C8051F的示波器監控程序設計

摘要：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(gè)按鍵、3個(gè)編碼開(kāi)關(guān)及4個(gè)電位器的狀態(tài)。分別介紹了鍵盤(pán)、編碼開(kāi)關(guān)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(shí)現。按鍵部分采用一鍵多義的鍵盤(pán)程序設計方法，給出了鍵碼匹配子程序流程圖。
關(guān)鍵詞：鍵盤(pán)；編碼開(kāi)關(guān)；模數轉換；監控程序

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(hù)接口，使用戶(hù)獲得友好的工作環(huán)境，是系統設計中一個(gè)重要組成部分。

1 C8051F020單片機概述
C8051F020單片機是高度集成的片上系統。在芯片內集成了2個(gè)多通道ADC子系統(每個(gè)子系統包括1個(gè)可編程增益放大器和1個(gè)模擬多路選擇器)、2 個(gè)電壓輸出DAC、2個(gè)電壓比較器、電壓基準、SMBus／I2C總線(xiàn)接口、UART、SPI總線(xiàn)接口、5個(gè)通用的16位定時(shí)器、1個(gè)具有5個(gè)捕捉／比較模塊的可編程計數器／定時(shí)器陣列(PCA)、內部振蕩器、8個(gè)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。

2 一鍵多義鍵盤(pán)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(gè)功能，勢必要有一個(gè)很大的鍵盤(pán)，面板相應擴大，不美觀(guān)，而且成本增加。因此在這類(lèi)儀表中，鍵盤(pán)設計成一鍵多義，一個(gè)鍵有多種功能。
在一鍵多義的情況下，一個(gè)命令不是由一次按鍵組成，而是由一個(gè)按鍵序列組成。也就是說(shuō)，對一個(gè)按鍵含義的解釋?zhuān)粌H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(gè)按鍵序列(而不是一次按鍵)是否已構成一個(gè)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(pán)管理程序，主要解決鍵盤(pán)按鍵序列的識別和如何根據鍵盤(pán)的按鍵序列去找相應的操作程序這兩個(gè)問(wèn)題。
上述問(wèn)題可用“一圖三表”的方法來(lái)解決。即，建立一張鍵圖，依靠分析程序狀態(tài)表，分析程序入口表和動(dòng)作例行子程序表來(lái)完成。其中分析程序狀態(tài)表總共分為4欄，分別為現狀態(tài)PSTi、鍵碼、下一狀態(tài)、動(dòng)作例行子程序編號。

3 編碼開(kāi)關(guān)工作原理
編碼開(kāi)關(guān)有3個(gè)引腳和5個(gè)引腳的，其中2個(gè)引腳是按下功能，另外3個(gè)引腳控制編碼開(kāi)關(guān)的左旋和右旋功能，與引腳1、2相連的是兩個(gè)長(cháng)短不一的金屬靜片，與引腳3相連的是一周有12或24個(gè)齒的金屬動(dòng)片。當脈沖電位器旋轉時(shí)可出現4種狀態(tài)：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(kāi)。
在實(shí)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(gè)編碼開(kāi)關(guān)，其中一個(gè)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(shí)，P4．0和P4．1就會(huì )周期性地產(chǎn)生圖1所示的波形。如果是12點(diǎn)的脈沖電位器旋轉一圈就會(huì )產(chǎn)生12組這樣的波形，24點(diǎn)的脈沖電位器就會(huì )產(chǎn)生24組這樣的波形。一組波形(或一個(gè)周期)包含了4個(gè)工作狀態(tài)。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(gè)9通道的可配置模擬多路開(kāi)關(guān)(AMUX0)、一個(gè)可編程增益放大器(PGA0)和一個(gè)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(guò)特殊功能寄存器來(lái)配置。只有當ADC0控制寄存器(ADCOCN)中的ADOEN位被置1時(shí)，ADC子系統才被允許工作。當ADOEN位為0 時(shí)，ADC子系統處于低功耗關(guān)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(shí)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A(yíng)MXOCF中，位3～O各對應2個(gè)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(gè)系統時(shí)鐘。一般在轉換之前還自動(dòng)加上3個(gè)系統時(shí)鐘的跟蹤／保持捕獲時(shí)間 (>1.5μs)。設置F020內ADC速率的方法是通過(guò)配置寄存器ADCOCF的位7～3來(lái)進(jìn)行的，其復位值為11111(位 7～3=SYSCLK／CLK(SAR)-1)。
一般在啟動(dòng)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(shí)啟動(dòng)4種啟動(dòng)方式都可比跟蹤啟動(dòng)快3個(gè)系統時(shí)鐘)；如為“1”，則有4種跟蹤啟動(dòng)方式可選擇，即對ADCOCN中的位3～2賦值：00為向ADBUSY寫(xiě)1時(shí)跟蹤(軟件命令)，01為定時(shí)器3溢出跟蹤，1O為CNVSTR上升沿跟蹤(外部信號)，11為定時(shí)器2溢出跟蹤。

5 系統硬件電路設計
鍵盤(pán)部分采用6×6矩陣鍵盤(pán)，P7．O～P7．5為行線(xiàn)，P3．0～P3．5為列線(xiàn)。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(gè)編碼開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)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(gè)阻值約為3．58 kΩ的電阻與電位器串聯(lián)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。