【導讀】設計采用高性能單片機C8051F020為控制芯片，監控示波器面板上40個按鍵、3個編碼開關及4個電位器的狀態。分別介紹了鍵盤、編碼開關和電位器的工作原理，以及其與單片機連接的硬件電路及軟件編程的實現。按鍵部分采用一鍵多義的鍵盤程序設計方法，給出了鍵碼匹配子程序流程圖。
監控程序負責系統中全部硬件和軟件資源的分配、調度工作，它提供用戶接口，使用戶獲得友好的工作環境，是系統設計中一個重要組成部分。
1 C8051F020單片機概述
伴隨著電子技術快速的發展，越來越多的人加入電子開發的大軍。在學習電子技術和研發項目的過程中，避免不了要使用一些儀器，例如萬用表、示波器等等，然而對于一些非專業的愛好者，擁有一臺數字示波器是比較“奢侈”的。本設計C8051F020單片機，因其具有成本低、制作簡單、測量精度高等優勢，恰恰滿足了這一部分人的需求。
C8051F020單片機是高度集成的片上系統。在芯片內集成了2個多通道ADC子系統（每個子系統包括1個可編程增益放大器和1個模擬多路選擇器）、2 個電壓輸出DAC、2個電壓比較器、電壓基準、SMBus／I2C總線接口、UART、SPI總線接口、5個通用的16位定時器、1個具有5個捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時器陣列（PCA）、內部振蕩器、8個8位通用數字I／0端口和64 KBFLASH程序存儲器，以及8051兼容的高速微控制器內核。
C8051F020單片機是所有模擬和數字外設均可由用戶固件使能/禁止和配置。Flash 存儲器還具有在系統重新編程能力，可用于非易失性數據存儲，并允許現場更新8051 固件。片內JTAG 調試電路允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU 進行非侵入式（不占用片內資源）、全速、在系統調試。該調試系統支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG 調試時，所有的模擬和數字外設都可全功能運行。
Cygnal出的一種混合信號系統級單片機。片內含CIP－51的CPU內核，它的指令系統與MCS－51完全兼容。其中的C8051F020單片機含有64kB片內Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I／O端口共64根I／O口線、一個12位A／D轉換器和一個8位A／D轉換器以及一個雙12位D／A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉／比較模塊的可編程計數／定時器陣列、看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器等部分。C8051F020單片機支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2.7～3.6V（端口I/O,RST和JTAG引腳的耐壓為5V）。與以前的51系列單片機相比，C8051F020增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高。
2 一鍵多義鍵盤工作原理
一臺完善的智能儀表功能往往很多，設定的量程、參數也很多。如果還是用一鍵一個功能，勢必要有一個很大的鍵盤，面板相應擴大，不美觀，而且成本增加。因此在這類儀表中，鍵盤設計成一鍵多義，一個鍵有多種功能。
在一鍵多義的情況下，一個命令不是由一次按鍵組成，而是由一個按鍵序列組成。也就是說，對一個按鍵含義的解釋，不僅取決于本次按鍵，還取決于以前按了些什么鍵。因此，對于一鍵多義的監控程序，首先要判斷一個按鍵序列（而不是一次按鍵）是否已構成一個合法命令。若已構成合法命令，則執行命令，否則等待新按鍵輸入。一鍵多義鍵盤管理程序，主要解決鍵盤按鍵序列的識別和如何根據鍵盤的按鍵序列去找相應的操作程序這兩個問題。
上述問題可用“一圖三表”的方法來解決。即，建立一張鍵圖，依靠分析程序狀態表，分析程序入口表和動作例行子程序表來完成。其中分析程序狀態表總共分為4欄，分別為現狀態PSTi、鍵碼、下一狀態、動作例行子程序編號。
3 編碼開關工作原理
編碼開關有3個引腳和5個引腳的，其中2個引腳是按下功能，另外3個引腳控制編碼開關的左旋和右旋功能，與引腳1、2相連的是兩個長短不一的金屬靜片，與引腳3相連的是一周有12或24個齒的金屬動片。當脈沖電位器旋轉時可出現4種狀態：引腳3與引腳1相連，引腳3與引腳2及引腳1全相連，引腳3與引腳2 相連，引腳3與引腳2及引腳1全斷開。
在實際使用中，一般將引腳3接地作為數據輸入端。而引腳1、2作為數據輸出端與單片機I／0口相連。本設計中用到3個編碼開關，其中一個將引腳1與單片機的P4.0相連，引腳2與單片機的P4.1相連。當脈沖電位器左旋或右旋時，P4.0和P4.1就會周期性地產生圖1所示的波形。如果是12點的脈沖電位器旋轉一圈就會產生12組這樣的波形，24點的脈沖電位器就會產生24組這樣的波形。一組波形（或一個周期）包含了4個工作狀態。因此只要檢測出P4.O 和P4.1的波形，就能識別脈沖電位器是否旋轉，是左旋還是右旋。
