设计的特点 和该系统存在的不足、问题以及改进方向。 河北大学t 学硕十学何论文 第2 章系统总体设计方案 2 1 频率特性的两种测试方法【2 】 2 1 1 冲激响应法 我们知道，系统的频率特性表达式为：h ( j c o ) = lh ( j ( o ) i 一似。 其中，模量ih ( j o o ) i 为幅频特性，相角( p ) 为相频特性。 如图2 - l 所示，输入激励为x ( t ) ，输出响应为y ( t ) ，系统的频率响应可计算为： h ( j ) = y ( j o d ) x ( j c o ) 。 其中，y ( j c o ) 和x ( j c o ) 分别为系统的输出信号y ( t ) 和输入信号x ( t ) 所对应的付氏变换。 当系统的输入为单位冲激函数6 ( t ) 时，x o o | ) ) 恒等于1 ，则输出为系统的单位冲激响 应h ( t ) ，h ( t ) 即为h ( j ) 的付氏反变换。 图2 - l 系统的输入与输出 采用冲激响应法，需要制作冲激脉冲6 ( t ) ，并对输出响应进行数据采集，再对得到 的输出信号进行付氏变换，从而得到频率特性。在实际应用中，我们不可能获得理想的 冲激脉冲6 ( t ) ，但是只要脉冲信号足够窄，保证有足够的频带宽度即可。对于窄带系统， 响应建立的时间长，此方法将降低测量速度。此外，宽带系统的输出响应信号频带宽， 要求采用高速的a d ，这就限制了此方法在高频领域的应用。 2 1 2 扫频测试法 由于频率特性可以看成以频率为自变量的函数，系统在每一个频率正弦信号的 激励下，输出达到稳态时，都是与输入激励信号频率相同的正弦信号。响应信号与激励 信号的幅值比即为系统在该频率下的幅频特性值，而两者的相位差即为相频特性值，所 以，我们可以采用输入频率由d , n 大逐点变化的正弦波的方法，来完成频率特性的测量， 这种方法就叫扫频测试法。可见扫频测试法无需对信号进行时域与频域的变换，可以直 4 第2 章系统总体殴计方案 接通过对模拟量的测量和运算完成。为了每次能够测量稳定的输出电压，需要输入频率 的变化速度不能太快，即系统的建立时间要跟得上频率的变化。系统的建立时间与系统 的带宽成反比，即带宽越窄，过渡时间越长，测量时，频率变化的速度要慢：带宽越宽， 过渡时间越短，频率的变化速度就可以加快。所以，扫描低频段时，时间间隔要长，而 在高频段时，就可以采用较高的扫描速度。 2 1 3 扫频测试法的优缺点 由以上的分析可以得到，扫频测试法适用于较高的频段，需要一个频率可控的并符 合指标要求的正弦信号源，需要相应的幅度检测电路，整个电路的硬件工作量较大，但 是用于计算部分的软件工作量相应较小。 此外，由于激励信号的全部能量集中在某一频率上，系统在该频率激励下的稳态输 出信号的信噪比高，有利于提高测量的精度。 2 2 系统总体设计方案 根据系统设计的要求，该系统应由扫频信号源、幅度检测电路、控制运算电路及人 机接口单元几部分组成【3 1 。由于本仪器主要用于实验室教学，只要求完成幅频特性的测 量，而不考虑相频特性的测量，系统的总体框图如图2 2 所示。 图2 - 2 系统总体议计框图 信号源电路采用d d s 技术实现，用于产生频率和持续时间可控的正弦激励信号， 并满足本系统对扫频范围及扫描时间的要求。 幅度检测电路用于检测被测网络输入、输出两端的幅度比值，经过检波后幅度比值 的模拟量经a d c 转换成数字量，送给控制及数据处理部分进行分析处理。 控制及数据处理电路主要完成逻辑控制、数据处理和与人机接口部分通信三个主要 河北大学工学硕十学位论文 功能，核心器件是单片机，用于控制整个系统的协调工作，并对测量及人机接口来的数 据进行分析处理。 图形显示及人机接口电路主要负责接收键盘输入的各种命令，通过单片机的识别， 完成相应的处理，最后把要求的结果通过液晶显示出来。此部分虽然硬件设计比较简单， 但是软件规模相对宏大。需要单片机的支持来完成相应键盘管理控制，以及液晶的显示 控制。本来，单片机管理彩色液晶已经是一件很艰巨的任务，而本系统中键盘数量多， 管理复杂，显示内容丰富多变，所以，人机接口和显示部分设计是一项比较重大的任务。 根据具体的设计方案及要求，可以得到如图2 3 所示的系统各部分组成框图。 图2 - 3 系统各部分组成框图 2 3 系统主要技术指标 频率范围： 2 0 0 h z - - 4 m h z 扫频方式：线性扫描、点频 6 第2 章系统总体设计方案 扫频输出电压：大于0 5 v ( 有效值) 扫频步长： l h z 1 6 k h z 扫频输出阻抗：5 0 q 扫频输入阻抗：5 0 0 高阻 输出衰减器：0 , - - 一6 0 d b ，l d b 步进 输入增益：一3 0 1 0 d b ，1 0 d b 步进 显示分辨率：2 5 0 2 0 0 点 幅度测量精度：小于0 5 d b 2 4 本章小结 本章介绍了频率特性的两种测试方法：冲激响应法和扫频测试法，经综合比较本系 统最终采用扫频测试法。并依此确定了系统的总体设计方案，以及主要技术指标。 7 河北大学t 学硕十学位论文 第3 章幅度检测电路的设计 作为幅度检测电路，主要完成对被测网络幅频特性的测量，包括扫频信号源电路， 可控增益电路，检波电路和a d 转换电路，此部分的电路图如图3 1 所示。 图3 1 幅厦检测部分的电路图 3 1 扫频信号源的设计【4 1 根据所设计系统技术指标的要求，选择美国a d 公司推出的高集成度频率合成器 a d 9 8 5 0 作为d d s 信号发生器。a d 9 8 5 0 采用n = 3 2 位的相位累加器将信号截断成1 4 位输入到正弦查询表，查询表的输出再被截断成l o 位后输入到d a c ，a d 9 8 5 0 在外接 晶振和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波 输出。在f c = 1 2 5 m h z 的时钟下，3 2 位的频率控制字可使a d 9 8 5 0 的输出频率分辨率达 0 0 2 9 1 h z ；并具有5 位相位控制位，允许相位按增量1 8 0 0 、9 0 0 、4 5 0 、2 2 5 0 、1 1 2 5 0 或 这些值的组合进行调整。 a d 9 8 5 0 有4 0 位控制字，3 2 位用于频率控制f s w ，5 位用于相位控制，1 位用于 电源休眠( p o w e rd o w n ) 控制，2 位用于选择工作方式。这4 0 位控制字可通过并行方 式或串行方式输入到a d 9 8 5 0 ，本设计中单片机与a d 9 8 5 0 的接v i 采用并行方式5 1 。 3 2 增益检测电路的设计 这部分电路是把被测网络的输出信号和输入信号( d d s 输出信号) 进行适当的放 大或衰减，再对这两路信号进行幅度检测。放大或衰减功能由可控增益放大器实现，幅 r 第3 章幅度检测【也路的没计 度的测量由检波电路来完成，最后把检测的结果通过a d 转换送入单片机进行信号的 运算处理。 3 2 1 可控增益电路 由于被测网络各不相同，所能承受的输入电压也不同，为此在被测网络的输入端( 即 仪器的输出端) 需要进行程控衰减。本系统要求仪器的输出衰减范围是0 6 0 d b ，步进 值是l d b ，输出衰减器主要由d a 转换器d a c 0 8 3 2 和乘法：器：a d 8 3 5 组成。由于d a c 0 8 3 2 只能在0 - - 2 0 d b 时可以完成l d b 的步迸f 们，所以在0 - - 6 0 d b 范围内，需要由 d a c 0 8 3 2 与三路开关选择的继电器共同完成l d b 步进。当衰减量为0 、一2 0 d b 时，由 d a c 0 8 3 2 单独完成衰减；当衰减量为2 1 d b 一- - 4 0 d b 时，由d a c 0 8 3 2 和一个- - 2 0 d b 的 电阻衰减网络共同完成衰减；当衰减量为4 1 d b - 6 0 d b 时，则由d a c 0 8 3 2 和一个- - 4 0 d b 的电阻衰减网络来完成衰减。