4 C8051F020單片機ADC0
C8051F020的ADC0子系統包括：一個9通道的可配置模擬多路開關（AMUX0）、一個可編程增益放大器（PGA0）和一個100 ksps的12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC。ADC中集成了跟蹤保持電路和可編程窗口檢測器。AMUX0、PGA0、數據轉換方式及窗口檢測器都可用軟件通過特殊功能寄存器來配置。只有當ADC0控制寄存器（ADCOCN）中的ADOEN位被置1時，ADC子系統才被允許工作。當ADOEN位為0 時，ADC子系統處于低功耗關斷方式。
ADC0端口的每一對均可用編程設置成為單端輸入或差分輸入。差分輸入時的端口配對為（0，1）、（2，3）、（4，5）、（6，7），此設置由通道選擇寄存器AMUXOSL的低4位和通道配置寄存器AMUXOCF的低4位確定。在AMXOCF中，位3～O各對應2個引腳通道。位值=0，表示是獨立的單端輸入（復位值均為單端輸入）；位值=1，表示是差分輸入對。
C8051F系列單片機中ADC的速率都是可編程設置的，但最少要用16個系統時鐘。一般在轉換之前還自動加上3個系統時鐘的跟蹤／保持捕獲時間 （>1.5μs）。設置F020內ADC速率的方法是通過配置寄存器ADCOCF的位7～3來進行的，其復位值為11111（位 7～3=SYSCLK／CLK（SAR）-1）。
一般在啟動ADC之前都要處于跟蹤方式，控制寄存器ADCOCN的位6如果為“O”，則一直處于跟蹤方式（此時啟動4種啟動方式都可比跟蹤啟動快3個系統時鐘）；如為“1”，則有4種跟蹤啟動方式可選擇，即對ADCOCN中的位3～2賦值：00為向ADBUSY寫1時跟蹤（軟件命令），01為定時器3溢出跟蹤，1O為CNVSTR上升沿跟蹤（外部信號），11為定時器2溢出跟蹤。
5 系統硬件電路設計
鍵盤部分采用6×6矩陣鍵盤，P7.O～P7.5為行線，P3.0～P3.5為列線。P3.0與P7.O交叉處為一鍵，P7口接10 kΩ的上拉電阻至3.3 V。3個編碼開關的1、2腳直接與單片機的I／0引腳相連，這里選擇P4.O～P4.5，3腳接地，4、5腳用作按鍵使用。僅以接P4.O和P4.1引腳的編碼開關為例，電路圖如圖2所示。模數轉換部分使用內部電壓基準，故將VREF引腳與VREF0引腳相連即可。采用電位器調節模擬量的輸入，單端輸入，電位器阻值為10 kΩ，基準電壓典型值為2.43 V，電源電壓采用3.3 V供電。為使基準電壓達到最大，需要一個阻值約為3.58 kΩ的電阻與電位器串聯接到模擬端口，硬件電路如圖3所示，電位器的4、5腳也用作按鍵使用。
6 系統軟件設計
6.1 一鍵多義鍵盤程序設計
在鍵盤分析中，運用一個工作狀態寄存器保存鍵盤的現狀態，當鍵盤掃描到一個按鍵時，根據現狀態的值從分析程序入口表中找到分析程序狀態表地址，從該地址處進入分析程序狀態表，找到相匹配的值，把下一狀態送到現狀態單元里，取出動作號，根據動作號計算出動作子程序入口地址，再執行相應子程序。圖4為鍵碼匹配子程序的流程圖。
6. 2 編碼開關程序設計
由圖1可以看出，引腳1和引腳2有同時為高電平的情況，之后如果引腳2比引腳1先到達高電平則表示左旋，如果引腳1比引腳2先到達高電平則表示右旋。編程的時候依據這個特點來判斷引腳1、引腳2的狀態即可。以1引腳接P4.0，2引腳接P4.1為例：
6.3 模數轉換軟件設計
通過設置ADCO控制寄存器ADCOCN位3～2（ADOCM1～O）A／D轉換啟動方式選擇位，來啟動A／D轉換：位3～2為00時，向ADOBUSY（ADCOCN位4）寫1啟動A／D轉換；位3～2為01時，定時器3溢出啟動A／D轉換；位3～2為10時，CNVSTR上升沿啟動 A／D轉換；位3～2為11時，定時器2溢出啟動A／D轉換。本設計采用第一種啟動方式。
由于單片機的工作量并不大，所以軟件設計時采用查詢的方式。單片機不斷地查詢鍵盤、編碼開關以及電位器的狀態，如果有變化時，單片機將動作信息傳遞給 ARM主MCU，等待主MCU的處理。由于單片機模數轉換的速度非?？欤虼嗽诔绦蛑屑友訒r，以便觀察到模數轉換的變化量。另外，硬件設計時沒有考慮濾波，故用軟件實現濾波。一般的濾波的方法有限幅濾波法、中位置濾波法、算術平均濾波法等，現在提出一種新的濾波方法。由于使用12位A／D，但只要8位就可以達到所要的精度，所以可以采用去掉低4位的方法來實現濾波的目的。由于篇幅有限，下面只給出程序的一部分，以AIN0為例：
結語
本文介紹的一鍵多義的按鍵管理程序，對多按鍵的智能儀表可以通用。編碼開關的編程方法簡單易懂。在A／D轉換部分，提出的去掉低4位的軟件濾波方法可靠可行，對精度要求不高的場合非常適用。這3部分構成了一個完整的監控程序，當單片機監控到某一部分有變化時，就將其動作信息傳遞給ARM主CPU，主CPU 進行相應的處理。
推薦閱讀：