单片机通过判断仪器输出衰减值o u t 的范围，衰减量o u t 、 o u t 2 0 或o u t 4 0 去控制d a c 0 8 3 2 的8 位数据输入，并配合继电器选择0 d b 、- - 2 0 d b 或 - - 4 0 d b 的衰减网路共同完成衰减量o u t 。d d s 信号源的输出再与d a c 0 8 3 2 的输出经乘 法器a d 8 3 5 相乘即完成信号的衰减，衰减后的信号最后去激励被测网络。 山于被测网络的多样性，其响应信号的大小也千差力别，为了被测网络的输出不出 现饱和，同时使a d 的输入电压值大小适当，所以需要对被测网络的输出端( 即仪器 的输入端) 进行程控放大衰减。本系统要求仪器的输入增益范围是3 0 d b - - - 1 0 d b ，步进 值是1 0 d b ，对应的5 个增益值分别为：- - 3 0 d b 、- - 2 0 d b 、一1 0 d b 、o d b 和1 0 d b 。由 于档位比较少，所以输入增益器采用的是c m o s 八路模拟开关c d 4 0 5 1 f ，它相当于一 个8 输入、单输出的单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3 位地址码a b c 来 决定【8 1 。被测网络的输出首先经过运放实现1 0 d b 的放大，再送给c d 4 0 5 1 完成相应的 放大或衰减。由于本网络只有5 档的变化，所以c d 4 0 5 1 只用到0 ，1 ，2 ，3 ，4 通道， 对应的c b a 的状念分别是0 0 0 ，0 0 1 ，0 1 0 ，0 11 ，1 0 0 ，单片机通过键盘输入命令得到 仪器输入增益值i n ，进而去控制c d 4 0 5 1 的三位地址码。 3 2 2 检波电路 此部分的核心器件是a d 公司的幅相检测芯片a d 8 3 0 2 ，a d 8 3 0 2 是a d 公司于2 0 0 1 年l o 月推出的用于r f i f 幅度和相位测量的首款单片集成电路，它能同时测量从低频 到2 7 g h z 频率范围内两输入信号之问的幅度比和相位差，该器件将精密匹配的两个对 q 河北大学_ 丁学硕十学位论文 数检波器集成在一块芯片上，因而可将误差源及相关温度漂移减小到最低限度。该器件 在进行幅度测量时，其动态范围可扩展到6 0 d b ，而相位测量范围则可达1 8 0 度。a d 8 3 0 2 具有检测准确度高，抗干扰能力强，易于控制等优点。 幅相检测芯片a d 8 3 0 2 把两输入信号幅度之比( 即增益) 转化为范围为o 1 8 v 的 电压输出，表示的增益范围是- - 3 0 d b , - 一3 0 d b 。输出电压与信号增益的关系如图3 2 所 示，g 是输出引脚v m a g 的电压，最大值为1 8 v ，为9 0 0 m v ，该值表示当两输 入信号功率相同时，增益电压的中间值，v m a g 输出为o v 表示增益最小为- - 3 0 d b ，为 1 8 v 表示增益最大为+ 3 0 d b ! 们。 幽3 2 输出电压与增益的关系 系统的参考信号( d d s 的输出信号) 和被测网络的输出信号分别接入a d 8 3 0 2 的 两个输入端i n p a 和i n p b ，a d 8 3 0 2 再把两输入信号幅度之比转换成电压输出信号。 3 3a d 转换电路 a d 转换电路的功能就是把测量到的模拟量的幅度( 增益) 信息，转换成单片机可 以识别的数字信息，并通过单片机进行处理。此部分电路采用的是美国a d 公司生产的 高集成度低价格的1 2 位逐次逼近式中速模数转换器a d 5 7 4 ，它的转换速度高，转换精 度为0 0 5 t 1 0 1 ，是目前国内外应用较多的器件之一。由于a d 5 7 4 芯片内有三态输出缓 冲电路，因而可直接与单片机的数据总线相连而无须附加逻辑接口电路。 3 4 本章小结 本章简要介绍了频率特性测试仪中幅度检测电路的设计，其中包括扫频信号源电 路、可控增益电路、检波电路以及a d 转换电路。此部分留出一定的接口与单片机进 行通信，控制运算电路则通过接口电路对其进行管理和控制。 1 0 第4 章键肃输入【乜路的设计 第4 章键盘输入电路的设计 在一个单片机应用系统中，键盘和显示是系统中必不可少的输入输出设备，是控制 系统与操作人员对话的窗口。一个安全可靠的控制系统，通常具有方便的交互功能，操 作人员可以通过外设键盘灵活地输入各种参数以调节系统的运行，通过显示设备掌握系 统的工作状态及数据。 4 1 键盘输入类型 4 1 1 非编码键盘 非编码键盘只简单地提供键盘的行列矩阵，键闭合和键释放的信息的获取，键抖动 的消除，键值查找及一些保护措施的实施等任务，均由软件来完成，故硬件设计较为简 单，但占用c p u 较多时间，非编码键盘有：独立式按键结构、矩阵式按键结构j 。 4 1 1 1 独立式键盘 独立式按键是一种最简单的键盘，各按键相互独立，每个按键单独占用一根i 0 口 线，每根v o 口线的按键工作状念不会影响其他i 0 口线上的工作状态。因此，通过检 测输入线的电平状态可以很容易判断哪个按键被按下。电路配置灵活，软件结构简单， 但是每个按键需占用一根i 0 口线，在按键数量较多时，i 0 口浪费大，电路结构显得 复杂。因此，此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。 4 1 。1 2 矩阵式键盘 矩阵式键盘也称行列式键盘，一般用在按键较多的系统当中。行列式键盘通过v o 口线组成行、列结构，按键设置在行、列的交叉点上，这样可以节省大量的v o 口线。 矩阵键盘工作原理：行线通过上拉电阻接至u + 5 v 上。无按键时，行线处于高电平状态， 有键按下，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平为低，则行线电 平为低；列线电平为高，则行线电平为高【坦1 。 4 1 2 编码键盘 编码键盘由硬件逻辑电路完成必要的键识别工作与可靠性措施。每按一次键，键盘 自动提供被按键的读数，同时产生一选通脉冲通知微处理器，一般还具有反弹跳和同时 按键保护功能。 i l 河北大学t 学硕十学位论文 4 1 3 两种编码方式的比较 可见，非编码式键盘软件工作量大，占用较多的c p u 资源，从而降低了c p u 的工 作效率，但是其硬件比较简单。此外，非编码式键盘占用较多的口线资源，在单片机口 线资源不足的情况下，不宜采用此种键盘类型。编码式键盘一般具有自动消除键抖动并 识别按键代码的功能，软件工作量小，从而可以提高c p u 工作的效率，这种键盘易于 使用，占用1 ：3 线较少，但硬件比较复杂【1 3 】。由于本设计中c p u 任务繁重，外围器件占 用口线较多，口线资源紧张，综上考虑，我们采用编码式键盘。 4 2 键盘芯片h d 7 2 7 9 a 【】 4 2 1 皿7 2 7 9 a 的引脚说明 本单元主要采用专用的智能键盘和l e d 控制芯片h d 7 2 7 9 a ，它是一种管理键盘和 l e d 显示器的专用智能控制芯片。h d 7 2 7 9 a 是一片具有串行接口的可同时驱动8 位共 阴式数码管( 或6 4 只独立l e d ) 的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达6 4 键的键盘矩阵，单片即可完成l e d 显示、键盘接口的全部功能，且具有自动消除键抖 动并识别按键代码的功能，从而可以提高c p u 工作的效率。h d 7 2 7 9 a 和微处理器之间 采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格 比，因此，在微型控制器、智能仪表和控制面板等领域中同益获得广泛的应用。需要注 意的是：在本设计中，我们只用到h d 7 2 7 9 a 的键盘管理功能，并没有用到其控制l e d 显示的功能。芯片h d 7 2 7 9 a 的外部引脚如图4 1 所示。 r e s e 丁 r c c l k o d i g 7 d l g 6 d f g 5 d i g 4 d i g 3 o l g 2 d i g l d i g o d p s a s b 图4 1h d 7 2 7 9 a 的引脚图 1 2 啪啪差圣一3似帆一删跖距 第4 章键龠输入电路的设计 h d 7 2 7 9 a 共有2 8 个引脚，其引脚说明如下表所示。 表4 1h d 7 2 7 9 a 引脚说明 引脚名称说明 l ，2 v d d 止电源 3 ，5n c 无连接，悬空 4v s s 接地 6 片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令或读取键盘数据 c s 7c l k 同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时电平上升沿表示数据有效 8d a l a串行数据输入输出端，当芯片接收指令时，此引脚为输入端；当读取键盘指令 时，在读指令最后一个时钟的卜降沿变为输山端 9 按键有效输出端，无键按卜时为高屯平，当检测到有效按键时，此引脚变为低 k e y 电平，并一直保持到键释放为j ： 1 0 1 6s g s a l e d 数码管g 段a 段驱动输出 1 7d p 小数点驱动输山 1 8 2 5d i g o d l g 78 个l e d 管的侮驱动输出端 2 6c l k o 振荡输出端 2 7r c r c 振荡器连接端，振荡元什典型值为r = i 5 k q ，c = 1 5 p f 2 8 复位端，该端由低电平变成高电平并保持2 5 m s 即复位结束 r e s e t 4 2 2 读键盘指令说明 h d 7 2 7 9 a 指令系统由6 条纯指令、7 条带数据指令和1 条读键盘指令组成。在本 设计中，我们只用到读键盘指令1 5 h 。 表4 2 读键盘指令的格式 d 7 d 6d 5d 4d 3d 2 d id 0 d 7 d 6 d 5 d 4d 3 d 2d id o 0001o10ld 7d 6d 5d 4d 3d 2d ld o 该指令从h d 7 2 7 9 a 读出当前的按键代码。与其他指令不同，此指令的前一个字节 0 0 0 1 0 1 0 1 b 为微控制器传送到h d 7 2 7 9 a 的指令，而后一个字节d 0 一d 7 则为h d 7 2 7 9 a 返回的按键代码，其范围是o 3 f h ( 无键按下时为0 x f f ) ，各键盘代码的定义如图4 3 所示，图中的键号即键盘代码。 此指令的前半段，h d 7 2 7 9 a 的d a t a 引脚处于高阻输入状态，以接收来自微处理 器的指令；在指令的后半段，d a t a 引脚从输入状态转为输出状态，并输出键盘代码的 值。故微处理器连接到d a t a 引脚的i o 口应有一个从输出念到输入态的转换过程。 河北大学下学硕十学位论文 当h d 7 2 7 9 a 检测到有效的按键时，k e y 引脚从高电平变为低电平，并一直保持到 按键结束。在此期问，如果h d 7 2 7 9 a 接收到读键盘数据指令，则输出当前按键的键 盘代码；如果在收到读键盘数据指令时没有有效按键，h d 7 2 7 9 a 则输出 f f h ( 1 1 1 1 1 1 1 1 b ) 。 4 2 3 读键盘指令时序 h d 7 2 7 9 a 采用串行方式与微处理器通信，串行数据从d a t a 引脚送入芯片，并由 c l k 端同步。当片选信号为低电平后，d a t a 引脚上的数据在c l k 引脚的上升沿被写 入h d 7 2 7 9 a 的缓冲寄存器。读取键盘指令，宽度为1 6 个b i t ，前8 个为微处理器发送 到h d 7 2 7 9 a 的指令，后8 个b i t 为h d 7 2 7 9 a 返回的键盘代码。执行此指令时，h d 7 2 7 9 a 的d a t a 端在第9 个c l k 脉冲的上升沿变为输出状态，并与第1 6 个脉冲的下降沿恢复 为输入状态，等待接收下一个指令。其时序图如图4 2 所示，其中，t l 是从c s 下降沿 到c l k 脉冲的时间；t 2 、t 3 为字节传送中c l k 脉冲宽度；t 5 为读键盘指令中指令与 输出数据时间间隔；t 6 为输出键盘数据的建立时间；t 7 为读键盘数据时c l k 脉冲宽 度；t 8 为读键盘数据完成后，d a t a 转为输入状态时间。其具体的时间如表4 3 所示。 c s 黜4 = 出卵叼忑 附a - ，c x ) 二) ) ( ：二) 卜 ，。厂j 读键盘指令( 8 位，高位在前) 4 3 键盘硬件设计 1 ， 输出的键盘代码( 8 位，高位在前) 图4 - 2 读键盘指令时序图 由于本系统不用l e d 显示，所以不需要数码管的连接，省去数码管不会影响键盘 的使用，键盘硬件电路设计如图4 3 所示，图中画出了2 8 只按键的连线和代码。 在硬件电路中，8 只下拉电阻和8 只键盘连接位选线d i g 0 d i g 7 的8 只电阻( 以 下简称位选电阻) ，应遵从一定的比例关系，下拉电阻应大于位选电阻的5 倍而小于其 5 0 倍，典型值为1 0 倍；下拉电阻的取值范围是1 0 k 1 0 0 k ，位选电阻的取值范围是 1 4 第4 章键禽输入电路的设计 1 k 1 0 k ，下拉电阻要求尽可能得取较小的值，这样可以提高键盘的抗干扰能力。 h d 7 2 7 9 a 需要一个外接的r c 振荡电路以供系统工作，其典型值r = i 5 k q ， c = 1 5 p f 。在印刷电路板布线时，所有元件尤其是振荡电路的元件应尽量靠近h d 7 2 7 9 a ， 并尽量使电路连接最短。h d 7 2 7 9 a 的r e s e t 复位端宜接和j 下电源相连，就能达到可靠 的复位，在需要较高可靠性的情况下，可以连接一个外部的复位电路，或者直接由单片 机控制。在上电或r e s e t 端出低电平变为高电平后，h d 7 2 7 9 a 大约需要经过1 0 - - - ，2 5 m s 的时间刁会进入正常工作状态。 图4 - 3 键盘硬 ；，l ：电路 本设计中，h d 7 2 7 9 a 的外接振荡元件使用典型值，复位端直接与正电源相连即可 达到可靠的复位，a t 8 9 c 5 2 的晶振频率为1 2 m h z 。下拉电阻和位选电阻的阻值分别为 1 0 k 和1 k ，经测试，能达到很好的抗干扰能力。 河北大学t 学硕十学位论文 、 h d 7 2 7 9 a 的c s 、c l k 、d a t a 和k e y 端分别与单片机的p 1 0 、p 1 1 、p 1 2 和外部 中断p 3 2 口相连。此外，为了标志按键有效，在k e y 引脚端连接一个发光二极管的驱 动电路，只要按键有效，发光二极管就会亮一下，以此来标志按键是否有效。 4 4 键盘软件设计 4 4 1 读键盘程序流程 我们确定了采用编码键盘芯片h d 7 2 7 9 a 的键盘编码方案后，需要再确定键盘的工 作方式，本系统采用中断的方式管理键盘【15 1 。 图4 4 读键盘程序流程图 h d 7 2 7 9 a 的k e y 引脚连接到单片机a t 8 9 c 5 2 的外部中断o 引脚p 3 2 ，并设置中 断类型为下降沿触发。当有键按下时，k e y 引脚输出由高电平变为低电平，产生中断 信号中断a t 8 9 c 5 2 ，单片机进入中断服务程序后向h d 7 2 7 9 a 发送读键盘数据指令， h d 7 2 7 9 a 向单片机返回所按下键的代码。其读键盘指令的流程如图4 - 4 所示。 1 6 第4 章键龠输入l 毡路的i 殳计 ! i 一, , , l i , i i 一, 自- - - - - - _ = _ _ = _ = - - = - - - _ 曼曼舅璺曼皇曼曼舅舅 4 4 2 读键盘程序设计 此外，f 确的时序是h d 7 2 7 9 a 正常工作的前提条件。当选定了h d 7 2 7 9 a 的振荡 元件r c 和晶振之后，软件设计中应调节延时时问，使时序中的t 1 - - t 8 满足表4 3 所 列要求。由表中所列的数值可知，h d 7 2 7 9 a 时序规定的时间范围很宽，达1 0 5 0 倍， 很容易满足，但为了提高微处理器访问h d 7 2 7 9 a 的速度，应仔细调试h d 7 2 7 9 a 的读 写程序，使其运行时间接近最短。 表4 - 3h d 7 2 7 9 a 时序规定时间 符号参数最小值典型值最人值单位 t l从c s + 卜降沿到c l k 脉冲时2 55 02 5 0 i t s t 2 传送指令时c l k 脉冲宽度 582 5 0 “s t 3字节传送中c l k 脉冲宽度 582 5 0 “s t 5 读键煮指令中指令与输出数据的时间间隔 152 52 5 0 i t s t 6 输出键衢数据的建立时间 58 i t s t 7 读键盘数据时c l k 脉冲宽度 582 5 0 p s t 8 读键盘数据完成后d a t a 转为输入状态时间 5 u s 其接口程序为： # d e f i n eu n c h a ru n s i g n e dc h a r 编译预处理命令 幸幸+ 木木 i 木木变量及f o 口定义幸幸木幸枣奉水宰 u n c h a rd a t ak e y _ n u m 2 0 x i f ； s b i tc s = p 1 0 ：定义位变量c s 来标识p 1 0 s b i tc l k = p 1 a 1 ：定义位变量c l k 来标识p 1 1 s b i td a t = p 1 2 ；定义位变量d a t 来标识p 1 2 s b i tk e y = p 3 2 ；定义位变量k e y 来标识p 3 。2 宰母掌卡乖木读键盘函数十宰掌幸事 u n c h a rr e a d 7 2 7 9 ( ) s e n d b y t e ( 0 x 15 ) ； 发送读键盘指令 r e t u r n ( r e c e i v e _ b y t e 0 ) ；接收键盘代码 ) 堆幸木幸宰木发送字节函数| i 木幸+ + + 1 7 河北大学t 学硕十学位论文 v o i ds e n d _ b y t e ( u n c h a ro u t _ b y t e ) u n c h a ri ； c s = o ； l o n g _ d e l a y ( ) ； 延时5 0 i ，t s ( t1 ) f o r ( i = 0 ；i 8 ；i + + ) 连续发送“读键盘指令”的一个字节 i f ( o u t _ b y t e & 0 x s 0 ) 输出1 位到h d 7 2 7 9 a 的d a t a 端 ) e l s e d a t = l ；输出l d a t = 0 ； 输出0 ) c l k = l ； 置c l k 高电平 s h o r t _ d e l a y ( ) ；延时8 p s ( t 2 ) c l k = 0 ； 置c l k 低电平 s h o r t _ d e l a y ( ) ；延时8 p s ( t 3 ) o u t _ b y t e = o u t _ b y t e 幸2 ： 左移i 位，准备发送下一位 ) d a t = 0 ； 牛 幸幸枣木接收字节函数木牛枣木幸奉 u n c h a rr e c e i v e _ b y t e ( v o i d ) 发送完毕，设为输出状态 u n c h a ri , i n _ _ b y t e 2 0 x 0 0 ； d a t = l ； d a t a 端置为高电平，设为输入状态 1 8 第4 章键赣输入l 乜路的设计 l o n g _ d e l a y ( ) ；